（通信与信息系统专业论文）dvb系统信道编解码的研究实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 数字图像通信的最广泛的应用就是数字电视广播系统，与以往的模拟电视业 务相比，数字电视在节省频谱资源、提高节目质量方面带来了一场新的革命，而 与此对应的d v b ( d i 西t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 标准的建立更是加速了数字电视广播 系统的大规模应用。在d v b 标准的传输系统中，无论是卫星传输，电缆传输还是地 面传输，为了保障图像质量，使数字节目在传输过程中避免出现因受到各种信道 噪声干扰而出现失真的现象，都采用了信道编码的方式来保护传输数据。信道编 码是数字通信系统中一个必需的、重要的环节。信道编码的方法就是在待传输的 信息序列中，通过一定的算法，人为的加入一些多余的码元，在接收端再按此规 律对收到的码字进行检查，从而发现或者纠正传输过程中的错误。卷积码是广泛 应用于卫星通信、无线通信等多种通信系统的信道编码方式，它具有很强的纠正 随机错误的能力。 本文研究了一种适用于d v b s 中的( 2 ，l ，7 ) 卷积码编译码器，在对编译码算法深 入研究的基础上，重点研究了v i t e r b i 译码器核心组成模块的电路实现算法。本设计 中分支度量计算模块采用只计算可能的分支度量值的方法，节省了资源：加比选 模块使用全并行结构保证处理速度；大大提高了译码速度。使用v h d l 硬件描述语 言编写程序，仿真并实现( 2 ，l ，7 ) 卷积码的编译码器。 本文对卷积码得各种参数对其性能的影响进行了分析，本文用m a t l a b 搭建编译 码系统的通信链路，生成测试编译码器所需的输入。使用m o d e l s i m6 2 b 对编译码 器以及其各个模块进行全面仿真验证。最后，在f p g a 上进行硬件测试，验证了设 计的正确性，并对设计的编码译码器的译码性能以及消化资源进行了分析。仿真 结果表明，在同等条件下，本文设计的编译码器与m a t l a b 中的编译码器模块的译码 性能相当。 最后对本文做了总结，并展望了未来的工作方向。 关键词：卷积码，维特比译码器，v h d l ，误码率 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew i d e s ta p p l y i n ga r e ao fd i g i t a li m a g ec o m m u n i c a t i o ni sd i g i t a lt e l e v i s i o n b r o a d c a s t i n gs y s t e m c o m p a r e dw i t ht h ea g oa n a l o gt e l e v i s i o no p e r a t i o n ，d i g i t a l t e l e v i s i o nh a sb r o u g h ti nan e wr e v o l u t i o ni ns a v i n gf r e q u e n c y sr e s o u r c e sa n d i m p r o v i n gt h ep r o g r a m sq u a l i t y f u r t h e r m o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h es t a n d a r do f d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ( d v b ) w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gw i t hd i g i t a lt e l e v i s i o ns p e e d s u pt h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lt e l e v i s i o nb r o a d c a s t i n gs y s t e m i nt h et r a n s m i s s i o n s y s t e mo fd v bs t a n d a r d ，s a t e l l i t et r a n s m i s s i o n , c a b l et r a n s m i s s i o na n da l s og r o u n d t r a n s m i s s i o na l la d o p tt h em e t h o do fc h a n n e lc o d i n gt op r o t e c tt h ed a t at r a n s m i s s i o ni n o r d e rt oe n s u r et h ei m a g eq u a l i t y , s ot h a tt h ed i g i t a lp r o g r a m sc a nb ep r o t e c t e df r o ma l l k i n d so fd i s t u r b a n c e sf r o mt h ec h a n n e ly a w pw h i c hc a nl e a dt od i s t o r t i o np h e n o m e n o n d u r i n gt h ep r o c e s so ft r a n s m i t t i n g a sar e s u l t ，t h ec h a n n e lc o d i n gi san e c e s s a r ya n d i m p o r t a n ta sw e l lt a c h ei nt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o n v o l u t i o n a lc o d i n gi s ac o d i n gs c h e m eo f t e ne m p l o y e di nd e e ps p a c ec o m m u n i c a t i o n sa n dr e c e n t l yi nd i g i t a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e dal o w - p o w e ra n dh i g h s p e e dd e s i g no fd v b - s v i t e r b id e c o d e r sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a p p l i c a t i o n s t h ei m p l e m e n t a t i o n a l g o r i t h mo ft h ev i t e r b id e c o d e rk e ym o d u l e sa r ee x p a t i a t e da f t e rt h o r o u g hs t u d yo f v i t e r b ia l g o r i t h m i nt h ed e s i g n ，t h eb r a n c hm e t r i cm o d u l eo n l yc a l c u l a t e sp o s s i b l e m e t r i c se a c ht i m e ，s a v i n gt h er e s o u r c e t h ea d d c o m p a r e - s e l e c tm o d u l ed e s i g n e d w i n lf u l l p a r a l l e ls t r u c t u r et oa c h i e v eh i g h e rs p e e d t h es u r v i v o rp a t hm a n a g e m e n tm o d u l e a l s o h a si m p l e m e n t e d a c h i e v e ( 2 ，l ，7 ) c o n v o l u t i o n a lc o d ev i t e r b id e c o d e rb yv h d lh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e i no r d e rt og e tt h es o f ti n f o r m a t i o nw h i c hi su s e df o rs i m u l a t i o na n dt e s t i n g ，a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i sd e s i g n e db a s e do nm a t l a b f u n c t i o n a la n dt i m i n gs i m u l a t i o n s p r o c e s s e di nm o d e l s i m 2 bf u r t h e rt e s t i n gp r o c e s s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb u i l tu p w i t l lf p g a t h eb e r p e r f o r m a n c eo ft h ev i t e r b id e c o d e ri sn e a r l ye q u a lt ot h ev i t e r b i d e c o d e rm o d u l ei nm a t l a bb y s i m u l a t i n g a tl a s t ，t h ed i s s e r t a t i o ni sc o n c l u d e da n df u t u r ew o r ki sp r o p o s e d k e yw o r d s ：c o n v o l u t i o nc o d e ，v i t e r b id e c o d e r , v h d l ，b i te r r o rr a t e 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 选题背景和目的 第一章绪论 近年来，随着数字通信业务的蓬勃发展，人们对数字通信业务的需求越来越 大。加之2 0 0 8 年夏季奥林匹克运会和2 0 1 0 年世界博览会的成功举办，我国的高清 数字电视产业市场迎来了发展的契机，这也为高清技术的终端产品高清电视机的 发展提供了广阔的前景和无限商机。国务院就“加快广电数字化进程，推进三网 融合 给予了相应的政策任务，这将对更进一步的加快数字电视业务在国内的发 展。目前国内已经有厂家能生产全模式国标融合解调芯片，支持所有国标3 3 0 种模 式，能接收发射高清的各种模式信号。 有线电视广播和卫星电视广播的基本传输体质已经确定，目前在许多发达国 家，数字电视技术在系统的设计上，包括芯片的开发上都有了很值得借鉴的技术 积累，正因为有了这样的技术基础，随之而来的市场占有率以及产品也就相当的 丰富了。最常见的有数字传输设备、数字摄录系统、卫星手法天线、h d t v s d t v 测试仪、电视广播发射机、以及各种各样的机顶盒等数字电视技术设备都基本成 熟，正在等待着商机占领世界各地的电子市场。 数字广播电视的飞速发展大致经历了以下三个阶段。 第一阶段始于二十世纪七十年代，是个别电视设备数字化阶段。 第二阶段是全功能数字电视演播室阶段，始于二十世纪八十年代。接下来是 第三阶段，为数字视频广播阶段。开始于二十世纪九十年代中期，这一阶段实现 了数字电视信号的直接发射与接收，完成了整个数字电视系统的数字化。 数字电视系统是一个庞大的系统，它促进了通讯技术、信息技术、微电子技 术和电子技术等技术的迅速发展与壮大，正成为国家经济的制高点，当今有实力 有技术的国家都已提出了自己的一套标准。 而我国也不甘落后，在“九五 期间已开发了高清晰度数字电视功能样机系 统。并于2 0 0 1 年3 月国家计委在深圳召开了国家数字电视专项工作会议，通过技 术交流和探讨，认为我国已掌握了数字电视的关键技术，并在京、沪、穗搞数字 电视试验区。2 0 0 6 年，我国批准了具有自主知识产权的中国数字电视地面广播传 输系统标准- g b 2 0 6 0 0 2 0 0 6 数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调 制。这一标准的确立，标志着我国在数字广播这一领域已步入向全面推进的新阶 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 段。在我国数字广播技术革新中有划时代的意义。 并结合我国基本国情和广播电视行业的实际情况，我国实施了广播电视数字 化进程的“三步走”战略。第一：大力发展有线数字电视。第二：我国在2 0 0 6 年发射直播卫星后，开展直播卫星电视业务。第三：我国将从2 0 0 8 年开始大力发 展地面数字广播电视以及高清数字电视，并于该年利用奥运会电视转播的机会， 全面推广地面数字电视和高清数字电视。决定于2 0 1 5 年将停止模拟广播电视播出。 电视节目的画面的清晰与否取决于很多因素，包括信源的编码压缩等，也有 接收机得问题。但是传输信道不好会导致严重的信号丢失，并且在信号传输过程 中受到噪声的干扰，就会产生大量误码，从而导致图像质量的下降，有的时候会 无法正常收看。所以我们必须采用纠错编码的方式来实现通信。从而保证画面有 好的清晰度。信道编码是数字广播电视系统的重要组成部分，因此一个有竞争力 的节目图像最关键的就在这部分中有相当大的优势。 纠错编码特别是卷积码是当今无线数字通信系统中有着相当高的应用价值和 使用率，它具有很强的编码效率，从而适应面极其广。卷积编码在高清数字电视 领域有着相当高的实用性。由于其出色的纠错性能，一般在级联码中作为内码使 用，从而保证外码有效地工作，大大提高了整个系统的纠错能力。而维特比译码 方式是卷积码译码方式中最优的一种译码方法，并且硬件实现复杂度不是很高。 1 2 研究现状 在1 9 世纪5 0 年代艾里斯提出了与分组码有较大区别的卷积码后的1 9 6 7 年， a j v i t e r b i 提出了对应于卷积码的v i t e r b i 译码算法。而后，福尼证明v i t e r b i 算法 本质上是一种最大似然译码算法，其方法是基于卷积码网格图的。对于用移位寄 存器来描述的有限状态、时间的非连续m a r k o v 过程，v i t e r b i 算法的网格图与f f t 的流程框架是相同的。加比选( a c s ) 过程是v i t e r b i 译码器的核心部分，由于其非 线性的反馈环制约了译码器的速度。1 9 8 9 年，g f e t t w e i s 和h m e y r 提出了s y s t o l i c 阵列构造，并用数学的方法分析了v i t e r b i 译码过程，找到了加比选的一种线性映 射，打破了加比选模块的瓶颈。这种结构类似于矩阵运算，易于v l s i 实现。 在硬件设计中我们最需要关注的就是鉴于功率消耗以及设计的硬件复杂度， 基于此上世纪九十年代大量的v i t e r b i 算法的改进算法被提出来。其中s s t 算法减 少了状态转移，因此使得功率消耗得到了很大的减少。安德森和莫汉提出了v i t e r b i 译码算法的m 算法，其思想是为了减小译码器的硬件规模，可以通过降低加比选 操作的状态数目而达到目的。在很多情况下如果提高b e r 性能则导致硬件规模和 功率消耗的增加，反之硬件规模和功率消耗的降低又会导致系统性能的降低，总 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 之改进的算法是对上述指标的权衡考虑。 目前在国内v i t e r b i 译码器设计架构以及硬件上的实施的研究是v i t e r b i 算法研 究的主要点。具体就是经过变化核心功能单元的构造来增加运行速率以及降低功 率消耗。在译码器的构造单元中，大多数的研究集中在幸存路径的管理( s m ) 和加 比选模块的研究。并且很多都是基于国外的方法之上进行的，而对算法本身的研 究较少利。 1 3 论文的内容框架 本文的主要工作集中在对对v i t e r b i 译码算法研究，另外还对译码器进行仿真验 证和实现。根据当前国内国际的研究状况，对v i t e r b i 译码器核心单元的改良进行了 探讨，并且在保证主要目标运行速率的情况下，还要考虑到硬件消耗资源， 因此选择合适的硬件结构来实现译码器。并对硬件结构进行优化，从而到底提高 译码速率，占用更少的硬件资源的目的。 设计了测试方案，本文使用m 序列作为数据源发生器，产生数据后送入编码器 进行编码然后输出。然后把译码器的各个模块在m o d e l s i ms e 6 2 b 进行全面的仿真 并且进行验证。此后在硬件平台上进一步测试译码器。本文内容可分为五章，其 主要内容如下： 第一章简述选题的背景、国内外的现状及研究的意义。 第二章简明介绍了数字广播电视系统，以及数字电视的发展概况和目前的几 大标准以及数字电视系统中卷积码的理论和v i t e r b i 译码算法原理。 第三章详细的对卷积码的性能进行分析验证，对d v b s 中常用译码器的主要 单元进行设计和优化。 第四章介绍了卷积码编译码器的硬件实现环境，并对编译码器进行了时序仿 真，最后在f p g a 上进行硬件测试并对硬件资源占用情况进行了分析。 第五章，总结工作的成果。查找了论文研究中需要改进的地方，并展望未来 的研究工作。 在文章的最后给出了本文所引用的参考文献和附录。 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 数字电视是采用数字处理的全新电视系统，其过程就是信号的采集、编辑、 发送、传输及接受等等。利用先进的数字图像压缩技术、纠错编码技术、高校的 调制技术等，在处理、传输过程中受到噪声干扰， 我们可以通过技术手段去除一 些幅度较小的干扰，即使产生误码，也可以利用纠错技术纠正过来，因此数字电 视接受的图像有着相当高的清晰度，深入观众喜爱。 2 1d v b 系统概述 与以往的模拟电视业务相比，数字电视在节省频谱资源、提高节目质量方面 带来了一场新的革命，而与此对应的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 ) 标准的建立 更是加速了数字电视广播系统的大规模应用。 2 1 1d v b 系统的架构 如图2 1 是数字电视广播系统的框架图，系统包括信号来源、编码压缩、系统 复用、信道编码调制、数字调制，传输途径以及接收机等多个部分组成【3 1 。 数字摄像 数 字 视 地面传输 数字录像 频 数 压 系 信数字 缩 统道字 卫星传输 电 显 一 数字特技 - 复 二 编 调 视 不 数 用码制接 器 数字音频 字 收 立 有线传输日 频 编辑制作 压 缩 动画制作 l l 信号、源：压缩：系统 传输系统 传输 接收系统 信i源 i 习l 夏用 网络 图2 1 数字电视广播系统框架图 其中，信源可以是数字摄像机。而视频可以是数字摄像机输出的未压缩的数 4 重庆邮电大学硕士论文第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 字视频信号，也可以是模拟摄像机输出的模拟信号进行摸数转换后的未压缩的数 字视频信号。 接下来的编码压缩是指对视频、音频、数据进行压缩编码，数字电视按照 m p e g 2 标准进行信源编码，是为了提高数字通信传输效率而采取的措施，它是通 过各种编码尽量去除信号中的冗余信号，以便降低传输速率和传输频带的利用率。 其次，系统复用便是将音频视频数据和辅助数据流分别打包，采用一定的方 法复用成某一节目的数据流从而便于传输。 再次，信道编码是为了加强数据传输流的可靠性，对信源编码后的数据加上 监督码元。使得复用出来的节目流在信道的传输过程中即使受到外界的干扰而产 生错误，也可以在接收端通过纠错恢复出原来的正确数据。从而保证了数据的可 靠性。根据不同的传输网络，在数字广播系统中常有的信道编码有b c h 码元、r s 码、交织码、l d p c 以及卷积码等等。如在本文所讲的d v b s 中采用的即是卷积 码。为了提高频谱的利用率，我们常常采用调制技术，也就是把宽带的基带信号 转换成窄带的高频载波信号的过程d 3 。根据不同的传输信道采用不同的调制方式， 常有q p s k 、q a m 、c o f d m 等几种方式。 最后接收机包括调谐解调视频音频的解压缩以及显示格式转换等。 2 1 2d v b 系统的标准 d v b ，就是数字视频广播d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 的缩写，是由d v b 项目维 护的一系列国际承认的数字电视公开标准。d v b 项目是一个由3 0 0 多个成员组成的 工业组织，它是由欧洲电信标准化组织e u r o p e a nt e l e e o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e ( e t s i ) ，欧洲电子标准化组织e u r o p e a nc o m m i t t e ef o re l e c t r o t e c h n i c a l s t a n d a r d i z a t i o n ( c e n e l e c ) 和欧洲广播联盟e u r o p e a nb r o a d c a s t i n gu n i o n ( e b 功联 合组成的联合专家组j o i n tt e c h n i c a lc o m m i t t e e ( j t c ) 发起的。 1 9 9 3 年，欧洲成立了国际数字视频广播组织( d v b 组织) 。d v b 组织经过 研究决定新的技术势必要建立在m p e g - 2 压缩算法基础上的数字处理技术，而且 一定要以市场为导向的数字技术。d v b 的一贯原则就是，一定设计一个通用的数 字广播电视系统，而且在此数字广播电视中，所有的输送方式之间，要有最实用 简便的转换方式以便有更好的通用性和信息的交换性。此外d v b 标准还提供了一 中数字广播电视的规程，此规程有相当高的完整性和适用性，能够在不同的传播 媒介中使用。 广泛地说，d v b 技术就是指可以传输所有类型的数据的“数据容器 的广播。 d v b 简单地通过这些“容器 传送压缩图像、声音或数据到接收端。d v b 的 j r 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 务信息”扮演容器标题的角色，保证接收机知道如何解码。d v b 方式与其他数据 广播系统不同的的关键在于，容器中的不同数据单元可以承载独立的定时信息。 例如声音和图像即便不是同时到达接收机，也能够使声音在接收机内与视频信息 保持同步，这是与传统的电视节目不同的便利之处。 d v b 数字广播传输系统利用了包括卫星、有线、地面、s m a t v 、m n d s d 在 内的所有通用电视广播传输媒体。它们分别对应的d v b 标准：d v b s ( 数字卫星 直播) 、d v b c ( 数字有线广播) 、d v b t ( 数字地面广播) 、d v b s m a t v ( 卫 星共用天线电视广播) 、d v b m s ( 高于1 0 g h z 的数字广播m m d s 分配) 和 d v b m c ( 低于1 0 g h z 的数字广播m m d s 分配) 。常用的有以下几种： ( 1 ) d v b s 数字卫星直播系统标准：数字卫星传输系统是为了满足卫星转发器 的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。该标准以卫星作为传输介质。将视频、 音频以及资料放入固定长度打包的m p e g 2 传输流中，信号在传输过程中有很强 的抗干扰能力，然后进行信道处理。通过卫星转发的压缩数字信号，经过卫星接 收机后由卫星机顶盒处理，输出视频信号。这种传输覆盖面广，节目量大。数据 流采用四相相移键控调带t j ( q p s k ) 方式，在使用m p e g 2 的m p m l ( 主类 主级) 格式时，用户端达到c c i r 6 0 1 演播室质量的码率为9 m b s ，达到p a l 质量的码率 为5 m b s 。在d v b s 标准公布以后，几乎所有的卫星直播数字电视均采用该标准， 我国也选用了d v b s 标准。本文也是基于此标准进行研究的。 ( 2 ) d v b c 数字有线广播系统标准：该标准以有线电视网作为传输介质，应用 范围广。有线电视系统分为两部分：c a t v 前端采用m p e g - 2 压缩编码的传输流， 由于传输介质采用的是同轴电缆，与卫星传输相比抗外界干扰能力强，信号强度 相对较高。调制方式有1 6 、3 2 、6 4 q a m 三种方式，对于q a m 调制而言，传输信 息速率越高，抗干扰能力越低。采用6 4 q a m 正交振幅调制时，一个p a l 通道的 传输码率为4 1 3 4 m b s ，还可供多套节目复用。d v b c 传输系统的具有如下几点主 要特点：a 、可与多种节目源相适配。d v b c 传输系统所传送的节目既可来源于 从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其它外来节目信号； b 、可用于标准数字电视又可用于h d t v 。 ( 3 ) d v b t 数字地面广播系统标准：此系统的标准是1 9 9 8 年通过的，这是最 复杂的d v b 传输系统。不用编码正交频分复用( c o f d m ) 调制方式，8 m h z 带宽内 能传送4 套电视节目，而且传输质量高。采用m p e g - 2 数字视频、音频压缩编码 技术。地面数字发发射的传输容量，在理论上大至与有线电视系统相当，本地区 覆盖好。此系统有利于数字与模拟电视共存，在与现行模拟电视混合传输方面显 示出优势。d v b - t 标准中主要规范的是发送端的系统结构和信号处理方式，对接 收端则是开放的，各厂商可以开发各自的d v b t 接收设备，只要该设备能够正确 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 接收和处理发射信号，并满足d v b t 中所规定的性能指标。 d v b 数字广播系统中的许多业务能根据需要，可采取不同的标准完成多种形 式的交互服务。 d v b 系统通常由四部分组成：播出节目的控制单元、信道传送系统、用户 端得接收机和客户管理系统。播出节目的控制单元是吧电视信号送入m p e g 2 压 缩编码器，此信号是有传统的电视信号转换而来的数字信号。我们就要按照d v b 标准的要求，对经过压缩编码后的信号，进行加密等保护措施，而且附上备种另 外加的有利于传输和防止信号失真的控制信息，然后一起添加到有线电视网络进 行传输。有线电视网络可作为传输系统将数字化的d v b 信号传输到用户端。数字 视频资讯信息流传送到即机项盒，通过对信号的解码和解扰，传送到电视机或p c 机上。用户管理系统管理用户的各类信息，向加密系统发出授权或终止授权指令， 实现用户的付费收看。 一般情况下d v b 标准的核心技术主要有以下五点：首先是系统采用m p e g - 2 压缩的音频、视频及资料格式作为资源；其次是系统采用公共m p e g - 2 传输( t s t r a n s p o r ts t r e a m ) 复用方式；再次系统采用公共的用于描述广播节目的系统服务 信，g ( s i ) ；第四是系统的第1 级信道编码采用r - s 前向纠错编码保护；以及最 后的调制与其它附属的信道编码方式，当然由不同的传输媒介来确定；使用通用 的加扰方法及条件接收接口。 2 1 3d v b 系统信道编码理论 数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从 而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一 环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可 极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。 提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加 通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在 源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。信道编 码的基本思想是：通过对发送端信息序列作某种变换，使原来彼此独立，相关性 极小的信息码元产生某种相关性，在接收端利用这种相关性来检查并纠正信息码 元在信道传输中所发生的差错。信道编码一般有下列要求： ( 1 ) 增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率高， 抗干扰能力强； ( 2 ) 对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号内容没有 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 任何限制； ( 3 ) 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； ( 4 ) 编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地 解码； ( 5 ) 编码的数字信号具有适当的电平范围； ( 6 ) 发生误码时，误码的扩散蔓延小。 其中，最主要的可概括为两点。其一，附加一些数据信息以实现最大的检错 纠错能力，这就涉及到差错控制编码原理和特性。其二，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，因此有利于载 波噪声比( 载噪比，c n ) 高，发生误码的可能性小【4 】。 2 2 卷积编码算法及原理 由于实际信道存在噪声和干扰的影响，使得经信道传输后与所接收的码元与 发送码元之间存在差异，我们称这种差异为差错。一般，信道噪声、干扰越大， 码元产生差错的概率越大。信道编码是一类为了克服信道中的噪声以及干扰而保 证通信系统可靠传输，专门设计的抗干扰技术和方法。其思想是：通过对发送端 信息序列作某种变换，使原来彼此独立，相关性较小的信息码元产生某种相关性， 在接收端利用这种相关性来检查并纠正信息码元在信道传输中所发生的差错。 具体操作就是在等待发送的信息码元中，它根据一定的( 监督) 规律在原有信息 中掺入一些必要的监督码元。在接收端，利用加入的监督码元与信息码元之间的( 监 督) 规律以发现和纠正差错，实现提高信息码元传输可靠性的目的。等待发送的码 元称之为信息码元，特意加入的其他码元称之为监督码元( 亦或称之为校验码元) 。 信道编码的目的就是力图通过最少的监督码元为代价，以换取整个系统最大程度 可靠性的提高。 2 2 1 卷积码理论 卷积码的编码过程充分利用了各码段间相关性这一独特的编码和解码算法， 在与分组码相同的设备复杂度和码率的条件下，无论在理论上，还是实际应用上， 都证实卷积码的性能要优于分组码。同时，最佳译码和准最佳译码在实现上比分 组码容易，卷积码还是较早提出相应软判决译码算法的编码方式。因为以上原因， 自1 9 5 5 年e l i a s 提出卷积编码以来，它已广泛应用于移动通信、数字地面通信、空 间通信、卫星通信等众多系统，是最常见的前向纠错编码算法之一。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 卷积码是将k 个比特信息编成n 个比特，由于k 和1 1 数值通常很小，很适合串行 形式传输信息，延时也比较小。区别于分组码，在卷积码中，编码后的1 1 个码元不 仅与当前段的k 个信息有关，还与前面( n - 1 ) 段的信息有密切联系。在编码过程中， 相互关联的码元实际为n n 个。卷积码的纠错能力与n 的值成正比，差错率却随着n 的增加而呈指数下降【5 1 。 2 2 2 卷积编码器 卷积编码器一般形式如下图所示 l2k 图2 2 卷积编码器框图 编码器包含一个k 段( 每段有k 级) 组成的输入移位寄存器，从而共有n k 位寄存器。一个寄存器由一组1 1 个模2 和相加器和一个由1 1 级组成的输出移位寄 存器组成。与每段k 个比特的输入序列对应，输出1 1 个比特。之所以称之为卷积 码，是由于它的输出序列相当于输入序列由模2 和与移位寄存器连接方式所决定 的另一序列的卷积。k 称为卷编码约束长度，卷积码的纠错能力随k 值的增大就 越强。卷积码形式上通常表示为( n ，k ，k ) ，1 4 n 为编码效率。卷积码的码字一般不 超过1 0 个码元，比较小。在d v b s 中采用的卷积码是( 2 ，1 ，7 ) ，其生成多项式 g ( 1 7 1 ，1 3 3 ) 。 2 2 3 卷积码的表示法 卷积码的表示方法很多：连接矢量表示法和连接多项式表示法，它们属于解 析表示法；状态图表示法和网格图表示法等，它们属于图表表示法。对于 l ，k ) 卷积码而言，编码器在每一时钟周期只需要植入一位信息比特。故此，输入k - l 9 重庆邮电大学硕士论文第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 的卷积码时，编码器只需通过一个k - 1 级移位寄存器，及n 个模2 加法器完成。通过 下面这个例子，我们分别介绍上述提到的几种卷积码表示方法。 如图2 3 是卷积码( 2 ，l ，3 ) 卷积编码器的一个框图。可以看出：每输入一个比 特，移位寄存器中就向右移动一个位子。原来的第三个寄存器就被移出。可见卷 积编码除了和当前输入的信息有关系，而且还和前面的2 个信息比特相关。在这里， 其中k = i ，n = 2 所以码率r = k n = i 2 。 图2 3 ( 2 ，1 ，3 ) 卷积编码器 2 2 3 1 卷积码的连接矢量法 如图2 3 所示，由于( 2 ，l ，3 ) 卷积码编码器很特殊，每一个时钟周期移位寄存器 向右移动一位，输出值不仅与当前的输入值有关，而且，与当前寄存器中的值有 关。因此，加法器和寄存器采用不同的连接方式产生不同的输出，换言之，卷积 码的性能与连接方式与重要关系，连接方式不同，产生的性能也不同，通常可以 用其编码器的连接方式代替卷积码进行描述。我们定义：f l 和最为两个连接失量， 分别表示( 2 ，1 ，3 ) 卷积码编码器的两条支路的连接情况；l 代表移位寄存器相应级或 输入端和模2 加法器相连接，0 代表移位寄存器相应级或输入端和模2 加法器未连 接。依据( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的连接图可以得出以下式子： z - 1 1 1 z = 1 0 1 2 2 3 2 卷积码的连接多项式法 连接多项式是一种非常相似于连接矢量的卷积码表示方法。它使用k - 1 阶的 连接多项式描述编码器的模2 加法器和移位寄存器的连接情况，每个连接多项式 都与编码器的一个模2 加法器相呼应。移位寄存器和模2 加法器的连接情况决定 这些k - 1 阶连接多项式的各项系数为l 或0 。对于上述( 2 ，1 ，3 ) 卷积码，卷积码上下 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 支路分别用连接多项式f i ( x ) 和f 2 ( x ) 表示： 石( x ) = l + x + z 2 五( x ) = 1 + x 2 2 2 3 3 卷积码的状态图 因为( 2 ，l ，3 ) 卷积码编码器包含一个2 级移位寄存器和2 个模2 加法器，所以， 2 级移位寄存器存储有4 种不同信息，对应与编码器的4 个不同状态，分别表示为 s o ( o o ) 、s l ( 0 1 ) 、s 2 ( 1 0 ) 、s 3 ( 1 1 ) 。每一时钟周期，编码器输入l 比特信息，当前状 态转移即为2 种状态中的1 种。表2 1 是图2 3 所示( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的状态转移表。 表2 1 ( 2 ，1 ，3 ) 卷积码状态转移表 输入当前状态下一状态输出1输出2 o0 00 0o0 o0 l0 0 1 1 o 1 00 11 o o1 10 101 l0 01 0l1 l0 l1 000 1 l ol l01 l1 11 11o 根据表2 1 中的状态转移关系，可画出( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的状态转移图如下： 图2 4 ( 2 ，1 ，3 ) 卷积码的状态转移图 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 2 2 3 4 卷积码的网格图 在编码过程中，引入网格( t r e l l i s ) 概念来表示状态转移与时间的关系。首 先，为使描述编译码更加方便明了，我们设时间为横轴，状态为纵轴；网格图上 任意1 个节点代表某个时刻的状态；节点间的连接线表示状态的转移情况，实线 代表状态转移的输入值为l ，虚线为0 ；在转移路径上，标识了当前状态和输入后 所决定的编码输出。通常还需要在信息序列结尾加入m 个零比特的额外信息，为 的是使编码器的初始和结束状态一致。那么，开始和结束的m 个时间段中，编码 器只能处于某些特定的状态。中间时间段上，从第n - - m + l 时刻开始，网格图开始 重复，并且与之前的完全相同。图2 5 是( 2 ，1 ，3 ) 卷积编码的网格图如下所示： 状态 a = 0 0 图2 5 ( 2 , 1 ，3 ) 的网格图 对于上面的表述，各有利弊。网格图上时间完全是重复的，在时间上对网格 图进行归并和压缩，便得到了状态转移图。状态转移图表述方式非常简洁明了， 有比较直观的编码系统描述，但是，在必要的时候不能显示系统状态转移随着时 间变化的情况。一般在进行v i t e r b i 译码的描述过程中。因此，须根据具体的情况 来选择合适的描述方式【6 1 。 2 3 卷积码译码算法及原理 一般而言，大多数纠错码的编码算法相比译码算法较为简单，因此卷积码的 编译码算法也不例外。所以本文的重点研究的目标就是v i t e r b i 译码器的算法的原 理和结构实现。卷积码解码大概有两种：其一是基于码的代数结构基础上的代数 译码，其二是基于概率方法的概率译码。其中第二种译码方法不仅是在代数结构 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 基础上的改进，而且还利用了信道的统计特性，因而更具有充分发挥卷积码的良 好特点，从而达到更好的效果。本章讨论的v i t e r b i 译码就是属于概率译码，它是 卷积码的最佳译码方法。 代数译码是基于码的代数结构的译码方式，其特点是由于不考虑信道的统计 特性，只利用编码的代数结构进行译码，所以该方法的性能较差但硬件结构简单。 维特比译码是在码的网( 仃e l l i s ) 格图基础上的一种最大似然译码算法，是一种 最佳的概率译码方法。但由于这种译码方式考虑了信道的统计特性，所以有较高 译码性能，凡事有两面性，硬件结构的复杂度增加。 序列译码是在卷积码树状图的基础上的一种准最佳的概率译码。其特点是在 硬件方面介于维特比译码和门限译码之间。 尤其在码的约束度较小的情况下，维特比译码算法的效率更高、速度更快， 译码器也较简单。所以维特比算法提出后在理论上和实践中都得到了非常快的发 展，并广泛地应用于各种数字通信系统，特别是卫星通信系统中【7 1 。 2 3 1 最大似然译码 v i t e r b i 译码算法是一种最大似然译码算法。假设信道信道输出序列r ，译码 器输出序列c ，所有可能的码字为c i 0 = 1 ，2 ，2 k ) ，若一个译码器的译码规 则能在2 。个码字c 中选择某一个c i 使得p ( q i r ) 最大，则这种译码规则称为最大似 然译码，p ( c i r ) 称为似然函数。若发送每个码字的概率p ( c i ) 相同，且由于v f r ) 与 译码方式无关，则由贝叶斯公式： 粥阶r 警 ( 2 1 ) 得到 m a x p ( c ：i r ) j m a x 尸( 尺i c ：) ( 2 - 2 ) 由于1 0 9 bx 与x 是单调关系，因此式( 2 1 ) 与式( 2 2 ) 可写成 m a x 。l 0 9 6 p ( ri q ) ( 2 3 ) i * l 。2 2 。 称l o g 。p ( rlo 为对数似然函数或似然函数。 一般情况下，( n ，k ，m ) 卷积码编码器共有2 啪个状态，这个状态是指编码器中移 位寄存器中所存储的之前m 个时刻输入信息序列的值。若输入的信息序列长度是 l k + m k ( 后m k 个码元全为o ) ，则进入和离开每一状态的各有2 k 条分支，在网格图 上有2 k l 条不同的路径，相应于编码器输出2 k l 个码序列。 由此，可以确定v i t e r b i 译码算法。假设编码器送出的码序列c ，经过离散无 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章d v b 系统信道编解码原理介绍 记忆信道( d m c ) 传输后送入译码器的是序列r = c + e ，e 是信道错误序列。译码器 根据接收序列r ，按最大似然译码准则力图找出编码器在网格图上所走过的路径， 这个过程就是译码器计算、寻找最大似然函数 m a x l 0 9 6p ( rc ，) j = 1 ，2 ，2 缸 ( 2 - 4 ) 的过程，或者说译码器计算、寻找有最大“度量 的路径过程，即寻找 m c ，) = 1 ，舡( 2 5 ) 的过程。式中， a x im ) ( = r6c ，) j 是2 的自2 m ( r c j l o gp ( r c j然函数，也称为c ，的路径 度量。 对于二进制对称信道( b s c ) 而言，计算和寻找有最大度量的路径，等价于寻找 与r 有最小汉明距离的路径，即寻找 n f i n d ( r ，c ，)，= 1 ，2 ，2 址( 2 - 6 ) 对二进制输入q 进制输出的d m c 信道而言，就是寻找与只有最小软距离的 路径，此时的度量就是软判决距离 n f m d , ( r , ，c j , ) _ ，= l ，2 ，2 址( 2 7 ) 式中，冠与c 豇是接收序列r 与c ，序列的q 进制表示。关于软判决的概念， 后面将会详细介绍【s 】。 2 3 2v i t e r b i 译码算法 由卷