基于FPGA的交織編碼技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

楊鴻勛++張林

摘 要：對(duì)于采用信道編碼技術(shù)進(jìn)行糾錯(cuò)的系統(tǒng)，只能糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，無(wú)法解決突發(fā)錯(cuò)誤的問(wèn)題。詳細(xì)闡述了一種基于漢明碼的交織編碼技術(shù)，并以FPGA為平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)與仿真。仿真結(jié)果表明該交織編碼技術(shù)可以有效地糾正信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤，大大降低誤碼率，提高通信的可靠性。

關(guān)鍵詞：突發(fā)差錯(cuò) 交織 FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（b）-0027-02

在數(shù)字通信中，信道中存在著各種干擾和噪聲，不可避免地會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)男畔⒊霈F(xiàn)差錯(cuò)，為保證信息傳輸?shù)目煽啃?，往往采用信道編碼技術(shù)。信道編碼糾正隨機(jī)錯(cuò)誤的能力很強(qiáng)，但是用于糾正突發(fā)差錯(cuò)卻無(wú)能為力。在實(shí)際信道中，差錯(cuò)往往具有突發(fā)性質(zhì)，一個(gè)突發(fā)差錯(cuò)將引起一連串的錯(cuò)誤，如信道中的多徑衰落干擾，閃電與人為的電氣脈沖干擾等都會(huì)造成突發(fā)錯(cuò)誤。針對(duì)糾正突發(fā)差錯(cuò)的問(wèn)題，交織編碼是一項(xiàng)十分有效的技術(shù)，其本質(zhì)是將碼元在時(shí)間上分離，介于其間的時(shí)間由其他碼字的碼元來(lái)填充。通過(guò)在時(shí)間上分離碼元可將一個(gè)有記憶信道轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)記憶信道，這樣譯碼器就可以將信道中的突發(fā)錯(cuò)誤當(dāng)作隨機(jī)錯(cuò)誤處理，從而使得糾正隨機(jī)錯(cuò)誤的編碼同樣適用于突發(fā)信道。

1 交織編碼糾錯(cuò)原理

漢明碼構(gòu)造簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，可以用來(lái)糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，交織技術(shù)可以用來(lái)糾正突發(fā)錯(cuò)誤，漢明碼和交織技術(shù)相結(jié)合的交織編碼技術(shù)可以同時(shí)糾正信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤。

假設(shè)要發(fā)送一組信息X=（x1 x2 ….x19 x20），首先將X進(jìn)行分組，四位數(shù)據(jù)為一組，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行漢明編碼，然后送入交織器，將交織器設(shè)計(jì)成按列寫(xiě)入按行取出的5×7陣列存儲(chǔ)器。然后從存儲(chǔ)器中按行輸出，送入突發(fā)差錯(cuò)的有記憶信道，信道輸出送入反交織器，它完成交織器的反變換，即按行寫(xiě)入，按列取出，它仍是一個(gè)5×7陣列存儲(chǔ)器。反交織器的輸出，即陣列存儲(chǔ)器中按列輸出的信息，其差錯(cuò)規(guī)律就變成了獨(dú)立差錯(cuò)。

交織矩陣為：

則交織器輸出并送入信道的信息序列為：

X1=（x1 x6 x11 x16 x21 x26 x31 x2 x7 …x5 x10 x15 x20 x25 x30 x35）

假設(shè)突發(fā)信道產(chǎn)生突發(fā)差錯(cuò)，x1～x21連錯(cuò)5個(gè)，故

X1=（y1 y6 y11 y16 y21 x26 x31 x2 x7 …x5 x10 x15 x20 x25 x30 x35）

反交織矩陣為：

經(jīng)反交織器輸出的信息序列為：

Y=（y1 x2 x3 x4 x5 y6 x7 x8 x9 x10 y11 x12 x13…x5 x10 x15 x20 x25 x30 x35）

經(jīng)過(guò)交織器與反交織器的設(shè)計(jì)變換后，原來(lái)信道中產(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)誤，即5個(gè)連錯(cuò)變成了無(wú)記憶隨機(jī)錯(cuò)誤，被平均分配到5個(gè)漢明編碼中，之后再進(jìn)行漢明碼糾錯(cuò)就可以糾正全部突發(fā)錯(cuò)誤。

2 交織編碼糾錯(cuò)的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 編碼模塊

編碼模塊首先需要接收5組待編碼數(shù)據(jù)，檢測(cè)到接收5組數(shù)據(jù)后，分別求5組數(shù)據(jù)的監(jiān)督碼元，并將待編碼數(shù)據(jù)與監(jiān)督碼元形成編碼數(shù)據(jù)，之后按照交織方案進(jìn)行交織處理，并發(fā)送出去。

編碼模塊仿真圖如圖1所示，其中xxw1～xxw5是輸入的5組信息碼元，hmm1～hmm5為5組信息位的監(jiān)督碼元，data_in是緩存的5組信息位，data_out為交織后發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2.2 譯碼模塊

譯碼模塊接收編碼數(shù)據(jù)后，檢測(cè)收到35位數(shù)據(jù)后，首先按照交織方案進(jìn)行反交織處理，求出5組編碼數(shù)據(jù)，然后分別求5組碼字的伴隨式，之后根據(jù)伴隨式與錯(cuò)誤圖樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行糾錯(cuò)，并剝離出5組信息碼元。

譯碼模塊仿真圖如圖2所示，其中，data_in是輸入的編碼數(shù)據(jù)，yxw1_hm～yxw5_hm為反交織后的5組漢明編碼，yxw1～yxw5為5組編碼數(shù)據(jù)經(jīng)譯碼糾錯(cuò)后的有效信息碼元。輸入數(shù)據(jù)data_in與編碼模塊的輸出數(shù)據(jù)data_out相比前五位均出現(xiàn)差錯(cuò)，由圖2可以看出，經(jīng)譯碼糾錯(cuò)出的5組數(shù)據(jù)與編碼模塊的數(shù)據(jù)完全一致，可見(jiàn)該譯碼模塊具有糾連續(xù)5位錯(cuò)誤碼元的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)通信中糾錯(cuò)的問(wèn)題，本文提出了一種漢明碼與交織技術(shù)相結(jié)合的交織編碼技術(shù)。并以一種交織編碼為例，以FPGA為平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和仿真。仿真結(jié)果表明，該交織編碼技術(shù)可以有效地糾正信道中的隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤，大大降低誤碼率，提高通信的可靠性。

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