（通信与信息系统专业论文）tetra系统信道编码在c54x上的实现.pdf

摘要 数字集群通信系统作为无线专业通信系统在公共安全、国防等领域起着越来 越重要的作用，欧洲的t e t r a 数字集群通信协议以其体系结构的规范严谨性和 协议内容的开放性受到了世界的广泛重视。 本文对于t e t r a 系统中的差错控制编码的各个组成部分的功能进行了详尽 的分析与研究，对系统在信噪比为3 d b 1 5 d b 范围的误码率特性进行分析，给出 直观的仿真结果。依据非均等保护的思想，分析不同的删除周期和删除位对误码 率的影响，根据仿真分析后所得的结论，对不同重要性能的信道采用不同的删除 周期和删除方式，既提高了码的传输速率又减小了误码率。 在系统软件实现上，采用c 与汇编语言混合编程的方式，在t i 公司的c c s 软件开发环境上进行调试通过，并结合本系统设计了以d s p 为核心的评估板系 统。由于设备以及时间的关系，程序并没有在硬件环境中进行调试，以后的主要 任务就是要在该硬件系统上测试其稳定性。 在软仿真环境下测试表明，该系统的稳定性好，可以j 下确的对码序列进行纠 错，但是存在算法执行效率不高的问题，这是以后需要继续进行的工作。 关键词：t e t r a 集群通信差错控制r c p c a b s t r a c t d i g i t a lt r u n k e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n t h ep u b l i cs a f e t y 、n a t i o n a ld e f e n s ea ns oo n ，t h ep r o t o c o lo fe u r o p e a nt e t r a d i g i t a l t r u n k e dc o m m u n i c a t i o ni sw i d e l yp a i da t t e n t i o nt ob yt h ep e o p l e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ef u n c t i o no fe a c hp a r to ft h ee r r o rc o n t r o lc o d i n g a n da n a l y s i st h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m ，s n ro fw h i c hi s g i v e nu n d e r 3 d b 15 d b ，a l s og i v eo u tt h ev i s i b l e s i m u l a t i n gr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ei d e ao f u n e q u a lp r o t e c t i o n ，t h ee r r o rr a t ei sd i s c u s s e dw h e nt h ep u n c t u r e dc y c l ea n dp u n c t u r e d l o c a t i o n sa led i f f e r e n t t h i sc o n c l u s i o ni s a p p l i e dt ot h e s ec h a n n e l s o fw h i c h i m p o r t a n c ea r ed i f f e r e n t t h i sc a ni m p r o v et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fs i g n a l sa n d c u td o w nt h ee r r o rr a t e t h i ss y s t e mi sp r o g r a m m e db yca n da s s e m b l e dl a n g u a g ei na i n t e g r a t e dw a y , w h i c hi sd e b u g g e da n df i n i s h e do nt h et i sc c sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a ne v m b o a r di sd e s i g n e dt ot e s tt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h eh e a r to fw h i c hi sd s e b e c a u s e o ft h el i m i t a t i o no ft h ee q u i p m e n t sa n dt i m e ，t h i ss y s t e mc a n n o tb ee m u l a t e do nt h e h a r db o a r d t h en e x ts t e pi st ot e s ti to nt h ee v m b o a r d i ti n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mh a sag o o ds t a b i l i t y , c a nc o r r e c tt h ee r r o rc o d e s t h e s h o r t c o m i n gi st h a te f f i c i e n c ys t i l ln e e db ei m p r o v e d t h i si st h ew o r ks h o u l dg oo n t e t r at r u n k e dc o m m u n i c a t i o n e r m rc o n t r o lr c p c 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：翼垄因_ 日期： 盈! ：至：尘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在衄年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 显牡 圆纽 日期： 磁幺 第一章绪论 第一章绪论 当前，移动通信已和光纤通信、卫星通信一起成为现代通信领域的三大热门 通信手段，而移动通信又是近年来全球电信业中发展速度最快的门类之一。移动 通信从应用角度来讲可分为公众移动通信和专用移动通信，数字集群系统属于专 用移动通信系统。在众多的数字集群通信标准中，t e t r a t l 】因其体系结构的规范 严谨性和协议内容的开放性受到了世界的广泛重视。2 0 0 0 年1 2 月，我国颁布的数 字集群移动通信系统体制行业标准中，已经将t e t r a 选为我国推荐采用的两种数 字集群体制之一，目前国内多家单位已开始了基于t e t r a 标准的数字集群通信系 统的开发。 差错控制编码技术是整个通信系统中极为重要的一个部分，它不仅能够提高 系统的频谱利用率，而且能够为系统提供有效的差错控制，保证系统传输的可靠 性，进一步提高通信质量。 1 1t e t r a 系统的发展历史与特点 集群是从英文t r u n k i n g 或t r u n k e d 意译过来的，从字面含义来说，是“系统所 具有的全部可用信道都可为系统的全体用户共用”的意思。一般地，集群通信系统 是多个用户( 部门、群体) 共用一组无线信道，并动态地使用这些信道的专用移 动通信系统，主要用于指挥调度。下面主要讲一下t e t r a 技术的先进性【2 】： 1 、业务的多样性 t e t r a 系统既支持话音通信、又支持多种数据业务。话音通信业务包括单呼、 群呼和应急呼叫。数据通信业务包括短数据消息、状态消息、分组数据和电路交 换数据。电路交换数据的最高速率可达2 8 8 k b s ，适用于在短时间内传送大量数 据的业务。分组数据的典型应用是电子邮件和数据库查询。短数据消息可用来传 送调度员的简短指令及自动车辆定位信息等。短数据消息的传送可以在呼叫中同 时进行，不必为传送短数据消息而中断呼叫。状态消息共有3 2 0 0 0 种，可用来跟踪 资源及设备的状态。 2 、高的频谱效率 模拟的集群移动通信网通过频率复用增加系统容量，但是随着移动用户数量 急剧增长，网络容量不能满足用户需求。数字系统可采用多种技术来提高频谱利 用率，如用低速语音编码技术，在信道间隔不变的情况下就可增加话路，还可采 用高效数字调制解调技术，压缩已调信号带宽，从而提高频谱利用率。另外，模 2 t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 拟网的多址方式只采用频分多址( f d m a ) ，即一个载波话路传一路话音；而数字网 的多址方式可采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，即一个载波传多路话 音。尽管每个载波所占频谱较宽，但由于采用了有效的语音编码技术和高效的调 制解调技术，频谱利用率比模拟网的利用率提高很多，可进一步增加集群系统的 用户容量。t e t r a 系统采用t d m a 技术，一个2 5 k h z 载波可提供4 个信道，支持4 个同时的话音通信或数据通信。显然，其频谱效率要比模拟集群系统高得多。 3 、高的通信保密性 t e t r a 系统在通信过程中自动实行话音、数据和信令的加密，并对用户的合 法性自动进行识别。它有两种加密方式，可适应用户的不同要求： a ) 空中接口加密：是指终端设备与基站之间的无线通路上的加密。在t e t r a 系统中，普遍实行空中接口加密： b ) 端对端加密：适用于对保密性有特殊要求的应用场合。在端对端加密中， 用户保持自己特有的密钥，系统只是为用户提供透明的通信线路和标准接口，并 不参与加密过程。 4 、良好的连接性 t e t r a 系统具有下列多种标准接口，以确保和外部设备和系统的连接。 a ) 移动台和手机均有数据设备接口，可连接数据终端和其他数据外围设备； b ) 系统有p s t n 、i s d n 和p d n 等接口，可实现与公用网的连接； c ) 系统有i s i 接口，可实现不同厂家生产的t e t r a 系统之间的连接； d ) 系统有p a b x 接口，可实现与其他专用电话网或专用移动通信网之间的连 接； e ) 系统还有l a n w a n 接口和管理计费接口。 5 、良好的调度特性 系统具有群呼、动态重组、遥毙、区域选择、迟接入、侦听和优先等调度用 关键特性。多呼叫优先方案保证资源可分配到网络中最紧急的业务中。其优先方 案有下列两类： 幻排队：当系统资源不足时，用户排队轮候。 b ) 预占优先：对于具有预占优先权的用户，需要时系统将释放优先级用户正 在使用的信道，以供预占用优先用户使用。通常用于应急呼叫。 差错控制编码在数字无线通信系统中的应用是为了保证通信的质量，在 t e t r a 系统中同样也采用了差错控制编码来保证信号的j 下确接收。 第一章绪论 1 2 差错控制编码的作用 由于数字信号在传输过程中受到干扰的影响，使信号码元波形变坏，故传输 到接收端，就可能发生错误判决。由信道中乘性干扰引起的码间干扰，通常可以 采用均衡的办法纠正，而加性干扰的影响则要从其他途径解决。通常，在设计数 字通信系统时，首先应从合理地选择调制制度、解调方法以及发送功率等方面考 虑1 3 】。若采取上述措施仍难以满足要求，就要考虑采用差错控制措施了。差错控 制编码在数字通信系统中的位置1 4 j 如图1 1 所示。 图1 1数字通信系统组成框图 从差错控制角度看，按加性干扰引起的错码分布规律不同，信道分为三类： 随机信道、突发信道和混合信道【5 l 。在随机信道中，错码的出现是随机的，且错 码之间统计独立。例如，由正态分布白噪声引起的错码就具有这种性质。在突法 信道中，错码是成串集中出现的，也就是说，在一些短促的时间区间内会出现大 量错误，而在这些短促的时间区间之间却又存在较长的无错码区间。这种成串出 现的错码称为突发错码，产生这种错误的主要原因就是脉冲干扰。既存在随机错 码又存在突发错码，并且哪一种都不能忽略不计的信道称为混合信道。 差错控制的方法【6 j 有：检错重发、前向纠错、反馈校验法。由于信息码元序 列是一种随机序列，接收端是无法预知的，并且也无法识别其中有无错码。为了 解决这个问题，可以由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。 这些监督码和信息码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码 器来发现或纠正可能存在的错码。在信息码元序列中加入监督码元就称为差错控 制编码，有时也称为纠错编码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力，有 的编码只能检错不能纠错。 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。 为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分( 监督 元) ，组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解 码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰的能力，实现可靠通信。 4t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 1 3 控制编码的分类与概述 按照差错控制编码的不同功能，可分为检错码、纠错码和纠删码【7 1 。检错码 仅能检测错误；纠错码仅可以纠正误码；纠删码则兼有纠错和检错的能力，当发 现不可纠正的错误时可发出错误指示或直接删除出现不可纠正的错误信息段落。 按照信息码元和附加的监督码元之间的关系可以分为线性码和非线性码。若 信息码元与监督码元之间的关系为线性关系，即满足一组线性方程式，则称为线 性码，反之，若两者不存在线性关系，则成为非线性码。 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可以分为分组码和卷积码。在 分组码中，编码后的码元序列每月位分为一组，其中含有k 个信息码元，个附加 的监督码元，= 以一k 。监督码元仅与本码组的信息码元有关，而与其他码组的 信息码元无关。卷积码则不然，虽然编码后序列也划分为码组，但监督码元不但 与本组信息码元有关，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后是否保持原来的形式，可划分为系统码和非系统码。 在差错控制编码中，通常信息码元和监督码元在分组内有确定的位置，一般是信 息码元集中在码组前k 位，而监督码元集中在后r = 胆一k 位( 有时两者倒过来放 置) 。在系统码中，编码后的信息码元保持原样不变，而非系统码中信息码元则改 变了原有的信号形式。系统码的性能大体上与非系统码相同，但是在某些卷积码 中非系统码的性能优于系统码。由于非系统码中的信息位已“面目全非”，这对观 察和译码都带来麻烦，因此很少应用。系统码的编码和译码相对简单些，因而得 到广泛应用。 按照纠正错误的类型不同，可以分为纠正随机错误的码和纠正突发错误的码。 前者主要用于发生零星独立错误的信道，而后者则用于对付以突发错误为主的信 道。 1 4 本论文的主要工作 本论文的主要工作就是按照协议e t s ie n3 0 03 9 2 2 ，对t e t r a 系统的信道 编解码进行了分析和研究，由于条件所限，只能采用s i m u l i n k 对系统进行仿真， 给出了在3 d b - - 1 5d b 之间的误码率曲线图，并对仿真结果进行分析，提出适合 与本系统的解决方案。采用汇编语言和c 语言混合编程的方式来实现仿真后的结 果。给出了软件和硬件的实现方案，并指出系统中需要改进的问题。 本论文主要研究t e t r a 系统的信道编解码在d s p 芯片上的实现，对其实现方 法进行了阐述。各章节内容安排如下： 第一章绪论 第一章是绪论部分主要讲述t e t r a 集群系统的特点，信道编解码在无线系 统传输中的应用以及重要性，分析了不同编解码的特点。 第二章主要阐述了t e t r a 集群系统中的信道编码的各个组成部分：c r c 校 验、r c p c 收缩编码及其译码、交织与解交织、扰频与解扰以及截短型r e e d m u l l e r 码的基本原理与实现方法，并对上述编码方式进行了仿真，并对仿真结果进行了 分析比较，提出了最适合本系统的方案。 第三章详细介绍了各个芯片的主要功能以及内部结构，讲述了如何对各主要 处理芯片进行配置，给出了系统连接框图，并给出了系统软件的流程图。并讲述 了系统软件如何进行编写。 第四章对全文进行总结，提出了本系统的信道编解码中有待解决和需要进一 步研究的问题。 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现7 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现 t e t r a 标准的整体协议栈框图【8 】如图2 1 所示，总共分为三层。第一层为物理 层，由定时结构和射频硬件组成。包括射频收发、调制解调、收发转换、定时 和功率控制等；第二层为数据链路层，完成第一层和第三层之间的映射，同时使 控制面和用户面分离，用户面业务传送至用户面，而控制面信息则传向协议栈； 第三层为网络层，用于控制面，负责对网络过程的控制和对整个系统进行管理。 控制面( 即c 面) 信息 l a s a p 服务接入点s e r v i c ea c c e s sp o i n t c m c e 电路模式控制体 t n c c s a pt e t r a 网络层调用控制业务访问点 m m 移动管理 t n s s s a pt e t r a 网络层补充业务业务访问点m l e 移动链路 t n s d s - s a pt e t r a 网络层短数据业务访问点l m m s a p 链路移动管理业务访问点 t n m m s a pt e t r a 网络层移动管理业务访问点l l c 逻辑链接控制 l c m c s a p 链路电路模式控制业务访问点t l a s a p 第二层的业务访问点a t l b s a p 第二层的业务访问点bt l c s a p 第二层的业务访问点c t m a s a p 虚拟业务a 访问点t m b s a p 虚拟业务b 访问点t m c s a p 虚拟业务c 访问点 t m d s a p 虚拟业务d 访问点t m v - s a p 虚拟业务v 访问点 图2 1t e t r a 标准的整体协议栈框图 8t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 第二层可以分为逻辑链路控制层( i i c ) 和媒体接入控制层( m a c ) 两部分，而 m a c 层又可再细分为上m a c 和下m a c 两个子层，信道编解码主要是在下m a c 层 进行。上m a c 层对控制面和用户面产生的各种信令和业务数据进行组帧和控制， 通过各种逻辑信道在虚拟业务接入点( 踟v s a p ) 与下m a c 层进行数据交换，而 下m a c 层根据逻辑信道的类型为其提供一条相应的编码路径，经过纠错编码的数 据送往物理层进行调制发射。 2 1t e t r a 基带处理中d s p 的主要任务 在t e t r a 系统的基带信号处理中，d s p 主要完成对数据帧进行帧性能检测、 卷积编码及其维特比译码、交织以及解交织、扰频以及解扰等处理过程。首先对 所要传输的数据帧加入c r c 校验比特，且要在数据帧进入卷积编码前在尾部添加 四个零，目的是在对前一帧的数据完成卷积编码后对编码器中的四个移位寄存器 进行清零，从而保证下一帧编码后的码序列同上一帧不相关。t e t r a 系统中的卷 积编码是( 4 ，1 ，4 ) 卷积码，一帧数据经过卷积编码后产生的比特数目是由不同 的信道类型所决定的。卷积编码输出的结果需要通过增信删除码( 即打空码) ，它 的作用是在不影响接收的情况下通过删除码序列中的一些比特来提高码速率。交 织的主要目的就是抗信道突发性错误，将信道内产生的长突发性错误分散到每一 行码中去，即降低错误码元间的相关性，这样便于在接收端进行纠错。扰频编码 的作用是通过在码序列中加入一些特征码，从而便于接收方确定是哪个信道的数 据，当进入错误的信道时，通过c r c 校验就可以分辨出接收的数据正确与否，扰 频编码本身不增加码的冗余度，系统框图如图2 2 所示。以上是在话务信道中采 用的编码方法，在控制信道中进行差错控制采用的是截短的r e e d m u l l e r ( 3 0 ，1 4 ) 码。 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现9 i 数据入口 上 力口c r c l 卷积编码 上 打空码 f + 块交织 i 扰频码 数据出口 图2 2 系统框图 2 1 1 信道编码的理论基础 i 数据出口 t i c r c 校验 t v i t e r b i 译码 打空码解码 t 解交织 t 解频码 t 数据入口 每个信道具有确定的信道容量c ，对任何小于c 的码率r ，存在有速度为r 、 码长为以的分组码及( 1 。，k o ，聊) 卷积码，若用最大似然译码，则随着码长的增 加其译码错误的概率p 可任意小，即【9 l p a b e 一”玩( r ) 和p 4 p 一( m + 1 姚( r ) = a c e 一乓( r )( 2 1 ) 式中，4 和a 。为大于0 的系数，e 。 ) 和e 。 ) 为正实数，称为误差指数，它与r 、 c 的关系如图2 3 所示： 图2 3 e 俅) 与r 的关系曲线 1 0 t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 由信息论的基本知识【4 】可知，在高斯白噪声信道时，信道容量 厂p c - 引0 9 2 i1 + 萧p s ) ( 2 - 2 ) 式中，矽是信道所能提供的带宽，只= e 。i r 是信号功率，e 。是信号能量，r 是 分组码信号的持续时间即信号宽度，只形是单位频带的信号功率，。是单位频 带的噪声功率，只( w n 。) 是信噪比。由式( 2 一1 ) 和图2 3 可看出，信道容量c 、码 长n 和错误概率p 之间的转换关系。为了满足一定的误码率p 的要求，可用以下 两类方法实现。 一是增加信道容量c ，从而使e ( 月) 增加。由c 的表达式( 2 2 ) 可知，增加c 的 方法可以采用加大系统带宽或增加信噪比的方法来达到，具体可采用：调频、调 相等宽带调制方法；增加发射机的功率：应用高增益天线；采用分集接收及低噪 声器件等方法。这些措施是从根本上改善信道、增加信道容量、减少误码率的方 法，是通信设计中常采用的方法。 另种方法是在尺一定的情况下，增加分组码长n ，可使p 随n 的增加呈指 数下降。但由于码长1 , 的增加，当r 一定时，可能发送的码字数2 ，指数增加，从 而增加了译码设备的复杂性。这种方法就是信道编码定理所指出减少误码率的另 一种方向，它为通信设计工作者提供了一条新途径。 2 2 循环冗余校验码( c r c 码) c r c 校验的基本思想是利用线性编码理论，在发送端，根据要传送的k 位二 进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码( 即c r c 码) ，位，并附在 信息码后边，构成一个新的二进制码序列共k + ，) 位，最后发送出去。在接收端， 则根据信息码和c r c 码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。 1 6 位c r c 码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移1 6 位( 即乘以 2 1 6 ) 后，再除以一个多项式，最后得到的余数就是c r c 码l l ， 即： 错= + 渊 ( 2 3 ) 其中b ( x ) 表示以位的二进制序列数，g ( ) 为多项式，q ( x ) 为整数，r ( x ) 是余 数( 即c r c 码) 。 求c r c 码采用模2 加减运算法则，即不带进位和借位的按位加减，这种加减 运算实际上就是逻辑的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普通代数 式的乘除法是一样的，符合同样的规律。 生成c r c 码的多项式如下，其中c r c 一1 6 和c r c c c i t t 产生1 6 位的c r c 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现 码，而c r c 一3 2 则产生的是3 2 位的c r c 码。本文这里不讨论3 2 位的c r c 算法。 c r c - 1 6 ：( 美国二进制同步系统中采用) c ( x ) = x l _ 6 + x l _ 5 + x 2 + 1 c r c c c i t t ：( 由欧洲c c i t t 推荐) c ( x ) = x 1 6 + , 1 1 2 + x5 + 1 c r c - 3 2 ：a ( x ) = 肥2 + , t 2 6 + 屁3 + , t 2 2 + 肌6 + x 1 2 + ml + x i o + 阀 + 胛+ 届+ 胆+ 屁+ 肌+ 1 接收方将接收到的二迸制序列数( 包括信息码和c r c 码) 除以多项式，如果 余数为0 ，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误。用软件计算c r c 码时， 接收方可以用接收到的信息码求c r c 码，比较结果和接收到的c r c 码是否相同。 对于一个二进制序列数可以按字节表示为： b 似) = e ) 2 翻+ 或一。伍) 2 s ( - 0 + + e 似) 2 8 + 鼠似) ( 2 - 4 ) 式中b o 似) 玩似) 为都是指一个字节( 8 位) 。 求此二进制序列数的c r c 码时，先乘以2 后( 即左移1 6 位) ，再除以多项 式g 似) ，所得的余数即是所要求的c r c 码， 吼错= 等”+ 锚茅卜+ 等 协5 ， 令： 等= q o ( x ) + 勰 ( 2 - 6 ) 其中q 伍) 为整数，r 。( ) 为1 6 位二进制余数。将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) 得： 错= 删+ 器p + 婿2 s ( - 0 + - - - 4 酱 = q o ( x ) 口”+ 错+ 毯茅 2 8 ( 川k + 器 协7 ， 因为： r 似) 2 8 ：r n 。) 2 8 + b 。似) 】2 8 = r n s ( x ) 2 1 6 + 尺枷) 2 8 ( 2 8 ) 其中r 。似) 是r 。似) 的高八位，r 枷是尺。似) 的低八位。将式( 2 8 ) 代入式( 2 - 7 ) ， 经整理后得： 等刮胪+ 陌+ 咝褊螳卜+ + 箫协9 ， 令：掰+ 幽铲锻。啡错 江蚴 其中q 一。( x ) 为整数，月川( ) 为1 6 位二进制余数。将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 9 ) ，如上 1 2t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 类推，最后得到： 等= q o ( x ) 2 8 - l ( 删忙1 ) + + q 0 ( x ) + 丽r o ( x ) ( 2 - 1 1 ) 很显然，十六位二进制数丽r o ( x ) 即是我们要求得c r c 码。 在t e t r a 协议中规定采用的生成多项式是g ( x ) = x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 ，并采用查 表的方法来提高运算效率。先将余值表求出并保存起来，在计算c r c 码的时候， 可以直接将该余值查找出来。由于c r c 校验常常用作检错码，而不用作纠错码， 因此c r c 校验对于系统的性能的改善没有贡献，本文在此就不对它进行深入分析。 2 3r c p c 语音信道编解码 在信道编码中，各编码比特在解码端信号恢复时所起作用的重要程度是不同 的，例如在p c m 编码中符号位的错误和量化最低位( l s b ) 错误所引起的效果差 别很大。在移动环境下进行数据传输时，那些对信道干扰敏感，或者对通信质量 影响特别大的数据称为重要数据；而另一部分对于信道干扰不敏感，或者是对通 信质量影响不是特别大的数据称为不重要数据。如果按照重要数据的保护度来保 护所有数据，必将降低有效数据传输率和频带利用率，造成资源的浪费；而如果 按照不重要数据的保护度来保护所有数据，则重要数据的高保护度要求就得不到 满足。因此，应该根据不同数据的重要性对其采用不同的保护措施。 对于t e t r a 系统来说由于信道带宽只有2 5 k h z ，为了尽量提高信道利用率， t e t r a 标准在信道纠错编码方案采用了非均等保护的方式】，在提高信道利用率 的同时有效的进行不同等级的纠错保护。r c p c 码( r a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o n v o l u t i o n a lc o d e s ) 1 2 , 1 3 】就是根据这种需要而产生的，它是一种收缩卷积编码， 它的结构相当于在卷积编码之后进行增信删除码( p u n c t u r e d ) ，这样做是保证在误 码率不是很大的情况下提高码速率。 2 3 1 卷积编码原理 卷积码【1 4 , 1 5 1 是由伊利亚斯( p e l i a s ) 提出来的，卷积码不是把信息序列分组后 再进行单独的编码，而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。它 适用于前向纠错，编码器在任何一段规定时间内产生的，z 个码元，不仅取决于这 段时间中的k 个信息位，而且还取决于前一l 段规定时间内的信息位。这时，监 督位监督着这段时间内的信息。卷积编码的差错控制能力是由于输出和过去的 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现1 3 数据值是有关系的。卷积码通常用2 个参数来描述：约束长度和码率( c o d e r a t e ) k ，这段时间内的码元数目就称为这种码的约束长度( 注意：约束长 度的定义并无统一标准，在有的书和文献中把n n 或( n 一1 ) 称为约束长度) ，本处 采用作为码的约束长度i l 6 1 。 每个码字都是通过将已输入比特和前面的未编码比特卷积所得的。如图2 4 所示，信息比特送入移位寄存器中，在每个节点都有一个抽样值。将每个抽样值 进行异或就可以产生输出值【0 7 1 。 信息 输 g 1 图2 4 ( 2 ，l ，4 ) 卷积码框图 在编码过程中使用的输入比特的数目就是约束长度，可以通过延迟单元的数 目加一来进行计算。图2 4 中，有4 个延迟，则它的约束长度就是5 。约束长度 表示的是所用值的数目，它不是由形成码字的抽头数目决定的。用k 来表示约束 长度，约束长度表明许多系统属性，最重要的是表明可能的延迟状态的数目。 另一个主要的影响就是码速率，码速率就是输入信息比特同发送码比特的比 值。图2 4 中每输入一个信息比特发送两个比特，其编码速率是1 2 。同码速率 是1 2 的系统相比，码速率是1 3 的系统会多一个“异或”模块，也就会多一个 输出比特，输出比特的组合通过一个多项式来进行表示。图2 4 中所示系统可用 如下多项式表示： g o g ) = l + x 3 + x 4 g 1 g ) = l + x + x 3 + x 4 多项式的选择是非常重要的，因为每个多项式都有不同的纠错特性， 项式要有最好的正交性来保证最大可能的纠正错误序列。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 所选择的多 t e t r a 系统中的卷积码是一个( 4 ，l ，4 ) 卷积码，在编码过程中，当输入一 位信息元，译出四位码元，码速率是r = 1 4 ，码的约束长度是k = 5 ，其移位寄 存器共有四个。卷积码的生成多项如下【1 1 ： 1 4 t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 g ，( d ) = 1 + d + d 4 g 2 ( d ) = 1 + d 2 + d 3 + d 4 g 3 ( d ) = l + d + d 2 + d 4 g , i ( d ) = l + d + d 3 + d 4 由给出的四个生成多项式，可得卷积编码器如图2 5 所示。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 图2 5 卷积编码器 编码器中的四个移位寄存器的初始状态为全o ，比特间运算采用异或的方式。 每输入一个信息元的同时，会产生四个码元。而且在每一帧的结尾必须是四个零， 这样可以保证在完成一帧的运算后，将编码器中的四个移位寄存器清零，使得编 码后帧与帧之间不相关。 2 3 2 维特比译码原理 卷积码的译码方式有三种：维特比译码、序列译码和门限译码。维特比译码 具有最佳的性能，但硬件实现复杂；门限译码性能最差，但硬件设计简单；序列 译码在性能和硬件方面介于维特比译码和门限译码之间。由于我们是主要在d s p 中来实现该算法，又为了追求最佳的译码性能，所以我们采用了维特比译码算法 作为卷积码的译码，它是一种最大似然译码算法p j 。 一、最大似然译码原理 在一个卷积码编译码系统【。7 】中，输入信息序列m 被编码为序列z ，此一序列 可以用树状图或网格图中某一特定的路径柬表示，假设x 序列经过有噪声的无记 忆信道传送给译码器，如图2 6 所示。 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现 1 5 信息序列岭i 卷积编码l蒜- 离散无记 接收一l 糖善几：叉ml 接收序歹血 忆信道 序列y l 口仍旰i 一 图2 6 编译码系统模型 译码器对信道输出序列进行考察，以判定长度为三的2 l 个可能发送的序列中 究竟哪一个进入了编码器。当某一个特定的信息m 进入编码器时，发送序列为 x m ) ，接收到的序列为】，若译码器输出为m m ，说明译码出现了错误。假 设所有信息序列都是等概率出现的，译码器在收到】，序列情况下，若 柳缸) 】聊删，x r j - - - 于m m ( 2 1 8 ) 则判定输出为m ，则这将使序列差错率为最小。这种译码器是最佳的，称为最大 似然序列译码器，条件概率e l y x ( ) l 称为似然函数。所以，最大似然译码器判定 的输出信息是使似然函数为最大时的信息。 通常是用对数似然函数比较的方便，则因对数似然函数是非降函数，取对 数前后所得的结果的大小趋势不变；二则对数似然函数对所收到的符号来说具有 相加性。因此，卷积码的最大似然译码便可看成是对给定的接收序列求其对数似 然函数的累加值为最大的路径。 对二进制对称信息来说，若e 0 o ) = e ( o 1 ) = p ，假设发送序列彳的长度为 个符号，并在传输过程中发生了e 个错误，即x 与】，有e 个位置上符号不同，它 们的汉明距离为e 。对数似然函数为 l o g ：尸【y x 】= 1 0 9 ：p e 0 一尸川= l l 0 9 2 0 - e ) _ e 1 0 9 2 f 半1 ：一a 也( 2 - 1 9 ) 对于p 0 5 ，a 和b 均为正常数。因此，汉明距离e 最小就相当于对数似然 函数最大。这说明求最大对数似然函数就相当于求工和】，两个序列的最小汉明距 离。由此可知，最大似然译码的任务是在树状图或网格图中选择一条路径，使相 应的译码序列与接收到的序列之间的汉明距离最小。卷积码译码中，通常把可能 的译码序列与接收序列之间的汉明距离称为量度。 对于长度为上的二进制序列的最佳译码s ，需要对可能发送的2 个不同的序 列的2 条路径似然函数累加值( 即路径量度) 进行比较，选取其中最大( 即最小 量度) 的一条，显然，译码过程的算法复杂度随三增加而指数增长，这在实际中 难以实现，因此只能采用次最佳的译码方法。基于树状图的译码方法，正是序列 译码法的基础。 二、v i t e r b i 译码算法原理与实现 在用网格图描述时，由于路径的汇聚消除了树状图中的多余度，译码过程中 1 6 t e l l u 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 只需要考虑整个路径集合中，能使似然函数最大的路径。如果在某一节点上发现 某条路径已不可能获得最大对数似然函数，那么就放弃这条路径。然后在剩下的 “幸存”路径中重新选择译码路径，这样一直进行到最后第三级。由于这种方法 较早的丢弃了那些不可能的路径，从而减轻了译码的工作量，维特比译码正是基 于这种想法。 图2 7 所示的网格图是2 ，1 ，3 ) 卷积码的编码网格图。码的约束长度k = 3 ， 编码速率是1 2 ，延迟状态代表着编码器中的状态数目。由图2 7 可看到有四个状 态数目( 玎= 2 ，2 ”= 4 ) ，路径状态代表着从编码器中所译出的码字。延迟状态的 每一列代表着符号间隔。开始编码时的初始状态为( 0 0 ) ，可以看到只能有两条路 径分别到达不同的状态( 0 0 ) 或( 1 0 ) 。从每一个老状态只有两条路径分别到达不 同的新状态，实线表示输入为0 ，虚线表示输入为1 。当走任意一条路径时，同时 就会有两个比特的码字的输出，其输出的值就是路径状态值。 0 0 0 l 1 0 l1 图2 。7 ( 2 ，l ，3 ) 卷积码的编码网格图 在译码过程中，每条路径上的二进制数字就是输入一个信息元时，编码器输 出的码序列，也就是路径状态值。可以看到图2 7 中在最后的两个时间间隔中有 两个完整的蝶形，这是我们进行快速算法的基础。对于卷积码n ，k ，朋) 来说， 它在一个时间间隔内组成的蝶形有2 ”1 个。t e t r a 系统中的译码是( 4 ，l ，4 ) 的 网格图译码。从原理上来讲都是一样的，只是比( 2 ，1 ，3 ) 的网格图要复杂一些。 在本项目中，卷积编码的译码采用最大似然译码器一维特比译码，其算法图 流程如图2 8 。其算法思想1 1 8 1 是： ( 1 ) 在，= m 时刻开始，计算进入每个状态的单个路径的部分度量值，并存储 量度的路径以及度量值，该路径称为幸存路径。 ( 2 ) ，增加l ，将当前某一状态的分度量值与前一个状态的幸存路径的度量值 进行累加。计算进入该状态的所有分度量值，对每一状态保存具有最大度量值的 路径，并删去其他路径。 ( 3 ) 若， l + m ，则重复步骤( 2 ) ，三为输入的码字长，m = 4 为移位寄存器 数目。 第二章t e h 系统中的信道编码的分析与实现1 7 并且注意：由于对于( n ，k ，聊) 卷积码来说，在开始态有刀个时间间隔不是 完整的蝶形运算，要进行完整的蝶形运算，必须在初始化的时候将状态缓冲器中 的第一个空间置0 ，其他1 5 个空间都置成很小的负值如o x c 0 0 0 。这样就可以进行 完整的蝶形运算。当一帧的数据处理完毕之后要对移位寄存器进行清零来准备对 下一帧数据进行处理。 图2 8 ( 4 。l ，4 ) 维特比译码流程图 分支度量值实际上就是输入的码序列同蝶形图上每一个支路上期望输出的编 码序列都进行比较的值。分支度量值计算采用欧式距离法，对于编码速率为 尺= 卷积码，欧式距离 1 9 1 的计算公式为： c l 丁= s d 。一g 。( ) 】2 ( 2 2 0 ) n = o 式中s d 表示接收序列，g 。u ) 为网格图上每个路径期望输出的编码序列。将该式 展开得到： 1 8 t e t r a 系统信道编码在c 5 4 x 上的实现 r ：窆b d ：一2 s d 。g 。( ) + g ；o ) 】 ( 2 2 1 ) ( 一lc l 对于所有分支来说，s d ：和g ：0 ) 都是一样的，因为在译码前观、 n = on = o q 0 ) 要用双极性表示，则其平方是一样的，可以通过观察网格图上的路径状态 值来得到，又由于2 只是一个常数，在各路径度量值进行比较的时候可以不用考 虑，去掉前面的负号，在分支度量值比较时取大值就可以了。所以式( 2 2 1 ) 可以 简化为： f 一i + t = s d 。g 。( ，) ( 2 2 2 ) n - - o 对于码速率为r = 1 4 的卷积码，它的分支度量值为： t = s d o g o ( ) + 如。g 。d ) + s i d 2 g ：0 ) + s d 3 g ，0 ) ( 2 2 3 ) 为计算的方便采用双极性表示，当g 。0 ) 的值是。时用+ 1 表示，当为l 时用一1 表示。并且注意对要译码的序列也要采用双极性表示的方式，否则实现不了结果。 这样分支度量值的计算就可以简化为数据的加和减运算。对于( 4 ，1 ，4 ) 卷积码 的v i t e r b i 译码来说共有1 6 个状态，可以组成8 个蝶型，其中8 个蝶型可以分 成两组不同的蝶型来进行运算，这两组不同的蝶型【2 0 2 1 】如图2 9 所示。在c 5 4 x 芯片中有专门的指令可以进行v i t e r b i 译码算法。 黼一m o ) o l d _ 2 l j ) 盯、_ 前洲 o l d _ a ( 2 * j 一0 眨枷 r 、胁屹础剖 图2 9 两种类型蝶型运算 通过加、比、选的结果是从网格图中选择出唯一一条路径来，然后通过在网 格图上按照这条路径进行回溯，在回溯的过程中译出所要的码字。当所走的路径 是实线时，译出结果为1 ，为虚线时译出结果为0 。并且注意这样回溯得到的结果 的信息元序列是逆序的，必须按照逆序进行输出即可。 第二章t e t r a 系统中的信道编码的分析与实现 1 9 2 3 3 增信删除码原理 增信删除码【2 2 2 3 】的原理就是首先用1 甩码速率的编码器进行卷积编码，然后根 据要得到的码速率