（通信与信息系统专业论文）无线atm纠错编译码系统的设计与实现.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：分年 日期：岁年6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密留，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 参手 日期：，以年月厂3 日 导师签名： 肜事岔 日期：2 口口r 年占月b 日 摘要 摘要 本文主要研究在无线a t m 系统中进行数据传输时如何保证通信的可靠性，也即 如何设计合理的纠错码方案以减少误码率和在d s p 上如何具体实现所设计的纠错码 方案。 纠错码技术是一种通过增加一定的冗余信息来提高信息传输可靠性的有效方法。 线性分组码是一种典型的纠错码，它构造简单，易于实现编译码，但纠错能力不强， 而t u r b o 码则是另一种典型的纠错码，它纠错能力极强，但构造复杂，编译码延时大， 难于达到实时性处理。近年处于研究热点的分组t u r b o 码集合了以上两种纠错码的优 点，在编译码复杂度和纠错性能间取得了一个良好的平衡。随着对分组t u r b o 码研究 的深入、编译码算法的改进和相关技术的发展，分组t u r b o 码在实际中的应用也将更 加广泛。 在本文中，根据项目具体参数需要选择以行列分量子码均f l j ( 3 2 ，2 1 ，6 ) 扩展b c h 码构成的分组t u r b o 码作为纠错编码，译码方案为以雷迪鲁滨逊译码算法和g m d 算法为基础的改进雷迪鲁滨逊译码算法，并在以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为主要芯片的某系 统( 军事预研项目) 中实现了该算法，经测试性能达到了项目技术要求。 本文首先对纠错编译码原理和常用的一些纠错编码进行介绍，这些都是进一步研 究分组t u r b o 码的基础；然后详尽论述了分组t u r b o 码的软输入软输出迭代译码算法 和传统的乘积码译码算法，并提出了一种对传统译码方法中的雷迪鲁滨逊译码算法 进行了简化的改进雷迪噜滨逊译码算法；接着介绍了本项目的软硬件开发平台环境， 详细阐述了用于提升d s p 处理性能的c 代码代码优化方法；再接着对分组t u r b o 码 的实现进行了说明，针对其中的算法实现的重点部分进行了细致的介绍；最后通过软 件模拟信道误码的方式测试了该编码的性能，结果表明编码达到了预期的纠错性能。 关键词：无线a t m ：分组t u r b o 码；b t c ；t p c ；t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nh o wt oe n d u r et h er e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sa t m s y s t e m ，t h a ti s ，h o wt od e s i g nr e a s o n a b l ee r r o r - c o r r e c t i o nc o d es c h e m e st or e d u c eb e r a n d h o wt oi m p l e m e n tt h es e l e c t e ds c h e m e so na c t u a lh a r d w a r e t h ee r r o r - c o r r e c t i o nc o d et e c h n o l o g yi sak i n do fe f f i c i e n tw a yt oi m p r o v ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t yw h i c hr e s o r t st oa d ds o m er e d u n d a n ti n f o r m a t i o nt oo r i g i n a l i n f o r m a t i o n l i n e a rb l o c kc o d ei so n ek i n do ft y p i c a lc o d et h a ti sp r o n et ob ei m p l e m e n t e d a n dh a ss i m p l ec o d es t r u c t u r ew i t hs o s oe r r o r - c o r r e c t i o nc a p a c i t y , w h e r e a st u r b oc o d ei s a n o t h e rk i n do ft y p i c a lc o d et h a ti sh a r dt op r o c e s sr e a l - t i m ei n f o r m a t i o na n dh a sc o m p l e x c o d es t r u c t u r ew i t he x c e l l e n te r r o r - c o r r e c t i o nc a p a c i t y b l o c kt u r b oc o d e ，r e c e n tc o d e r e s e a r c hh o t s p o t ，s y n c r e t i z et h em e r i to ft h et w ok i n d so fe r r o r - c o r r e c t i o nc o d e sa n d a c h i e v eap r o p e rb a l a n c eb e t w e e nc o d e r - d e c o d e rc o m p l e x i t ya n de r r o r - c o r r e c t i o n p e r f o r m a n c e b t cw i l lb ea p p l i e dm o r ew i d e l yt o a c t u a ls y s t e m sa l o n gw i t he m b e d d e d s t u d yo nb t c 、a m e l i o r a t i o no ne n c o d i n g d e c o d i n ga l g o r i t h m sa n dd e v e l o p m e n to n r e l e v a n tt e c h n o l o g y b t cw h o s er o wa n dc o l o m nc o m p o n e n tc o d e sc o n s t r u c t e df r o m ( 3 2 ，2 1 ，6 ) e x t e n s i o nb c h c o d ei sa d o p t e da st h ep r o j e c te r r o r - c o r r e c t i o nc o d e t h ed e c o d i n gs c h e m e ，i m p r o v e d r e e d y r o b i n s o na l g o r i t h m ，i sb a s e do nr e e d y - r o b i n s o na l g o r i t h ma n dg m da l g o r i t h m a n di m p l e m e n t e di ns o m es p e c i f i cs y s t e m ( m i l i t a r yp r e - s t u d yp r o j e c t ) w h o s ec r u xc h i pi s t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 a f t e rt h e i m p l e m e n t ，c a r e f u l s o f t w a r et e s t si n d i c a t et h a tt h e e r r o r - c o r r e c t i o np e r f o r m a n c eh a sa r r i v e da tp r o j e c tt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s f i r s t l y , t h ee r r o r - c o r r e c t i o nc o d ep r i n c i p l ea n ds o m ec o m m o nc o d e si n t r o d u c e di n t h i s t h e s i st h a tl a i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nb t c ；s e c o n d l y , s i s oi t e r a t i v ed e c o d i n g a l g o r i t h m a n dn o n - i t e r a t i v et r a d i t i o n a l d e c o d i n ga l g o r i t h m a r e e x p a t i a t e d a n da i m p r o v e m e n tt or e d d y r o b i n s o na l g o r i t h mi sp u tf o r w a r d ；t h i r d l y , t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep l a t f o r m sf o rt h i sp r o j e c ta r eb r o u g h ti na n dt h em u l t i f o l do p t i m i z a t i o nm e a s u r e s t oc p r o g r a m m i n g o nd s pa r ei l l u m i n a t e d ；f o u r t h l y , t h ea c t u a li m p l e m e n t a t i o no fb t ci s e x p o u n d e da n dt h ek e y st oi m p l e m e n t a t i o na r ee x p l a i n e d ；f i n a l l y , t h es e v e r a lk i n d so f e r r o r - c o r r e c t i o np e r f o r m a n c eo fb t ca r et e s t e da n dt h et e s tr e s u l ti n d i c a t et h a tt h e e r r o r - c o r r e c t i o np e r f o r m a n c ep r e s c r i b e db yt h ep r o j e c th a sb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sa t m ；b l o c kt u r b oc o d e ；b t c ；t p c ；t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 】0 【 目录 第一章绪论。1 1 1 纠错码概述1 1 2a t m 的基本概念2 1 3 无线a t m 概述4 1 4 课题来源及论文主要工作7 1 4 1 课题来源7 1 4 2 论文主要工作及结构7 1 5 本章小结8 第二章纠错编码基础9 2 1 信道编码理论。9 2 1 1 通信系统模型9 2 1 2 信道容量和信道编码定理1 0 2 1 3 纠错编码的主要参数与指标。1 1 2 1 4 信道编码的基本原理1 1 2 2 差错控制编码1 2 2 2 1 线性分组码1 3 2 2 2 循环码1 4 2 2 3b c h 码1 6 2 2 4r s 码1 7 2 2 5 卷积码1 8 2 2 6t u r b o 码2 0 2 2 7 现代编译码技术2 1 2 3 本章小结2 2 第三章分组t u r b o 码研究2 3 3 1 分组t u r b o 码概述2 3 3 2 分组t u r b o 码的纠错能力2 3 3 3 分组t u r b o 码编码方法2 4 3 4 分组t u r b o 码译码方法2 5 i l l 目录 3 4 1 译码方法概述2 5 3 4 2 迭代型译码2 6 3 4 3 传统乘积码译码3 1 3 5 分组t u r b o 码性能仿真及分析3 5 3 5 1m a t l a b 仿真简介3 5 3 5 2 仿真结果与分析3 6 3 6 本章小结3 9 第四章纠错编译码软硬件平台4 0 4 1 硬件平台组成框图4 0 4 2d s p 芯片介绍4 1 4 2 1d s p 芯片的主要结构特点4 l 4 2 2t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p s 4 3 4 3 软件开发平台介绍4 5 4 3 1d s p 软件开发工具c c s 4 5 4 3 2v x w o r k s 简介4 6 4 4d s p 上c 编程及优化4 7 4 4 1 通用c 程序优化方法4 7 4 4 2 针对d s p 硬件优化方法4 9 4 5 本章小结5 2 第五章分组t u r b o 码实现。5 3 5 1 方案概述：5 3 5 2 分组t u r b o 编码实现5 3 5 2 1 编码方案5 3 5 2 2 编码方案的实现5 5 5 3 分组t u r b o 译码实现5 7 5 3 1 改进雷迪鲁滨逊方法5 7 5 3 2 有限域内元素加法和乘法的实现5 9 5 3 3 译码方案。6 1 5 4 本章小结6 5 第六章分组t u r b o 码性能分析6 6 6 1 纠错性能分析6 6 6 2 测试结果及分析6 7 6 2 1 随机错误测试6 7 6 2 2 突发错误测试。6 8 6 2 3 随机和突发错误测试6 9 i v 目录 6 3 实际环境测试性能7 5 6 4 本章小结7 5 结论7 6 参考文献。7 8 在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文8 2 致谢8 ：； v 第一章绪论 第一章绪论 宽带网络和无线通信是目前两个热门的研究方向。异步传输模式 a t m 1 1 】作为宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的传输标准，主要用于提供多 媒体服务和广泛的信息接入，其带宽按需分配，以统一的信元结构支持 多种业务，可以构成灵活的数据网络。随着移动通信的发展和人们对便 携性要求的与日俱增，要求a t m 服务扩展到移动终端，即实现无线 a t m ( 或w a t m ) 。 在a t m 网络中，传输链路的特点是宽带、高传输速率和低误码率。 a t m 本身是为光纤信道一类的误码率极低( 约1 0 0 0 ) 的介质而设计的，而 无线信道的特点是可用频谱受限、传输速率受限、以及传输误码率高。 如果直接在无线信道传输标准的a t m 信元，将由于丢包率过高，重传次 数过多而无法进行正常的传输。通过对标准a t m 信元添加纠错编码后再 进行传输，来改进无线信道的传输性能，以保证数据传输的质量是实现 无线a t m 的关键技术。 本文深入研究了一种适用于无线信道的纠错编码一分组t u r b o 码在 无线a t m 中的应用，详细说明了该码编译码算法在d s p 上的具体实现， 并对该编码的纠错性能进行了详尽分析和测试。 1 1 纠错码概述 随着现代通信技术和计算机技术的迅速发展，每天都在不断涌现出 新的通信业务和信息业务，同时用户对通信质量和数据传输数率的要求 也在不断提高。由于通信信道固有的噪声和衰落特性，信号在经过信道 传输到达通信接收端的过程中不可避免地会受到干扰而出现信号失真， 甚至产生传输错误。解决这个问题的较好办法就是对信源进行差错控制 编解码，由于差错控制编解码主要用于实现信道纠错，因此又称为纠错 码或者信道码。最早的差错控制主要用于深空通信和卫星通信，随着数 字蜂窝电话、数字电视以及高分辨率数字存储设备的出现，编解码技术 的应用已经不仅仅局限于科研和军事领域，而是逐渐在各种实现信息交 流和存储的设备中得到成功应用。 现代信息和编码理论的奠基人c e s h a n n o n 在1 9 4 8 年提出了著名的 有噪声信道编码定理，在定理中s h a n n o n 给出了在数字通信系统中实现 可靠通信的方法以及在特定信道上实现可靠通信的信息传输数率上限。 华南理丁大学硕士学位论文 同时，该定理还给出了有效差错控制编码的存在性证明，从而促进了信 道编码领域研究的快速发展。 纠错码在今天普遍应用于数字传输，尤其是广播电视及移动和无线 通信领域。高效的信源编码技术对传输差错越来越敏感，这引起了人们 对纠错码技术的广泛关注，而且，随着v l s i 技术的迅速发展，复杂算法 的实现越来越容易。因此对于高效的纠错编码方法的研究日益得到重视。 迄今，纠错编码已有5 0 年的历史。随着信道编码理论的不断发展， 信道编码技术在通信工程领域得到了广泛的应用。特别是数字通信的兴 起，为信道编码提供了广阔的应用空间。可以毫不夸张的说，编码技术 应用在各种数字通信系统中。正是由于应用了该技术，对数据传输进行 差错控制，大大降低了误码率，提高了数据传输的正确率，实现了稳定 通信。 目前，利用纠错码降低各类数字通信系统以及计算机存贮和运算系 统中的误码率，提高通信质量，延长计算机无故障运行时间等，在美国 等西方国家中已作为一门标准技术而广泛应用。而且纠错码技术还应用 于超大规模集成电路设计中，以提高集成电路芯片的成品率，降低芯片 的成本。不仅如此，自7 0 年代末以来，纠错码技术已开始渗透到很多领 域。利用纠错码中的许多编、译码原理和方法，与通信系统中的其它有 关技术相结合，得到了令人惊喜的结果。例如，纠错码和调制技术相结 合所产生的t c m 技术，已作为国际通信中标准技术而推广使用。又如纠 错码与密码相结合，可以构造出一类既能加密、签名，又具有纠、检错 功能的密码系统；纠错码与信源编码相结合的结果，使得通信系统更为 有效和可靠。不仅如此，纠错码中的许多译码思想和方法，与神经元网 络中的能量函数有密切关系，纠错码中的许多译码技术，可以用来解决 神经元网络中的一些问题。因此，可以预料，随着科学的进步和实际的 需要，纠错码理论必将进一步发展，它的应用范围必将进一步扩大。 1 2a t m 的基本概念 a t m 是异步转移模式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 的缩写， i t u t ( r 原c c i t t ) 于1 9 8 8 年在1 1 21 建议中明确提出a t m 是实现b i s d n 的唯一传送方式。i t u t 在工11 3 建议中给a t m 下了这样的定义： a t m 是一种异步转移模式，在这一模式中，信息被组织成信元，而包含 一段信息的信元并不需要周期性地出现，从这种意义上说，这种转移模 式是异步的。它是在电路交换、多数率电路交换、快速电路交换、分组 2 第一章绪论 交换、帧中继和帧交换基础上发展起来的一种快速分组交换。a t m 采用 单一的网络来提供所有的业务并高度灵活地适应任何种类的业务，现有 的业务也可以通过a t m 来提供，而且无论其速率的高低、突发性的大小 以及实时性与质量的要求如何，a t m 都能提供满意的服务和有效的利用 网络资源。 标准的a t m 信元1 2 】具有固定的长度，有5 3 字节，其中前5 个字节 是信元头，后4 8 字节是净荷。信元头中包含各种控制信息，如虚通道 虚通路标识符( u p i v c i ) 、一般流量控制( g f c ) 、净荷类型( p t ) 、信元丢 失等级( c l p ) 及信元头差错控制( h e c ) 等。净荷中包含来自不同业务的用 户信息。任何业务信息都要经过切割，封装成统一格式的信元。具体结 构如图1 1 所示。 g f c v p i v p iv c i v ci v c ip tr e sc l p h e 信息段( 4 8 字节) 图1 1标准a t m 信元结构 f i g u r e1 1s t a n d a r da t mc e l ls t r u c t u r e a t m 采用异步时分复用方式，从而具有很大的灵活性。来自不同信 源的信元汇集到一起形成信元流，在一个缓冲区内排队，队列中的信元 逐个输出到传输线路上，形成首尾相接的信元流。 a t m 具有以下基本特点f 1 j a t m 分层的、简化的网络协议中没有逐段链路的差错控制和流量 控制。为了简化网络的控制，这两项工作交给终端做。 a t m 网络是一呼叫面向连接、传输面向分组的网络。通信开始时 先建立虚电路，并将虚电路标志( v p i v c i ) 写入信头，以后网络根据 v p i v c i 就可将信元送到目的地。 信头的功能被简化，从而提高了网络的处理速度。 a t m 网络采用固定长度的信元，信息段的长度较小，从而降低了 交换结点内部的缓冲区容量，减少信息在缓冲区内排队的时延和 3 华南理工大学硕七学位论文 时延抖动，尤其对实时信号的传输是非常有利的。 a t m 建立的每个虚连接有一个服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，简称 q o s ) 参数来标定所传信息的服务要求，这使为用户提供可靠的通 信质量保障成为可能。 a t m 信元的信头包含地址信息等控制信息，同时将话音、数据、图 象等信息统一成一种信元格式。这种统一的信元格式，有利于硬件处理， 简化了交换机的处理程序，可以用硬件逻辑电路达到快速数据交换的目 的。以信元为单位传送信息，不仅支持连续业务，也支持突发业务。a t m 综合了电路交换的简单、快速性和分组交换的灵活性，是b i s d n 的重要 组成部分。 1 3 无线a t m 概述 宽带通信和移动通信是最近几年通信领域的两个重要研究方向。由 于a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 可以非常灵活的提供广泛的业务服 务，并能保证其q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) 需求，所以a t m 被认为是未来 b i s d n 最合适的传输技术。另一方面，无线移动通信由于它灵活的移动 性而倍受人们的青睐；加上移动终端的不断发展，无线移动通信己不再局 限于话音和数据通信。a t m 技术与无线通信技术的的结合，不仅可提供 具有q o s 保证的多业务通信，还可使终端自由的移动，因而无线a t m i 副 已成为通信领域的一个研究热点。 无线a t m 本质上是对a t m 网络的无线扩展，其基本技术是无线接 入和移动a t m 两部分。其中，无线接入通过无线介质扩展a t m 业务， 而移动a t m 的功能则是支持用户终端的移动性。图1 2 给出了w a t m 系 统的一种网络结构：可以看出，在无线a t m 网络中，增加了基站( b s ： b a s es t a t i o n ) 和具有支持移动功能的边缘a t m 交换机( 类似于传统蜂 窝网中的基站控制器) ，其中基站提供与移动终端之间的无线连接，而与 有线a t m 网络的连接通过边缘a t m 交换机来实现。这种结构的特点是 可以充分利用光纤a t m 骨干网的传送和交换速度。 4 第一章绪论 a 蜂窝a蜂窝b蜂窝c m t ：a t mm o b i l et e r m i n a la m s ：a t mm o b i l i t ys e r v i c e ( a t m 移动终端)( a t m 移动性服务) 图1 2w a t m 的一种网络结构 f i g u r e l - 2ak i n do fw a t mn e t w o r kt o p o l o g y 无线a t m 所要达到的目标1 4j 是： 支持标准a t m 业务，即用足够的o o s 保证来支持所有类型的a t m 业务。其它系统，尤其是第三代移动通信系统所将支持的业务， 无线a t m 也应当能够支持。 在保证服务质量的前提下支持宽带连接。不同的应用有不同的 o o s 要求。一些业务，如语音业务，对时延要求很严，而另一些 如数据业务则对丢失率很敏感；有一些业务突发性很强，所需带 宽变化很大，而另一些却需要固定带宽。无线a t m 网络应能灵活 处理不同的q o s 要求。 无线a t m 系统应当与有线a t m 网络之间实现无缝连接。即对用 户来讲，无线接入和有线接入应当没有区别。现存的基础设施( 包 括a t m 交换机、b i s d n 信令协议、线路、a t m b i s d n 终端等) 应当尽可能利用。 5 华南理工大学硕士学位论文 能支持终端的移动和漫游功能。这可能会改变现有的a t m 信令标 准，但要求所引起的改变应尽可能小。 标准的a t m 基于低误码率、高带宽的光纤链路，而无线信道的频带 有限，误码率很高，且信道的特性随时间而变化。因此，要在w a t m 中 支持与a t m 相似的高速业务，且支持业务特定的端到端服务质量，则必 须在a t m 协议栈中增加介质接入控制( m a c ：m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层 和数据链路控制( d l c ：d a t al i n kc o n t r 0 1 ) 层【5 引，以确保业务的o o s 要求。另一方面，为了支持终端的移动性，必须在网管方面增加位置管 理和越区切换控制功能。 图1 3 是由a t m 协议栈修改得到的无线a t m 协议栈，图中灰色部 分w i r e l e s s c o n t r o l 、w i r e l e s sd l c 、m a c 层即无线a t m 协议栈较a t m 协议栈新增加部分。 对w a t m 进行标准化的机构主要有四个：a t m 论坛的w a t m 工作组、 i e t f 、i t u 和e t s i 的b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 。其中， a t m 论坛的w a t m 工作组、i e t f 和i t u 主要侧重于核心网络的标准化， b r a n 侧重于宽带无线接入网络的标准化。a t m 论坛和b r a n 的无线 a t m 工作组保持紧密的协作，以保证规定的标准的兼容性。 c o n t r o lu s e rp r o c e s s s i g n a l l i n g( t c p ，e t c ) a t ma d a p t a ti o nl a y e r ( a a l ) 器玄a t mn e t w o r k 三董 t ，1 o =l a y e i 。 钿 高 盏d w i r e l e s sd l c m a cs o n e t s d h p h y s i c a ll a y e r 图1 3 无线a t m 协议栈 f i g u r e1 - 3w a t mp r o t o c o ls t a c k 6 第一章绪论 1 4 课题来源及论文主要工作 1 4 1 课题来源 目前的a t m 网络是在光纤上传输信元，光纤具有可靠传输( 误码率 低，可达1 0 堋) 的特点，因此i t u t i 4 3 2 建议a t m 底层差错控制采用头 部差错控制h e c ，即在物理层对a t m 信元头进行( 4 0 ，3 2 ) 循环冗余编码， 这个码可纠正任意位置的1 比特错误，检测多个比特的错误模式，并根 据连续接收5 个字节是否符合h e c 算法来实现信元头定界。而对信元内 容的差错控制和恢复则在a a l 层，根据不同的业务，采用不同的差错控 制方法。a t m 的这种信元定界和差错控制方式，是根据光纤传输的特点 设计的( 误码多为1 个比特错误) ，正是由于a t m 底层协议的简化，使a t m 具有传输和交换的高效性。而在无线信道中，信道条件比较恶劣，信号 受到地形地物的影响会产生慢衰落现象，更为严重的是由于多径效应， 使各路信号到达接收点时延不同，造成频率选择性衰落。另外，还有一 些其它的噪声干扰。所有这些干扰，使信号产生畸变，造成误码率远高 于光纤( 有1 0 。3 1 0 “) ，除发生随机误码外，还会发生很多突发误码，这 不仅造成信元头容易出错而大量丢失信元，而且由于信元内容的错误导 致大量重传，最终导致无法满足用户的q o s 要求。 因此，在无线a t m 传输中，如果没有差错控制机制来进行保护，几 乎所有的无线a t m 信元都将会受到突发差错的影响，信道吞吐量将会降 到很低。本文将提出无线a t m 的一种差错控制方案，把信元误码率控制 在可以接受的范围内，使之成为可靠的传输手段。一个有保障的传输是 一切通信系统的前提，无线a t m 也不例外。在经差错控制处理的基础上， 无线a t m 才可以应用于无线交换网，从这一点来看，差错控制无疑是无 线a t m 其它各技术应用的基础。 将a t m 信元加上纠错编码后传输一方面减少了信道的干扰，提高了 信息传输的可靠性，另一方面，又降低了信元传输和处理的效率。因此， 可靠性是以降低效率即有效性为代价换来的。纠错编解码问题就是在一 定的抗干扰能力的要求下，合理设计选择纠错能力强、冗余度低的编码 方式和效率高的编解码算法的问题，也就是如何使可靠性和有效性二者 能够得以合理兼顾，取得平衡的问题。 1 4 2 论文主要工作及结构 由于本项目的无线a t m 传输信道环境恶劣，故纠错性能成了我们主 要考虑的因素。基于这个考虑，结合项目技术参数的要求，我们选择了 7 华南理工大学硕士学位论文 合适的编码方式，在t i 的d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 16 l _ 7 j 上具体实现了该编 码的编解码算法。通过测试，结果表明性能达到了技术参数的要求。 本论文第二章将介绍信道纠错编码基础知识，第三章介绍本课题选 定的分组t u r b o 码的原理及编译码方法，并通过m a t l a b 仿真分析该码 的性能，第四章介绍整个系统软硬件平台，总结了d s p 上c 编程的性能 优化经验，第五章详细说明了该纠错编码在d s p 上的实现，第六章给出 了编码性能具体的测试结果及分析。 1 5 本章小结 本章介绍了论文有关的背景知识：纠错码、a t m 和无线a t m 技术， 阐述了课题的来源及意义，介绍了论文的主要工作，并就论文的结构进 行了说明。 8 第二章纠错编码基础 第二章纠错编码基础 本章主要介绍编码的一些基本理论：信道编码定理，线性分组码、 循环码、b c h 码、r s 码、t u r b o 码等几种重要的码以及现代热点研究的 几种编码。这些内容也是本文在后面将详细讨论的纠错码方案设计的理 论基础。 2 1 信道编码理论 本节主要介绍通信系统的模型、信道编码定理以及信道编码的基本 原理。 2 1 1 通信系统模型 通信的目的是要把对方不知道的信息及时可靠地( 有时还须秘密地) 传送给对方，因此要求一个通信系统传输信息必须可靠与快速，在数字 通信系统中可靠与快速往往是一对矛盾。若要求快速，则必然使得每个 数据码元所占的时间缩短、波形变窄、能量减少，从而在受到干扰后产 生错误的可能性增加，传送信息的可靠性减低。若要求可靠，则使得传 送信息的速率变慢。因此，如何较合理地解决可靠性与速度这一对矛盾， 是正确设计一个通信系统关键问题之一。通信理论本身( 包括纠错码) 也正是在解决这对矛盾中不断发展起来的1 8 , 9 l 。 所有数字通信系统如通信、雷达、遥控遥测、数字计算机的存贮系 统和内部运算以及数字计算机之间的数据传输等，都可归结成如图2 一l 所示的模型。 图2 1 数字通信系统模型 fig u r e 2 1digit a lc o m m u nic a tio ns ys t e mm o d el 9 华南理工大学硕士学位论文 发送的信息可以是机器生成( 例如图象或计算机数据) 或人工生成 ( 例如语言信号) 的，可以是模拟信号或是数字序列。信息在发送前都要 转换成最适于传输信道特点的信号集。第一步是消除冗余部分以尽可能 降低传信速率，这由框图中的信源编码器实现信源编码的目的是提高传 输的有效性。山于发送端送出的数据在传输中会受到噪声干扰而在接收 端引起错译，因此第二步要有差错控制机制以提高数据的抗干扰能力， 提高传输的可靠性。实现差错控制的方法包括：前向纠错( f e c ) 和自动请 求重发( a r o ) 等。前向纠错是在发端对数据进行纠错编码，用信道编码器 对信源编码后的输出序列增加特定的冗余，收端对这种编码译码后传输 错误可以被纠正。框图中的调制部分用来形成适合于所用传输媒质的发 送信号。 2 1 2 信道容量和信道编码定理 对于数字通信系统，能够在一个信道中传输的最大平均互信息称作 这个信道的容量，表示为c 。这个参数表明了实际信道的最大极限传输 能力。著名的s h a n n o n 限带加性高斯白噪声信道( a w g n ) 容量公式 8 , 1 0 i 是： c = w l 0 9 2 1 + p 。( w n o ) j 口 ( 2 - 1 ) 其中形是信道所能提供的带宽，只是信号功率，口2 是双边噪声功 率密度，p 。w n o 称作调制系统的信噪比( s n r ) 。如果用e 6 表示每比特的 信号能量，则式( 2 - 1 ) o - i 写作： c = b l 0 9 2 1 + 尺e 6 ( b n o ) i ( 2 2 ) 其中e 6 d 称作比特信噪比，口是传输1 比特信息所需的信道带宽， r 是实际信息传输速率。根据s h a n n o n 公式，可以求得当r o o 时这个极限是 e 6 d 大约为1 6 d b ，是带宽无限高斯白噪声信道无误传输的信噪比下限。 1 9 4 8 年信息论的开创者s h a n n o n 提出了著名的信道编码定理，指出 只要r 0 ，e 俾j o 是可靠性函 数，取决于不同的编译码方式j 。 2 1 3 纠错编码的主要参数与指标 通信系统性能分析中最有用的性能衡量指标是信噪比e 6 n 口与误码 率b e r 之间的关系图，通常从曲线的位置和斜率入手进行性能分析和比 较；在某一误码率下，应用特定的纠错码系统后，相对于未经编码的系 统所能获得的信噪比减少量，定义为该纠错码的编码增益；达到某误码 率所需的信噪比与达到无差错传输的s h a n n o n 限之间的差距，也是衡量 纠错编码性能的关键指标。 2 1 4 信道编码的基本原理 信道编码的原理就是根据一定的规则在待发送的信息码元中加入一 些多余的码元，以换取信息码元在传输中的可靠性。 1 称信源待发送的码元为信息码元。 2 称加入的多余码元为监督( 校验) 码元。 3 信道编码的目的是以加入最少多余码元为代价，换取提高最大的 可靠性。 4 按照加入多余码元的规律可以划分为线性和非线性两大类，并分 别称它为线性码与非线性码。 5 按照监督位完成的功能可划分为：仅具有发现差错功能的检错码 和具有自动纠正差错功能的纠错码。 监督码是以信息码为基础，按照某种规律产生的，因此监督码与信 息码之间具有某种校验关系。发端将信息码和监督码组合而成的码元序 列送入信道，收端收到该码序列后，依照约定的编译码规则检验监督码 元与信息码元之间的校验关系。当这种校验关系因传输错误而受到破坏 时，收端就可以检查出来，这叫检错，并称这种编码具有检错能力：更进 一步，如果收端检测出差错后还能在译码时予以纠正，就叫纠错，并称 这种编码具有纠错能力。显然，差错控制编码的检错和纠错能力是以增 华南理工大学硕士学位论文 加所传信息的冗余度来换取的。可见差错控制编码以降低传输的有效性 来换取传输可靠性的提高。 2 2 差错控制编码 差错控制编码的分类方式有多种，如图2 2 所示，其中常见的有奇偶 监督码、线性分组码和卷积码等。其中奇偶监督码可以检错，而线性分 组码和卷积码既可以检错也可以纠错。不同的编码方式有不同的纠检错 能力。所谓纠检错能力，就是某种差错控制编码最多能检测和纠正一定 编码长度内误码的个数。差错控制编码的纠错能力与编码序列之间的距 离有关。一般情况下，分组码以最小汉明( h a m m i n g ) 距离d m i n 衡量；卷积 码以最小距离嗽d m i n 或自由距离d f r c 。衡量。 图2 2 纠错码的分类 f i g u r e 2 - 2a s s o r t m e n to fe r r o rc o r r e c t i n gc o d e s 下面以线性分组码为例，说明信道编码的纠检错能