Модифікований алгоритм декодування згорткових турбо-кодів

Abstract

At the current stage of development of the theory of error-correcting codes, a turbo-code is a promising technique, which provides the necessary error-correcting characteristics for various data transmission systems. It represents a powerful class of error-correcting codes with a unique codec structure, capable of operating effectively at high speeds in channels with low useful energy, almost completely using channel capacity by the principles of K. Shannon. The process of turbo-decoding using specialized iterative probabilistic algorithms requires significant computational resources, which can become a limitation for real digital data transmission systems. The article proposes a suboptimal modification of the turbo-decoding algorithm based on the maximum a posteriori likelihood in an iterative form, which uses the approximation of the correction function during the calculation of the correlation metrics of the trellis-diagram transitions of a recursive systematic convolutional code. The proposed function outperforms analogues in the base interval of values by statistical indicators. The algorithm's efficiency was demonstrated during computer simulation of the work process of a digital data transmission system on random frames and multimedia data. The experimental functional dependence of the bit error rate on the signal/noise ratio in the communication channel was found and analyzed. It was determined that the modified algorithm outperforms several analogues in the terms of energy gain in communication channels with a high level of noise component, its efficiency is as close as possible to the basic algorithm, but has lower computational complexity. The article can be useful for engineers and designers of data transmission systems since it allows more efficient analysis and synthesis of turbo-codes depending on the given tasks.

На сучасному етапі розвитку теорії завадостійкого кодування виділяється турбо-код, який забезпечує необхідні характеристики завадостійкості для різних систем передавання даних. Він є представником потужного класу завадостійких кодів з унікальною структурою кодека, здатний ефективно працювати на високих швидкостях у каналах з низькою корисною енергетикою, майже повністю використовуючи його ємність відповідно до принципів К. Шеннона. Процес турбо-декодування з використанням спеціалізованих ітеративних імовірнісних алгоритмів вимагає значних обчислювальних ресурсів, що може стати обмеженням для реальних систем передавання цифрових даних. У статті запропоновано субоптимальну модифікацію алгоритму турбо-декодування на основі максимуму апостеріорної імовірності в ітеративній формі, яка використовує апроксимацію коригуючої функції у ході розрахунку кореляційних метрик переходів трелліс-діаграмою рекурсивного систематичного згорткового кодера. Запропонована функція переважає аналоги на базовому інтервалі значень за статистичними показниками. Ефективність роботи алгоритму продемонстровано у ході комп’ютерного імітаційного моделювання роботи системи передавання цифрових даних на випадкових фреймах та на мультимедійних даних. Встановлено та проаналізовано експериментальну функціональну залежність частоти виникнення помилок від відношення сигнал/шум у каналі зв’язку. Визначено, що модифікований алгоритм переважає низку аналогів за енергетичним виграшем для каналів зв’язку з високим рівнем шумової компоненти. Його ефективність максимально наближена до базового алгоритму, але має меншу обчислювальну складність. Стаття може бути корисною для інженерів та проєктувальників систем передавання даних, оскільки дозволяє ефективніше аналізувати та синтезувати турбо-коди залежно від поставлених задач.