基于FPGA的移動通信中卷積碼編碼器設(shè)計(jì)

摘 要：卷積碼是一種性能優(yōu)良的差錯控制編碼。介紹了卷積碼編碼原理，基于FPGA利用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了一個(2，1，9)卷積碼編碼器。給出了仿真結(jié)果，并在FPGA器件上驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。仿真及測試結(jié)果表明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并用于實(shí)際項(xiàng)目中。



關(guān)鍵詞：卷積碼; 編碼器; 現(xiàn)場可編程門陣列; VHDL

中圖分類號：

TN9234

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2012)05

0065

03



Design of convolution code encoder in mobile communication based on FPGA



XIAO Juan， LIU Qian， XU Zhen

(Institute of Electrical and Electronic Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023， China)



Abstract：

Convolution code is an error controlling code with better performance. The principle of convolutional code is introduced and a (2，1，9) convolutional code encoder based on FPGA using VHDL hardware description language is implemented. Then， the simulation results are proposed and verified on the FPGA. Simulation and test results show that the design can achieve the desired design requirements and can be used in actual projects.



Keywords： convolution code; encoder; FPGA; VHDL



收稿日期：20111019

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(Q20111707)

0 引 言

數(shù)字信號在有噪聲的信道中傳輸時，由于受到干擾的影響，會發(fā)生誤碼。在設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)時，首先應(yīng)合理設(shè)計(jì)基帶信號，選擇調(diào)制、解調(diào)方式，并采用均衡措施等，使誤碼率達(dá)到指標(biāo)要求。若仍然不能滿足要求時，則必須采用差錯控制編碼等信道編碼技術(shù)，使誤碼率進(jìn)一步降低［1］。

卷積碼是深度空間通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)中常用的一種差錯控制編碼。在編碼過程，卷積碼充分利用了各碼字之間的相關(guān)性［2］。卷積碼廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信，GSM，CDMA數(shù)字移動通信等通信系統(tǒng)，對其進(jìn)行研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

FPGA是可編程邏輯器件，采用FPGA等新型可編程器件進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅使設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品達(dá)到微型化、高集成化和高可靠性，而且開發(fā)周期短、成本低、風(fēng)險小［3］。本設(shè)計(jì)采用VHDL語言并選用FPGA設(shè)計(jì)了一個(2，1，9)卷積碼編碼器。

1 卷積碼編碼器原理

卷積碼是1955年由Elias等人提出的一種十分常見且有效的前向糾錯碼(FEC)。卷積碼(n，k，N)主要用來糾隨機(jī)錯誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關(guān)系。卷積碼(n，k，N)將k個信息比特編為n個比特，N為約束長度。即卷積碼的當(dāng)前碼元不僅與當(dāng)前輸入的k個信息碼元有關(guān)，而且還與前面(N-1)個時刻輸入的信息碼元有關(guān)，卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關(guān)，還與采用的譯碼方式有關(guān)。總之，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關(guān)性，在同樣的碼率和設(shè)備的復(fù)雜性條件下，無論在理論上還是實(shí)踐上都證明：卷積碼的性能至少不比分組碼差［4］。

2 卷積碼編碼器設(shè)計(jì)

2.1 編碼設(shè)計(jì)原理

卷積碼(n，k，N)，其一般形式為一個由N段組成的輸入移位寄存器，每段有k級;一組n個模2和相加器；一個由n級組成的輸出移位寄存器。對應(yīng)于每段k個比特的輸入序列，輸出n個比特。整個編碼過程可以看成是輸入信息序列與由移位寄存器與模2和連接方式所決定的另一個序列的卷積［4］。

本設(shè)計(jì)的卷積碼是(2，1，9)，編碼效率是1/2比率，約束長度為9，碼發(fā)生器函數(shù)為：g(1，1)=(111101011)，g(1，2)=(101110001)。對于每個輸入到編碼器的數(shù)據(jù)比特產(chǎn)生兩個編碼符號v1和v2，然后依次輸出；編碼符號v1用發(fā)生器函數(shù)編碼g(1，1)，第一個輸出；編碼符號v2用發(fā)生器函數(shù)g(1，2)編碼，第二個輸出。卷積碼編碼器初始狀態(tài)為全“0”狀態(tài)。隨后第一個輸出編碼符號為發(fā)生器函數(shù)g(1，1)產(chǎn)生的編碼符號。

電路框圖如圖1所示。

3 卷積碼編碼器仿真

3.1 功能仿真

仿真前設(shè)置輸入信息序列Convolutionbitin=“1101001001”，對應(yīng)時鐘為400 ns。圖3為(2，1，9)卷積碼，碼發(fā)生器函數(shù)是:g0=(111101011)，g1=(101110001)的理論編碼結(jié)果。卷積編碼器VHDL功能仿真波形如圖4所示。

比較卷積碼編碼器的理論結(jié)果(見圖3)和功能仿真圖(見圖4)，仿真結(jié)果與理論計(jì)算完全一致。

3.2 時序仿真

在不考慮時延的情況下，對照圖4與圖5，兩者仿真波形一樣。從圖6可以看出卷積編碼器的時延為7.0 ns，這是因?yàn)楣δ芊抡娌豢紤]信號時延等因素，而時序仿真則是選擇了具體器件并完成布局布線后進(jìn)行的含定時關(guān)系的仿真，所以其仿真更接近真實(shí)器件運(yùn)行特性，因而仿真精度更高。由于不同器件的內(nèi)部時延不一樣，不同的布局，布線方案也會給時延造成很大的影響，因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，有必要對網(wǎng)絡(luò)和邏輯塊進(jìn)行時延仿真，分析定時關(guān)系，估計(jì)設(shè)計(jì)性能［3，5］。

時序仿真后，再進(jìn)行器件編程和調(diào)測。實(shí)測結(jié)果完全正確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文闡述了卷積碼編碼器的工作原理，利用FPGA器件，設(shè)計(jì)出了(2，1，9)卷積碼編碼器。仿真及測試結(jié)

果表明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并用于實(shí)際項(xiàng)目中。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］林舒，科斯特洛.差錯控制編碼基礎(chǔ)和應(yīng)用［M］.王育民，譯.北京:人民郵電出版社，1986.



［2］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1992.



［3］李國洪，沈明山.可編程器件EDA技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.



［4］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京:國防工業(yè)出版社，2007.



［5］潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.



［6］曹雪虹，張宗橙.信息論與編碼［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.



［7］潘松，王國棟.VHDL實(shí)用教程［M］.成都：電子科技大學(xué)出版社，2001.



［8］丁曉青，王瑞.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸糾錯方法的應(yīng)用［J］.上海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，16(1):1519.



［9］SCHLEGEL C. Fundamentals of digital communication and block coding \\[M\\]. Piscataway， NJ， USA: IEEE Press， 2002.



［10］TAN J， STUBER G L. New SISO decoding algorithms \\[J\\]. IEEE Trans. Commun.， 2003， 51(6): 845848.



作者簡介：

肖 娟 女，1975年出生，湖南常寧人，碩士，講師。主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)、信號與信息處理。

劉 倩 女，1980年出生，湖北人。主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ獭＊?/p>

徐 震 男，1974年出生，湖北人，博士，講師。主要研究方向?yàn)闊o線通信技術(shù)。

(上接第64頁)

而且所需要的積累次數(shù)也不多，能獲得很好的信號處理實(shí)時性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李述為，高梅國，傅雄軍.生命探測雷達(dá)回波信號處理與仿真［J］.兵工學(xué)報，2008(6):756758.



［2］楊劍.電磁波生命探測方法研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2009.



［3］李文超，王緒本，何永波，等.沖激超寬帶雷達(dá)多生命特征檢測初步研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2009(4):12631265.



［4］祝忠明，王緒本，何永波.穿墻脈沖雷達(dá)回波信號人體微動特征識別初步研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010(2):597599.



［5］OLGA BoricLubecke， LUBECKE Victor M， ISAR Mostafanezhad， et al. Doppler radar architectures and signal processing for heart rate extraction \\[J\\]. Microwave Review， 2009，12: 1216.



［6］倪潤峰，康海雷，劉健，等.基于DUFFING振子的微弱信號檢測方法［J］.電測與儀表，2008(10):2225.



［7］趙海云，胡學(xué)成.寬帶雷達(dá)微弱目標(biāo)信號的積累方法［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008(10):366370.



［8］肖劍鋒，黃培康，文樹梁.寬帶Chrip雷達(dá)回波信號相干積累方法［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30(12):3538.



［9］王雅曼.弱信號檢測技術(shù)研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011(7):1517.



［10］倪安勝，王健琪，楊國勝，等.基于FFT頻域積累的非接觸生命參數(shù)信號檢測［J］.第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2003，24(2)：172175.



［11］何永波.超寬帶雷達(dá)回波信號微動特征識別研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2009.



［12］孫永軍，呂福平.基于小波變換相干積累的微弱信號檢測［J］.電子對抗技術(shù)，2003，18(5):710.



作者簡介：

魏崇毓 教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ排c電子系統(tǒng)。

李玲娟 碩士研究生。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

朱衛(wèi)娟 碩士研究生。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。