組合BCH碼在CDMA系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

摘 要：提出了素多項(xiàng)式同組的概念，并對(duì)由同組的素多項(xiàng)式構(gòu)成的組合BCH碼在碼長(zhǎng)、信息位長(zhǎng)度、階數(shù)等方面的特性進(jìn)行了研究和分析。同時(shí)，還對(duì)組合BCH碼經(jīng)過群變換后產(chǎn)生的類正交矩陣進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)構(gòu)成組合BCH碼的素多項(xiàng)式的個(gè)數(shù)越多時(shí)，類正交矩陣的行類正交性越好，列類正交性越差。最后，將組合BCH碼的類正交矩陣用于CDMA通信系統(tǒng)中，并分析了在構(gòu)成組合BCH碼的素多項(xiàng)式個(gè)數(shù)不同的情況下，行和列分別作為多用戶編碼時(shí)的誤碼率。

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關(guān)鍵詞：組合BCH碼； 類正交矩陣； CDMA； 誤碼率

中圖分類號(hào)：TN76-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0075-03

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Research and application of compounding BCH code in CDMA system

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ZHA Yan-fang， LIU Zheng， CHEN Qiang， ZHANG Peng

(Suzhou Industrial Park Institute of Services Outsourcing， Suzhou 215000， China)

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Abstract：

A conception of irreducible polynomial in one group is introduced. The code length， information length and order of compounding BCH code which is structured by irreducible polynomial in one group are analyzed and researched. At the same time， the orthogonal matrix transformed by group change of compounding BCH code is studied. The study shows that the more number of irreducible polynomials which form compounding BCH code have， the better effect of row-type orthogonal in orthogonal matrix is， the worse effect of column-type orthogonal in orthogonal matrix is. Finally， the orthogonal matrix of compounding BCH code is used in CDMA communication system. The BER(bit error rate) of rows and columns as multi-user coding with the condition of different number of irreducible polynomials in compounding BCH code are analyzed.

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Keywords： compounding BCH code; orthogonal matrix; CDMA; bit error rate

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收稿日期：2011-07-16

BCH碼最早是由霍昆格姆(Hocquenghem)在1959年、博斯(Bose)和查德胡里(Chandhair)在1960年各自提出的[1-2]，它是一類重要的循環(huán)碼，能糾正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤。本文中由BCH碼或者BCH碼組合得到的生成多項(xiàng)式，采用群變換編碼方法，可以得到一種具有類正交特性的矩陣。利用矩陣的類正交特性，將其用于碼分多址的多用戶傳輸，此外，也可以將這種矩陣用于擴(kuò)譜通信和通信加密等方面。

1 BCH碼的組合特性

1.1 BCH碼的產(chǎn)生

對(duì)于BCH碼中的一個(gè)素多項(xiàng)式[3]：

fm(x)=∑mi=0cixi

(1)

式中:xi僅表明其系數(shù)(1或0)ci的值，x本身的取值并無實(shí)際的含義。BCH碼的生成多項(xiàng)式g(x)可以由一個(gè)素多項(xiàng)式構(gòu)成，也可以由若干個(gè)素多項(xiàng)式組合而成。

BCH的碼長(zhǎng)n一般是2m－1或是2m－1的因子，通常把碼長(zhǎng)為2m－1的BCH碼稱為本原BCH碼，而把碼長(zhǎng)為2m－1因子的BCH碼稱為非本原BCH碼。

1.2 BCH碼的組合特性

由BCH碼的定義可知，對(duì)于(n，k)的生成多項(xiàng)式g(x)，它的階數(shù)為m，則由g(x)產(chǎn)生的BCH碼的碼長(zhǎng)n為2m－1或2m－1的因子。將這些生成多項(xiàng)式的階數(shù)等于m，碼長(zhǎng)為n是2m－1或是2m－1的因子的素多項(xiàng)式放在同一組中，稱為同組BCH碼素多項(xiàng)式。對(duì)于同組的素多項(xiàng)式，將他們中的一個(gè)或者多個(gè)素多項(xiàng)式進(jìn)行組合，可以得到組合BCH碼，即：

g(x)=F(fm1(x)，fm2(x)，…，fmj(x))

(2)

由同組的素多項(xiàng)式構(gòu)成的組合BCH碼在碼長(zhǎng)、信息位長(zhǎng)度和階數(shù)等方面具有一些特殊的性質(zhì)。組合BCH碼的最高項(xiàng)次數(shù)為:

m=m1+m2+…+mt=∑ti=1mi=mt

(3)

它的信息位長(zhǎng)度為：

k=n－(m1+m2+…+mt)

=n－∑ti=1mi=n－mt

(4)

2 組合BCH碼的類正交特性

2.1 互相關(guān)系數(shù)

在判斷一個(gè)矩陣的正交特性的時(shí)候，往往會(huì)用到互相關(guān)系數(shù)這個(gè)概念。

在一個(gè)矩陣中，設(shè)各個(gè)碼組的編碼長(zhǎng)度為n，每個(gè)碼元只取+1和-1，x和y是該矩陣中的兩個(gè)碼組：

x=(x1，x2，x3，…，xn)

y=(y1，y2，y3，…，yn)

(5)

式中:xi，yi∈(+1，－1)，i=1，2，…，n，則x和y直接的互相關(guān)系數(shù)定義為[4]：

ρ(x，y)=1n∑ni=1xi，yi

(6)

若碼組x和y正交，則必有ρ(x，y)=0；若碼組x和y不正交，則ρ(x，y)≠0，并且當(dāng)碼組x和y的相關(guān)性越小時(shí)，它們的相關(guān)系數(shù)ρ(x，y)越小；當(dāng)碼組本身與本身相乘時(shí)，有ρ(x，x)=1。

2.2 類正交矩陣的產(chǎn)生

在(n，k)的BCH碼中，它的碼長(zhǎng)為n，信息位長(zhǎng)度為k，BCH碼的生成多項(xiàng)式g(x)的最高階數(shù)為m，并且滿足k=n－m。

首先，根據(jù)BCH碼的生成多項(xiàng)式g(x)，運(yùn)用群變換的編碼方法[5-6]，產(chǎn)生生成矩陣G，它是一個(gè)k×n的矩陣。



g(x)群變換=

10…0g0，0g0，1…g0，r-1

01…0g1，0g1，1…g1，r-1



00…1gk-1，0gk-1，1…gk-1，r-1

(7)



群變換后的生成矩陣G可以分為兩個(gè)部分，前半部分是一個(gè)k×k階的單位矩陣Ik，后半部分，稱之為P矩陣，它是一個(gè)k×m階的矩陣，即:

G=(IkP)，

P=g0，0g0，1…g0，r-1

g1，0g1，1…g1，r-1



gk-1，0gk-1，1…gk-1，r-1

(8)

P矩陣是一個(gè)含有“0”，“1”碼元的矩陣，將該矩陣按照以下規(guī)則進(jìn)行變換：

pi，j = -1， gi，j = 0

1gi，j = 1

(9)

由此可以得到P矩陣的變換矩陣P′，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，P′矩陣的行向量與行向量、列向量與列向量之間的自相關(guān)性很強(qiáng)，互相關(guān)性很弱，這說明該矩陣具有類正交性，因此稱P′矩陣是一種類正交矩陣。

2.3 組合BCH碼的類正交性

對(duì)于同組的BCH碼，由前面的BCH碼的組合特性可知，在同組的素多項(xiàng)式中，如果將其中的t個(gè)素多項(xiàng)式組合，得到組合BCH碼的碼長(zhǎng)nt=n=2m－1，階數(shù)mt=tm，信息位長(zhǎng)度為k=nt－mt=n－tm，則組合BCH碼得到的類正交矩陣P′的大小為：

kt×mt=(n－tm)×tm

(10)

由上式可以看出，對(duì)于類正交矩陣P′來說，當(dāng)組合的素多項(xiàng)式的個(gè)數(shù)越多，即t越大，那么它的行數(shù)就越少(n－tm越小)，它的列數(shù)就越多(tm越大)。對(duì)于類正交矩陣P′中的行向量來說，由于t變大，那么每行的碼元個(gè)數(shù)(每行的碼元個(gè)數(shù)就等于列數(shù))也會(huì)增多，隨著碼元個(gè)數(shù)的增多，其中“-1”和“1”的個(gè)數(shù)也趨于平衡，所以行向量之間的類正交性越好，即行向量之間的互相關(guān)系數(shù)越小；而對(duì)于類正交矩陣P′中的列向量來說， t變大使得每列的碼元個(gè)數(shù)(即行數(shù))減少，因此每列中“-1”和“1”的個(gè)數(shù)的平衡性越差，所以列向量之間的類正交性也越差，即行向量之間的互相關(guān)系數(shù)變大。

圖1，圖2是在階數(shù)為8，碼長(zhǎng)為255的同組中選取不同素多項(xiàng)式進(jìn)行組合，t=4和t=8時(shí)的類正交圖。

圖1 t=4時(shí)，P矩陣類正交性圖

圖2 t=8時(shí)，P矩陣類正交性圖

t=4時(shí)，行向量的互相關(guān)系數(shù)小于0.2的占總數(shù)的75.88%，列向量的互相關(guān)系數(shù)小于0.2的占總數(shù)的96.68%； t=8時(shí)，行向量的互相關(guān)系數(shù)小于0.2的占總數(shù)的84.98%，列向量的互相關(guān)系數(shù)小于0.2的占總數(shù)的93.35%。由此可見，當(dāng)t越大，行向量之間的類正交性越好，列向量之間的類正交性越差。

3 組合BCH碼在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 CDMA系統(tǒng)

CDMA(Code-DivisionMultiple Access，碼分多址)是近幾年來在數(shù)字移動(dòng)通信進(jìn)程中出現(xiàn)的一種先進(jìn)的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)。碼分多址用各自不同的編碼序列來區(qū)分，它利用了碼之間的正交性，在同時(shí)、同頻的情況下對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行復(fù)用通信。

在碼分多址通信中，設(shè)有n個(gè)用戶，每個(gè)用戶所用的碼分別為w1(t)，w2(t)，…，wn(t)，互相正交，用戶碼的持續(xù)期為T，即[7]：

∫TS0wi(t)wj(t) = T， i=j

0，i≠j

(11)

每個(gè)用戶的信息分別為m1(t)，m2(t)，…，mn(t)，則第i個(gè)用戶信號(hào)：si(t)=mi(t)wi(t)，則n個(gè)用戶碼分復(fù)用后多用戶信號(hào)為：

s(t)=∑ni=1mi(t)wi(t)

(12)

由于用于碼分多址通信的用戶碼之間具有正交性，在接收端將接收到的信息與正交編碼相乘，即可分離出相應(yīng)的用戶信息：

mi(t)=s(t)wi(t)=mi(t)

(13)

3.2 組合BCH碼在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

由前面的內(nèi)容可知，由BCH碼的生成多項(xiàng)式經(jīng)過群變換編碼后產(chǎn)生的P′矩陣，是一種具有類正交性的矩陣。而在CDMA通信系統(tǒng)中，需要用正交的編碼序列來對(duì)多路用戶信號(hào)進(jìn)行編碼。因此用這種類正交矩陣來代替Walsh矩陣，用于CDMA。由于P′矩陣中的任意行或者任意列之間不完全正交，即互相關(guān)系數(shù)不全為0，所以不論用行作為編碼序列，還是用列作為編碼序列，在解碼的時(shí)候，所得結(jié)果都會(huì)存在一定的誤差。雖然行與行或者列與列之間的互相關(guān)系數(shù)不全為0，但是他們的互相關(guān)性還是很弱的(即互相關(guān)系數(shù)接近于0)，所以存在的誤差對(duì)最終還原出來的用戶信號(hào)的影響并不會(huì)很明顯。圖3是用P矩陣中的列作為正交編碼進(jìn)行多用戶傳輸后，恢復(fù)出來的信息與原信息的比較，圖中虛線表示原信息，實(shí)線表示恢復(fù)的用戶信號(hào)。由圖3可以看出，用類正交矩陣進(jìn)行碼分多址的多用戶傳輸可以較好地恢復(fù)出各路用戶的信息。

4 結(jié) 語

屬于同組的t個(gè)素多項(xiàng)式可以進(jìn)行任意組合，構(gòu)成

的組合BCH碼的碼長(zhǎng)n′=2m－1，階數(shù)mt=tm，信息

位kt=n－tm(n>tm)。由此BCH碼經(jīng)過群變換后產(chǎn)生的類正交矩陣P′的大小為(n－tm)×tm，t越大，類正交矩陣中行越少，列越多，即每行的碼元數(shù)越多，而每列的碼元數(shù)越少，因此其行的類正交性越好，列的類正交性越差。這里將類正交矩陣P′用于CDMA進(jìn)行多用戶傳輸，雖然存在一定的誤差，但是基本恢復(fù)出原信號(hào)。除了將類正交矩陣應(yīng)用于CDMA之外，還可以將它用于擴(kuò)譜通信、通信加密及分離多徑等方面，因此這種類正交矩陣具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 用類正交矩陣解碼后的信息與原信息的比較

參 考 文 獻(xiàn)

［1］HOCQUENGHEM A. Codes correcteurs d′erreurs [J]. Chiffres， 1959， 2: 147-156.

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［2］BOSE R C， RAY-CHAUSHURI D K. On a class of error-correcting binary group codes [J]. Information and Corrol， 1960， 3: 68-79.

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［3］王新梅，張煥國(guó)，馬建.計(jì)算機(jī)中的糾錯(cuò)碼技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，1999.

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［4］樊昌信，張甫翊，徐炳祥.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

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［5］KISHI Masahichi， YIN Kuixi， IWATA Hiroshi， et al. Consideration on system capability characteristics of portable 2 Mbps / 8 Mcps CDMA with phase continuous QPSK [C]// IEEE VTC98. Ottawa， Canada: IEEE， 1998， 2: 924-928.

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［6］YIN Kuixi， KISHI M. The high capacity and high speed diffCDMA with the BCH double error correction and continuous phase primary modulation [C]// IEEE PIMRC′99. Osaka， Japan: IEEE， 1999， 3: 1556-1560.

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［7］周炯槃，龐沁華，續(xù)大我，等.通信原理［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

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作者簡(jiǎn)介：

查艷芳 女，1984年出生，江蘇蘇州人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪幋a和電子電路。