（测试计量技术及仪器专业论文）数字电视系统中tcm码研究及其fpga实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 数字电视是现代电子技术和通信技术等高度发展的基础上的高科技产物，数 字电视传输属于数字通信范畴，包括信源、信道和信宿部分。信道在通信中起到 关键的作用，对通信质量的好坏有很大影响。 信道编码技术是保证通信传输质量的关键技术，t c m 码是在不增加信号带 宽、不降低传输速率的前提下的有效的编码方法，以便提高通信传输的效率和可 靠性。 本文对数字电视的传输进行了简要的介绍，介绍了数字通信中信道编码理 论，对纠错编码和数字调制分别给出了分析，特别对卷积码和q p s k 原理进行了 深入分析，对t c m 码进行了详细的研究，同时对开发平台进行了简要介绍。结 合系统的设计要求，提出整体设计方案，并定义接口信号种类，给出了一种( 2 ，1 ，7 ) 卷积码与q p s k 相结合的t c m 编码技术，并在f p g a 上成功实现。 f p g a 凭借其设计方便灵活和易于验证等特点广泛应用于数字信号处理领 域。本文探讨了应用f p g a 实现t c m 编码的具体方案，t c m 编码各单元模块 的f p g a 设计主要包括卷积编码模块、上采样模块，开根升余弦滤波器模块、 数控振荡器模块等，应用a l t e r a 公司f p g a 开发平台q u a r t u s i i5 0 完成了t c m 码编码器的设计。 本文主要创新点为：在t c m 码编码器设计中对卷积编码模块加入了并串转 换模块，便于移植；滤波器设计采用带有流水线技术的乘法器和加法器，提高了 速度；数控振荡器的设计利用正弦波的奇偶对称性实现地址信息的映射，节省了 r o m 资源。 关键词：t c m 卷积码q p s kf p g a v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t d t v ( d i g i t a lt e l e v i s i o n ) i st h eh i g ht e c h n o l o g yp r o d u c tb a s e do nt h er a p i d d e v e l o p m e n to f m o d e me l e c t r o n i ca n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y d t vt r a n s m i s s i o n s y s t e mi sp a r to f d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n , i ti sc o m p o s e so f i n f o r m a t i o ns o u r c e ，c h a n n e l a n di n f o r m a t i o ns i n k c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lp l a y sak e yr o l ei nt h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m c h a n n e lc o d i n gi st h ek e yt e c h n o l o g yo fk e e p i n gt h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , t c mc o d ei sa l le f f e c t i v ec o d i n gc h o i c ei nc o n s i d e r i n gt h eb a n d w i d t ha n ds p e e d c o m p a r e dw i t ho t h e rc o d i n gm e t h o d si np r e s e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc a np r o v i d e h i 曲t r a n s m i s s i o ns p e e dn o ta tt h ec o s to f b a n d w i d t h t h i sp a p e ri n t r o d u c e sd t vt r a n s m i s s i o ns y s t e mb r i e f l y , a n a l y z i n gc h a n n e l c o d i n gt h e o r y , i n c l u d i n ge r r o r - c o r r e c t e dc o d i n ga n dd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y u s e di nd i 【g i t a lc o m m u n i c a t i o n i ta l s oi n t r o d u c e so b rr e s e a r c ho nt c mc o d ei nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，w eg i v eg e n e r a li n t r o d u c t i o no f d e v e l o pp l a t f o r m b a s eo nt h et h e o r yo f t c mc o d e ，w eb r i n gu po v e r a l ld e s i g ns c h e m ea n dd e f i n ei n t e r f a c es i g n a l s w ea l s o i n t r o d u c et h ef p g a i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do f t c m e n c o d e rm o d u l ei nd e t a i l f p g ai sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb e c a u s eo fi t s f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n ts p e c i a l t yi nd e s i g na n dt e s t i n g w i t ht h er e s e a r c ho f t h et c m c o d ea n dd e s i g nm e t h o do f f p g a , w eh a v ea c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no f t c me n c o d e r i nv i r t u a lf p g ad e v e l o p m e n tp l a t f o r mp r o v i d e db ya l t e r ac o m p a n y , i n c l u d i n gt h e r e a l i z a t i o no fe o n v o l u t i o n a lc o d i n gm o d u l e ，u p - s a m p l em o d u l e ，s r r cf i l t e rm o d u l e a n dn c 0m o d u l ee t c t h em a i nc r e a t i v ep o i n t so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ep s0 a r a l l e lt os e r i a l ) c o n v e r s i o nm o d u l ei sa d d e di n t ot h et c me n e o d e rf o r t h ec o n v e n i e n c eo ft h es y s t e mt r a n s p l a n t , t h ed e s i g no ft h ef i l t e ri n c l u d e sa d d e ra n d m u l t i p l e x e rw i t hp i p e l i n et e c h n o l o g y , w h i c hi m p r o v e si t sp r o c e s s i n gs p e e d ，t h ed e s i g n o f n c o o c c u p i e sl e s sr o mb yu t i l i z i n gs i n ew a v ep a r i t y k e y w o r d s ：t c mc o n v o l u t i o n a lc o d eq p s k f p g a v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：矬日期：里 山乡 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 师签名：鲰日期：旦 i i 上海大学硕士学位论文 1 1 数字电视系统 第一章绪论 数字电视是现代电子技术、通信技术和信息加工技术高度发展的基础上的高 科技产物，数字电视的发展同样能带动电子信息技术及相关领域的发展。数字电 视传输方式主要有卫星、地面和有线三种。卫星广播着重于大面积的覆盖，地面 广播有简单、移动接收的能力，能够满足信息社会“信息到人”的要求，有线广 播着重解决“信息到户”。 l 数字电视的ll 数字电视的il 数字电视的i i 制作发送r 1 传输存储r 叫接收显示l 信源( 发送端)信道 信宿( 接收端) 图1 1 数字电视系统 数字电视系统指节目采集、编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全 部采用数字处理的全新电视系统，也可以说数字电视是在信源、信道和信宿三方 面全面实现数字化的电视系统。其中，电视信号的采集、加工属于信源部分，传 输和存储属于信道部分，接收和显示属于信宿部分，如图1 1 所示。 1 1 1 数字电视传输的国际标准 目前国际上存在电视的传输方案主要是欧洲的d v b 标准和美国a t s c 标准。 d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准起源于欧洲【l 】最早是在1 9 9 3 年由欧洲 的1 2 个国家的广播业和制造业的代表在数字视频集团会议上提出的。d v b 标准 提供了一套完整的，适用于不同媒介的数字电视广播系统规范，从一开始，大家 就选定i s o i e cm p e g 2 标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行 了统一，随后对m p e g 2 码流进行打包形成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用， 最后通过卫星、有线电视等不同媒介传输方式进行传输。d v b 项目的主要目标 是要找到一种对所有传输媒体都适用的数字电视技术和系统，对它的要求是： 系统应能灵活传送m p e g 2 视频，音频和其他数据信号； 系统使用统一的m p e g - 2 传送比特流复用： 上海大学硕士学位论文 系统使用统一的服务信息系统提供广播节目的细节等信息； 系统使用统一的一级里德一索罗门( r s 码) 前向纠错系统； 使用统一的加扰系统，但可有不同的加密； 选择适于不同传输媒体的调制方法和通道编码方法以及任何必须的附 加纠错方法。 d v b 标准包括： d v b s ：用于l l 1 2 g h z 的卫星系统。 d v b c ：用于有线传送系统，与d v b s 兼容，通常用于8 m h z 有线频道。 d v b t ：用于地面7 - - 8 m h z 频道的数字式地面广播系统。 表1 1d v b 的传输方案的特征参数 d v b sd v b d v b t 视频编码m p e g 2m ：p e g - 2m p e g 2 纠错编码 外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) r s ( 2 0 4 ，1 8 8 )外码：r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ) 内码：卷积内码：卷积 ( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 )( i 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) 调制 q p s k1 6 、3 2 、6 4 q a m 0 f d m 带宽 2 7 m i z8 m h z8 m h z 美国高级电视制式委员会( a t s c ，a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 标准 在1 9 9 4 年由h d t v 大联盟推出的1 2 ，得到了美国a t s c 委员会的支持。a t s c 标准能够在一个6 m h z 地面广播信道中或有线电视信道可靠地传递信号。 1 1 2 数字电视传输的国内标准 高级数字电视广播( a d t b ，a d v a n c e d d i g i t a l t e l e v i s i o n b r o a d c a s t ) 系统是由上海 交通大学提出l z j ，系统设计者认为我国的电视发射线一般位于市郊的山上，常常 只有一个集中的发射点。大城市楼群的数量较多且分布相对分散，楼内的住户密 度大。这些特点造成我国城市的多经反射的强度和延时情况较严重，另外噪声干 扰也较大。a d t b 系统包括六种传输模式，调制方式为偏置正交幅度调制( o q a m ， o f f s e tq u a d r a t ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 。内码编码采用卷积编码方式，输入的码流 经外码处理后经过交织，再同步信号插入，o q a m 调制形成基带信号。 清华大学提出了一个称为地面数字多媒体电视广播传输系统( d m b - t ， t e r r e s t r i a ld i g i t a lm u l t i m e d i a t vb r o a d c 枷n g ) 的方案 3 】采用时域同步正交频分复 2 上海大学硕士学位论文 用( t d s o f d m ，t i m ed o m a i n s y n c h r o n o u s - o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的调制方式。d m b t 传输系统的设计思想是将数据检测与信道估计 分别对待，以获得最佳的接收效果。对于数据检测，d m b t 采用了频谱效率高、 抗多径干扰能力强、适用于宽带信号传输的o f d m 调制方式。d m b t 系统的内 信道采用格状编码和o f d m 多载波调制方式传输。并且为了减少因突发脉冲干 扰，d m b - t 传输系统在内码和外码之间插入了卷积交织编码。 1 2t c m 码的提出 1 9 4 8 年s h a n n o n 发表的“通信数学理论”疑问，为通信的可靠性研究指出 了方向，奠定了纠错编码理论与技术研究的基础。随后，纠错编码技术取得了重 大进展，大大提高了通信传输的可靠性。传统信道编码技术在f e c ( f o r w a r d e r r o r - c o r r e c t i n g ) 和a r q ( a u t o m a t i er e p e a tr e q u e s o 两大分支展开。随着现代通信技 术飞速发展，大容量、高可靠性、实时通信等的要求对信道编码方法提出了挑战， f e c 和a r q 技术在这方面的应用不断暴露缺陷。因此迫切需要提出一种能够在 不增加信号带宽、不降低传输速率的前提下进行有效的编码方法，以便提高通信 传输的效率和可靠性。1 9 7 4 年，m a s s e y 根据s h a n n o n 信息论，最早证明了将编 码与调制作为一个整体考虑的最佳设计，可以大大改善系统的性能【4 】。 8 0 年代初，u n g e r b o e c k 根据纠错编码与调制的特点，提出了一种新的思想， 称作网格编码调制5 1 【6 】川，记为t c mf t r e l l i sc o d e dm o d u l a t i o n ) 。它是将调制解调 与纠错编码组合成一个整体。它的中心思想是，采用编码方法将信号空间做最佳 分割，使已调信号矢量端点间有最大的距离，同时采用足够多的信号矢量以保证 信息传输速率，这样就可以在保证信息传输速率的同时降低接收端的误译码率。 网格编码调制技术首次将纠错编码技术引入欧几里德空间，采用集分割映射方法 用欧氏距离代替传统的汉明距离选择最佳星座图，使编码与调制完美结合，在不 增加带宽的条件下，可提供3 6 d b 的编码增益。自t c m 问世以来，得到了广泛 的重视，无论在理论研究和实际应用中得到了快速发展。 3 上海大学硕士学位论文 1 3f p g a 技术 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是- - 种用户可编程逻辑器件f 8 j 它是在 p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。f p g a 具有高度 灵活的可编程方式，可重复擦写。f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置 其工作状态的，因此，工作时需要对片内的r a m 进行编程。用户可以根据不同 的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中数据读入 片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成 白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无须专用 的f p g a 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。当需要修改f p g a 功能时，只需换一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程数据，可 以产生不同的电路功能。因此，f p g a 使用非常灵活。 f p g a 目前向高密度、大规模、低功耗、高速、可预测延时的方向发展【9 】， 而且多种i p 核的提供使f p g a 向s o c ，嵌入式系统方向快速发展，缩短了产品 进入市场的时间，f p g a 受到了市场的普遍欢迎，其应用范围越来越广。目前生 产f p g a 的主要厂家有x i l i n x ，a l t e r a , l a t t i c 宅等公司。f p g a 的结构分为三部分： 可编程逻辑模块，可编程i o 和可编程内部连线。 1 4 论文的主要内容及创新点 本文首先对数字电视的传输系统进行了简要的概述，分析了数字通信中信道 编码理论，对纠错编码和数字调制分别给出了分析，深入探讨了卷积编码和 q p s k 调制原理，对t c m 码进行了详细的研究。结合理论知识，给出了一种( 2 ，1 ，7 ) 卷积码与q p s k 相结合的t c m 编码技术给与研究和设计，并在f p g a 上成功实 现。 以f p g a 和c p l d 为代表的可编程逻辑器件凭借其设计方便灵活和校验快 等特点广泛应用于数字信号处理领域。本文研究了应用f p g a 实现t c m 编码的 的整体框架和具体实现方案。应用a l t e r a 公司f p g a 开发平台q u a r t u s l i5 0 完成 了t c m 码编码器的设计。 本文主要创新点为：在t c m 码编码器设计中对卷积编码模块加入了并串转 4 上海大学硕士学位论文 换模块，便于移植；滤波器设计采用带有流水线技术的乘法器和加法器，提高了 运行速度；数控振荡器的设计利用正弦波的奇偶对称性实现地址信息的映射，节 省了r o m 资源。 主要内容安排如下： 1 本文第一章为绪论部分，简要介绍了数字电视系统，t c m 码和f p g a 。 2 本文在第二章中对数字通信系统给出了阐述。 3 第三章中介绍了信道编码的基本理论，包括纠错编码和数字调制，是开 展本课题工作的理论基础。 4 第四章中主要介绍了t c m 码的基本思想和原理，并对构成t c m 码的卷 积编码和q p s k 调制理论作了详细的分析。 5 第五章主要分析了t c m 码编码器的f p g a 实现，包括介绍f p g a 技术 原理，开发环境，t c m 码编码器的f p g a 设计及其各个子模块的具体硬件实现、 仿真结果。 6 最后是对全文的总结以及对今后研究的展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章数字通信系统 数字通信系统就是利用数字信号传递消息的通信系统【1 0 1 】。而数字信号指 的是不仅在时间上是离散的且在幅度上也是离散的信号。通信的目的是要把对方 不知道的消息及时可靠地传送给对方。要在数字电视系统中实现数据传输，进行 数字通信，就必须保证所传输信息的可靠性和有效性。 2 1 数字通信系统的组成 图2 1 列出了通信系统的组成，整个系统包括信源、信道和信宿部分。信源 部分主要完成信源编码的功能，信道部分主要完成信道编码、信息传输、信道解 码功能，信宿部分主要完成信源解码功能。下面对组成数字通信系统的各个部分 分别进行描述【1 2 】。 图2 1 数字通信系统的模型 发送端：信源( 信息源) 是信息的产生之地，其信号可能是模拟的，也可能是 数字的。信源编码器，负责把信源发出的信息转换成数字形式的信息序列，主要 包括模拟数字( a d ) 变换和压缩处理，然后再进行一定形式的编码处理；有时为 了保密，还会进行加密处理。信道编码器，其目的是在数字序列中加入一些冗余 信息，以便在接收端克服信号在信道传输时所遭受到的噪声和干扰的影响，提高 数据的可靠性以及改善接收信号的逼真度，这种技术就是纠错码技术。数字调制 器，是通信信道的接口，其主要目的是把数字信息序列映射成信号波形，假定已 编码的信息序列以均匀速率r b i t s 每次一比特进行传输，数字调制器可以简单地 将二进制数字“0 ”映射成波形s o ( t ) ，而将二进制数字“1 ”映射成波形s l ( t ) ， 在这种方式中，信道编码器所输出的每比特是分别进行传输的，这种调制方式称 为二进制调制；在另外一种调制方式中，调制器一次传输m 个已编码的信息比 特，其方法是采用m = 2 0 个不同的信号波形s i ( t ) ，i = 0 ，1 ，2 ，m ( m 2 ) ，每一个 6 上海大学硕士学位论文 波形用来传输2 “个可能的比特序列中的某一个序列，这种调制方式称为m 元调 制。 信道：信号传输的通道，是发送端到接收端之间信号传输所经过的物理媒介。 信道可以分为有线信道和无线信道。在信号传输的过程中不可避免地会引入干扰 和噪声( 比如热噪声、脉冲干扰与衰落等) 。不同的信道具有不同的特性，而信道 的固有特性和所引入干扰的特性会直接关系到发送端中变换方式的选取。 接收端：数字解调器对受到信道恶化影响的发送波形进行处理，并将该波形 还原成一个数字序列，此序列表示对发送数据符号的估计值( 二进制或m 元) 。这 个数字序列被送至信道译码器，信道译码器根据信道编码器所采用的编码方法的 有关知识以及接收数据所含的冗余信息重构原始序列。当需要模拟输出的时候， 信源译码器接收到信道译码器的输出序列后，根据所采用的信源编码方法的有关 知识还原出由信源所发出的原始信号。信宿，信息的接收者，即为信息最后到达 的目的地。 2 2 数字通信的特点 1 抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在 信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地 叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使 传输质量严重恶化。对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值( 通常 取两个幅值) ，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程 度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端 一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。 2 便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加 密处理比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单 的数字逻辑运算进行加密、解密处理。 3 便于存储，处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致， 都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、 处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。 4 设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较 上海大学硕士学位论文 大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实 现，因此体积小、功耗低。 数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数 字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。 2 3 数字通信系统的主要性能指标 通信的基本任务是传送信息，通信的有效性和可靠性是评价通信系统的两个 最重要的指标，而这两者往往是一对矛盾，如何合理解决有效性与可靠性这对矛 盾，是正确设计一个通信系统的关键问题之- - ”】。对数字通信系统来说，通信 的有效性是指传输速率，通信的可靠性主要是指传输的差错概率，其次还有功率 利用率、频带利用率和系统的经济性等指标。 2 3 1 数字通信系统的可靠性 在数字通信系统中，存在着各种噪声的干扰，接收到的数字码元可能会发生 错误，使通信受到影响。可靠性指标主要用误码率和误信率只来衡量。 1 误码率：它是指通信过程中，系统传错码元数与所传输码元总数之比， 即传错码元的概率。 只= 传错码元数传输码元总数( 2 1 ) 2 误信率：又称误比特率，是指传错信息的比特数与所传输信息总比特数 之比，即 忍= 传错信息的比特数传输信息总比特数( 2 - 2 ) 在二进制中，e = b ；多进制( m 进制) 中，与只有下列关系式： 只= 赤z 吾只 ( 2 - 3 ) 2 3 2 数字通信系统的有效性 有效性可用码元传输速率、信息传输速率、系统的频带利用率来衡量。 上海大学硕士学位论文 1 码元传输速率：也称为传码率，用r 。表示。它是指单位时间所传送的码 元数目，单位为波特( b a u d ) 。 2 信息传输速率：也称为传信率，用见表示，是指单位时间系统所传的信 息量，单位为比特秒( b i t s ) ，亦可用b p s 来表示。 传码率和传信率统称为传输速率。在二迸制中，每个码元代表一个比特的信 息量，这时码元的传输速率和信息的传输速率在数值上是相等的，即r b = ， 但单位不同。在多进制中，二者是不相等的，每个码元代表l o g ：“个比特的信息 量。其关系是 r6=r口l092”(2-4) 3 系统的频带利用率：它是指单位时间单位频带上传输信息量的数目，其 单位为b i f f s h z 。在二进制基带系统中，最高频带利用率为2 b i t s a i z 。在多迸制 基带系统中，频带利用率可以大于二进制中2 b i t s h z 。不同的调制方式可能有不 同的频带利用率，例如，二进制调幅系统的频带利用率为o 5 ，而6 4 q a m 调制 系统的频带利用率为6 b i t s h z 。系统的单位频带利用率越高，则系统的有效性越 好。 4 系统的功率利用率：功率利用率用比特差错率小于某一规定值时所要求 的最低归一化信噪比来衡量。所要求的信噪比越低，则功率利用率就越高；反之， 则越低。功率利用率和频带利用率的性能指标都主要决定于调制解调方式。在选 择调制解调方式时，应考虑二者兼顾。如果在某些系统中，主要是功率受限，则 考虑提高功率利用率而降低频率利用率。若系统中是频率受限，则提高频带的利 用率，适当降低功率利用率。 2 4 本章小结 本章从数字通信的角度介绍了的数字通信的组成和特点，特别是分析了数字 通信中的性能指标，即可靠性和有效性，他们是评价通信质量好坏的重要标准。 9 上海大学硕士学位论文 第三章信道编码研究 在当今信息社会，人们对通信的可靠性提出越来越高的要求，解决信息传输 的有效性和可靠性是现代通信系统必须解决两个重要环节，其中通信的可靠性是 信道编码理论研究的重要内容，其目的就是寻找噪声信道中信息可靠传输的途径 和方法。在通信技术飞速发展的时代，信道编码已不再是一个理论上探讨的问题 了，它己经成为- - 1 标准技术而被广泛地应用于各种通信系统中，极大地促进了 通信领域相关技术的发展，并逐渐发展成为数字传输系统中的关键技术。 3 1 信道编码理论概述 3 1 1 香农定理 通信的基本目的在于将信息由信源高效、可靠地传送到信宿。在信息传输的 过程中，不可避免地受到各种噪声的干扰，使得在信宿方接收到不同程度的错误 信息。传统的观念认为：在功率受限的情况下，为了在有干扰信道上实现无差错 信息传输，唯一的办法是使信息传送的速率为零，这显然是我们不能接受的。1 9 4 8 年，贝尔实验室年轻的科学家s h a n n o n ( 香农) 发表了一篇题为通信的数学理 论的论文改变了人们的看法，从而为现代通信和信息论的奠定了理论基础。 根据香农提出的数字通信系统模型可以看出( 图2 1 所示) ，编译码器是整个 通信系统的核心部分。根据不同的功能，编译码器又被分为信源编译码器和信道 编译码器。 香农用数学方法证明了两个通信系统基石的信息传输定理。其中之一是信道 编码定理：任意给定的平稳离散无记忆信道都有一个称之为信道容量的固定量， 用参数c 表示，当信息传输速率r = r ，则总可以找到一种信道编码方式实现无 误传输；若c r ，则不可能实现无误传输。这一结论为信道编码指出了方向。 3 1 2 信道编码理论发展 自从香农提出信道编码定理以来，由于信道编码定理证明的非构造性，它并 没有给出如何构造逼近香农容量限的编码方法。构造一个逼近香农容量限的纠错 码成为众多学者研究的课题，并逐渐形成了信息论的一个重要分支信道编码理 论。 信道编码也称为纠错码，纠错码从构造方法上可分为分组码( b l o c kc o d e ) 和 卷积码( c o n v o l u t i o n a lc o d e ) 两大类。第一个分组码是1 9 5 0 年发现的，能纠正单 个错误的汉明码( ( h 锄瑚l i i l g c o d e ) 。最有意义的是1 9 6 0 年发现的能纠正多个错误 的b c h 码和r s 码，并认识到b c h 码可以看成是某个r s 码的子域子码，r s 码可看成是b c h 码的特例。其后发现的分组码主要有1 9 7 0 年的g o p p a 码和1 9 8 2 年的代数几何码。 卷积码最早由e l i a s 在1 9 5 5 年提出，早期被称为树码( t r e ec o d e ) ，现在称为 格图码( t r e l l i sc o d e ) 或卷积码。卷积码具有动态的格图结构，可用有限状态机来 1 2 上海大学硕士学位论文 描述其状态。由于缺乏有效的理论研究工具，对卷积码的有效研究还不是很多， 对于构造性能好的卷积码，主要是借助于计算机进行搜索获得。卷积码的译码可 以采用代数译码和概率译码，由于概率译码算法的简单实用和易于实现，已经广 泛应用于实际通信系统中。 1 9 6 6 年，f o n e y 提出将分组码和卷积码结合起来，提出了应对抗突发噪声信 道具有较强纠错能力的级连码( c o n c a t e n a t e sc o d e ) ，一般采用r s 码作为外码，卷 积码作为内码，交织技术的引入使得级连码更具有生命力。f o n e y 的研究表明， 级连码在性能得到较大改善的情况下，其译码复杂度并不显著增加。 直到2 0 世纪9 0 年代t u r b o 码出现以前，所有的纠错码性能离香农限还有很 大的差距。1 9 9 3 年b e r r o u 等人提出的t u r b o 码被看作是信道编码理论研究的重 要里程碑，b e r r o u 等人将卷积码和随机交织器相结合，同时采用软输出迭代译码 来逼近最大似然译码，取得了超乎寻常的优异性能，并且逼近了香农容量限，是 一种信道编码理论界一直梦寐以求的好码，它的出现标志着信道编码理论研究进 入一个崭新的阶段。 由于实际应用中，通信系统受到带宽的限制，在不增加信号带宽和不降低有 效信息传输速率的情况下，如何保证信息的高效可靠的传输，也成为信道编码理 论研究的一个重要课题。传统的通信理论中，将调制和编码看成两个独立的模块， 直至1 m a s s e y 于1 9 7 4 年提出可以将编码和调制作为一个整体看待以提高通信系统 的性能，从而为带限信道编码调制技术的研究指明了方向，这种技术也称为组合 编码调制技术。1 9 8 2 年，u n g e r b o e c k 将卷积码和调制技术相结合，提出了网格编 码调制技术( t c m ) 。t c m 技术很好地将编码与调制有机地结合在一起，使得编码 增益进一步得到提高，使调制技术进入了一个崭新的领域。 3 1 3 信道编码的作用 信源编码的主要目的是降低数据率，提高信息量效率，而信道编码的主要目 的是提高系统的抗干扰能力。对信道编码的要求主要有以下几点： 编码效率高，抗干扰能力强； 对信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的信号内容不加限制： 传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； 上海大学硕士学位论文 编码信号内含有数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码： 编码的数字信号具有适当的电平范围； 发生误码时，误码的扩散蔓延小。 主要可概括为两点。其一，即是附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能 力，这就涉及到纠错编码原理和特性；其二则是数据流的频谱特性适应传输通道 的通频带特性，以求信号能量经由通道传输时损失最小，而做到这一点需应用到 数字信号序列的频谱形成技术，也即涉及到传输码型的选区和转换。 3 2 纠错编码基础 由于通信线路上总有噪声存在，噪声和有用信息中的结果，就会出现差错。 纠错方式基本上分为两类，一类称为“反馈纠错”，另一类称为“前向纠错”。 在这两类基础上又派生出一种称为“混合纠错”。反馈纠错是发信端采用某种能 发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码，加入少量监督码 元，在接收端则根据编码规则收到的编码信号进行检查，检测出( 发现) 有错码时， 即向发信端发出询问的信号，要求重发。前向纠错是发信端采用某种在解码时能 纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现 错码，还能够纠正错码。混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错 较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。因此，“混 合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方式的混合。对于不同类型的信 道，应采用不同的纠错技术，否则就将事倍功半。反馈纠错可用于双向数据通信， 前向纠错则用于单向数字信号的传输，例如广播数字电视系统，因为这种系统没 有反馈通道。 3 2 1 纠错编码的分类 随着数字通信技术的发展，研究开发了各种误码控制编码方案，各自建立在 不同的数学模型基础上，并具有不同的检错与纠错特性，可以从不同的角度对误 码控制编码进行分类【1 5 l 【1 6 1 。 按照误码控制的不同功能，可分为检错码、纠错码和纠删码等。检错码仅具 备识别错码功能而无纠正错码功能；纠错码不仅具备识别错码功能，同时具备 1 4 上海大学硕士学位论文 纠正错码功能；纠删码则不仅具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过 纠正范围时可把无法纠错的信息删除。 按照误码产生的原因不同，可分为纠正随机错误的码与纠正突发性错误的 码。前者主要用于产生独立的局部误码的信道，而后者主要用于产生大面积的连 续误码的情况，例如磁带数码记录中磁粉脱落而发生的信息丢失。 按照信息码元与附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码与非线性码。 如果两者呈线性关系，即满足一组线性方程式，就称为线性码；否则，两者关系 不能用线性方程式来描述，就称为非线性码。 按照信息码元与监督附加码元之间的约束方式之不同，可以分为分组码与卷 积码。在分组码中，编码后的码元序列每n 位分为一组，其中包括k 位信息码元 和r 位附加监督码元，即n = k + r ，每组的监督码元仅与本组的信息码元有关，而 与其他组的信息码元无关。卷积码则不同，虽然编码后码元序列也划分为码组， 但每组的监督码元不但与本组的信息码元有关，而且与前面码组的信息码元也有 约束关系。 按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变，又可分为系统码与非系 统码。在系统码中，编码后的信息码元序列保持原样不变，而在非系统码中，信 息码元会改变其原有的信号序列。由于原有码位发生了变化，使译码电路更为复 杂，故较少选用。 3 2 2 卷积码 3 221 卷积码基本概念 卷积码的编码过程中，本组中校验元不仅与本组中的信息元有关，而且还与 以前各时刻输入至编码器的信息有关。同样，在卷积码译码过程中，不仅从此时 刻收到的码组中提取译码信息，而且还要利用以前或以后各时刻收到的码组提取 相关信剧m 。 正由于卷积码编码过程中充分利用了个码组之间的相关性，因此，在与分组 码同样的码率r 和设备条件下，无论从理论上还是实际上均证明了卷积码的性能 优于分组码。由于卷积码能够简化编译码电路，并得到较好的差错控制性能，使 得卷积码在通信领域得到了广泛的应用【1 8 l 。 上海大学硕上学位论文 卷积码是将发送的序列通过一个线性的、优先状态的移位寄存器而产生的。 通常，该移位寄存器由k 级( 每级k 比特) 和i 1 个线性的代数函数生成器组成，如 图3 1 所示。 图3 1 卷积编码器 二进制数据移位输入到编码器，沿着移存器每次移动k v c 特位。每个k 比特长 的输入序列对应一个n 比特长的输出序列。因此其编码效率( 码率) 定义为r c = k n ， 这和分组码编码效率的定义一致，参数m = k + 1 称为卷积码的约束长度，卷积码 可以记为沁k m ) 。 3 2 2 2 卷积码表示方法 卷积码的表示方法主要有多项式矩阵表示法、状态图表示法和网格图表示法 三种，多项式矩阵表示的方法多用于介绍卷积码的代数译码方式，而在介绍 v i t e r b i 译码算法时习惯于采用后两种表示方法，因为它们比较直观的表现了编译 码过程中各状态的转移关系。 以简单的( 2 ，1 ，3 ) 卷积码编码器为例，编码器原理图如图3 2 所示，其生成约束 关系多项式表示为： 书1 潞i , - k 一 图3 2 ( 2 , 1 ，3 ) 卷积码编码器 卷积码的编码器是一个时序网络，其工作过程可以用一个状态图来描述。编 1 6 9 0 m + + + = = ” 卦 q q 上海大学硕士学位论文 码器的状态由它的移位寄存器的内容确定。 状态图表示的方法提供了一个比较直观的完整的编码系统描述，但是它的缺 点是不能描述随着时间变化系统状态转移的轨迹。 例如( 2 ，1 ，3 ) 卷积码，有k 个信息位，m - 1 位移位寄存器，共有2 m 1 _ 2 2 = 4 个不 同状态。其状态可以表示为：s i = 【d 3 ，d 2 ，d 1 ，分别为： s o = o o 】，s l = 【0 1 】，s 2 = 1 0 】，s 3 爿l l 】。根据( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的生成多项式或生 成矩阵，可以确定它的唯一的状态图如图3 3 所示。 其中状态转移线上的数字表示，某一时刻编码器输入某一信息位后，编码器 输出的码元序列。例如：1 1 0 表示编码器输入为1 时，输出为1 0 。 图3 3 ( 2 ，1 ，3 ) 卷积码状态图 卷积码的另一种表示方法是格子图表示法，这是一种将编码器的状态图按时 间展开的方法。格子图可用来求解卷积码的输出序列，还可简明的根据格子图说 明卷积码的译码过程。 格子图表示卷积编码的状态与时间关系。图3 4 所示的格子图画出了各种可 能的输入信息序列，( 2 ，1 ，3 ) 编码器全部可能的状态转移的轨迹。当输入信息比特 为0 时，用实线表示其转移轨迹，输入1 时，用虚线表示转移轨迹。很明显，状态 数为4 ，用s o ，s 1 ，s 2 ，s 3 表示，每个状态引出和汇聚的支路数均为2 。 蜀f s i ；o i & = 1 0 焉= l l 图3 4 ( 2 ，1 ，3 ) 编码器格子图 1 7 上海大学硕士学位论文 s f s f f f i 0 i 置f 1 0 南= l i 图3 5 信息序列为1 0 111 0 0 时的轨迹 图3 5 画出了当输入序列为m = 1 0 111 0 0 时状态转移轨迹。输出序列为 c = ( 1 l ，1 0 ，0 0 ，0 1 ，1 0 ，0 1 ，1 1 ) ，由该序列构建了一个卷积编码输出码字。 3 3 数字信号的载波调制 基带传输系统，它是能直接传输数字基带信号的通信系统。然而，大多数实 际信道却只具有带通传输特性，所以，具有丰富低频成分的数字基带信号不能通 过这些带通信道直接传输，而必须将数字基带信号的频谱变为适合信道传输的频 谱后，才能送入这类信道传输，在接收端再将变换后的信号还原为基带信号。这 种使数字基带信号的频谱搬至适当频谱位置的过程称为数字调制。而在收端将已 调制信号的频谱还原为数字基带信号频谱的过程称为数字解调。这种传输基带信 号的方式叫频带传输。 在调制技术中至少涉及两个量：一个含有需要传输消息的基带信号，也就是 调制信号，另一个是高频载波。高频载波的某些参量随调制信号，即随基带信号 变化而变化。高频载波通常采用正弦信号，数据通信系统中也选择正弦波作为