（通信与信息系统专业论文）dab发射机数字基带部分的研究与实现.pdf

信息1 = 稃大学硕士学付论文 摘要 数字音频广播，简称d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) ，是继调幅和调频广播之后的 新一代广播体系。克服了调幅广播占用频带宽、发射功率大、音质差及调频广播抗多径传 输干扰能力差等缺点。在同样的带宽和信道环境下，d a b 可提供比模拟广播更高的声音质 量和更多的广播节目，具有以下突出的优点： 1 高质量的声音信号，可达到c d 质量水准； 2 具有较强的抗多径干扰的能力，可保证高速移动状态下的接收质量： 3 发射功率小，覆盖面积大，频谱利用率高，降低了频带宽度； 4 可传送附加数据业务。 本论文主要研究d a b 发射机数字基带部分的实现。数字基带部分由信道编码和 c o f d m 调制两部分组成，是整个d a b 发射机的核心部分。信道编码部分包括能量扩散、 卷积编码、编码删除和时间交织等环节。各部分分别完成以下功能：对信源输入码流的伪 随机序列“加扰”；完成卷积编码；编码删除：实现不同帧之间的比特交织等。c o f d m 调 制部分包括块划分及c o f d m 符号形成、d q p s k 符号映射、频率交织、差分调制及c o f d m 调制等环节。各部分分别完成以下功能：d a b 数据块的构成及将这些数据块分割成c o f d m 符号；c o f d m 符号中的每个比特对映射成一个d q p s k 码元；按照频率交织规则表，找 到该d q p s k 码元对应的那个载波；将其差分地调制在该载波上；进行i f f t 运算，完成 c o f d m 调制；由数字上变频器将c o f d m 信号调制为中频信号等。 本课题采用一片f p g a 芯片实现信道编码及c o f d m 调制两部分功能，提高了系统的 可靠性和运行速度，降低了成本。 关键词：d a b 发射机；信道编码；c o f d m 调制；i f f t 第1 i 页 笪皇三翌查堂堡兰堡笙苎 a b s t r a c t d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) i san e wg e n e r a t i o nb r o a d c a s ts y s t e ma f t e ra m p l i t u d e m o d u l a t i o nb r o a d c a s ta n df r e q u e n c ym o d u l a t i o nb r o a d c a s t d a bh a so v e r e o m e dt h er e s p e c t i v e s h o r t c o m i n g so fa m p l i t u d em o d u l a t i o nb r o a d c a s ta n df r e q u e n c ym o d u l a t i o nb r o a d c a s t , t h a ti s ， t o ow i d eb a s e b a n d t o ob i gt r a n s m i t t i n gp o w e r ，p o o rs o u n dq u a l i t y , a n dw e a ka b i l i t yt 0r e s i s tt h e m u l t i p a t ht r a n s m i s s i o n d a bc a np r o v i d eb e t t e rs o u n dq u a l i t ya n dm o r eb a n s d c a s t i n gp r o g r a m t h a nm o d u l a t i o nb r o a d c a s tu n d e rt h es a m eb a s e b a n da n dc h a n n e le n v i r o n m e n t d a bh a s o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e sa sf o l l o w i n g ： 1 h i g hq u a l i t ys o u n ds i g n a l sw h i c hc a nr e a c hc d sq u a l i t y 2 s t r o n g e ra b i l i t yt or e s i s tm u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ew h i c hc a ne n s u r ep e r f e c tr e c e i v i n ge f f e c ti n t h em o v i n gs t a t ew i t hh i g hs p e e d 3 s m a l lt r a n s m i s i o np o w e r , 、v i d eo v e r l a ya r e a , a n dh i g he f f i c i e n c y 谢t l ls p r e a ds p e c t r u m w h i c hc a nr e d u c et h eb a s e b a n dw i d t h 4 a b i l i t yt ot r a n s m i ta d d i t i o n a ld a t a t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h er e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a lb a s e b a n do fd a bt r a n s m i t t e r b e i n g c o m p o s e do f c h a n n e le n c o d i n ga n dc o f d mm o d u l a t i o n , t h ed i g i t a lb a s e b a n dc o n s i t u t e st h ec o r e o fd a bt r a n s m i t t e r n 砖c h a n n e le n c o d i n gi sm a d eu po fs e c t i o n so fe n e r g yd i f u s i n g e o n v o l u t i o n a le n c o d i n gt h a tc a nb ep u n c t u r e d ，r e d u n d a n c yc o d e sp u n c t u r i n g ，t i m ei n t e r l e a v i n g ， w h i c hr e s p e c t i v e l yp e r f o r mt h ef u n c t i o n so fa d d i n gi n t e r f e r e n c et ot h es o u r c ec o d e st h r o u g ht h e p r b s ，g e n e r a t i n gc o n v o l u t i o n a le n c o d i n g ，p u n c t u r i n gr e d u n d a n c yc o d e sa n dc a n i n go u tt h eb i t s i n t e r l e a v i n gb e t w e e nt h ed i f f e r e n tf l a m e s 1 1 l ec o f d mm o d u l a t i o np a r ti sm a d eu po fb l o c k s p a r t i t i o n , c o f d ms y m b o lf o r m i n g ，d q p s ks y m b o lm a p p i n g ，f r e q u e n c yi n t e r l e a v i n g ，d i f f e r e n c e m o d u l a t i o na n dc o f d mm o d u l a t i o na n ds oo n t h e yc a np e r f o r mt h ef u n c t i o n so f c o n s t r u c t i n g d a bd a t ab l o c k sa n dd i s t r i b u t i n gt h e mi n t oc o f d ms y m b o l s ；m a p p i n gt h es u i to fb i t si nt h e c o f d ms y m b o l si n t ot h ed q p s ks y m b o l s ；f m d i n go u tt h ec a r r i e rc o r r e s p o n d i n gt h ed q p s k s y m b o l sa c c o r d i n gt ot h ef r e q u e n c yi n t e r l e a v i n gt a b l e ；m o d u l a t i n gt h et h ed q p s ks y m b o l s d i f f e r e d n t l yo n t ot h ec a r r i e r s ；e a r r i n go u tt h ei f f tp r o c e s s i o na n dc o f d mm o d u l a t i o n ； m o d u l a t i n gt h ec o f d ms i g n a l s ( i n - p h a s ea n dq u a d r a t u r e ) i n t oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l s t h r o u g ht h ed i g i t a lu p p e rt r a n s d u c e r i nt h i sp a p e r , o n l yo n ef p g a c h i pi su s e dt op e r f o r mt h et w of u n c t i o n so fc h a n n e le n c o d i n g a n dc o f d m m o d u l a t i n g b yd o i n gt h i s ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h eo p e r a t i o ns p e e do ft h eb a s e b a n d a 托i m p r o v e dw h i l et h ec o s to f t h eb a s e b a n di sr e d u c e d k e yw o r d s ：d a bt r a n s m i t t e r ；c h a n n e le n c o d i n g ；c o f d mm o d u l a t i o n ；i f f t 鬻l i i 页 信息工稃大学硕七学位论文 表目录 表l 常用的c i 码。6 表2p r b s 的第一个1 6 比特8 表3d a b 模式1 的频率交织1 5 表4f 、k 、行和j i 之间的关系( 仅给出部分k 值) 1 6 表5 参数钆 表6 丸、钆、u o 、的取值关系1 7 表7 表8 删除矢量表 时间交织表格 第页 笪垦三堡查兰堡兰笪丝兰 图目录 图ld a b 发射系统原理图3 图2d a b 发射机数字基带部分结构图4 图3 差错保护示意图5 图4 差错保护编码信息的传输5 图5 带有c r c 码的数据序列6 图6c r c 运算原理图7 图7 能量扩散原理图8 图8 卷积编码器结构图9 图9 卷积码删除原理图l o 图1 0 时间交织与去交织工作原理图1 l 图1 1c o f d m 调制部分原理说明图1 2 图1 2 频率交织示意图1 4 图1 3 差分调制示意图1 6 图1 4c o f d m 调制器原理图2 2 图1 5c o f d m 子载波频谱图。2 2 图1 6c o f d m 子载波分布图。2 3 图1 7c o f d m l 5 3 6 个子载波产生示意图2 4 图1 8 利用i f f t 实现c o f d m 调制的原理图2 4 图1 9 保护间隔产生图2 5 图2 0 课题完成情况示意图2 7 图2 1 分频模块程序流程图2 8 图2 2 分频模块仿真图2 8 图2 3 帧起始信号和数据信号产生格式图2 9 图2 4 源发生器程序流程图2 9 图2 5 源发生器程序仿真图3 0 图2 6 能量扩散模块程序流程图3 1 图2 7 能量扩散部分仿真图3 1 图2 8 卷积编码程序流程图3 2 图2 9 卷积编码仿真图1 3 3 图3 0 卷积编码仿真图2 3 3 图3 l 并串转换模块程序流程图3 4 图3 2 并串转换模块仿真图l 3 5 第v i i 页 信息丁稃大学硕士学位论文 图3 3 并串转换模块仿真凝2 强3 4 编鹞瓣滁模块摇澎流程图 图3 5 编码删除模块仿真图3 9 豳3 6 时间交织程序流程图 强3 7 辩麓交织谚真墅1 阔3 8 对两交织仿真囤2 。4 2 图3 9 时间交织仿真图3 4 3 鼹4 0 时间交织仿真图4 嚣4 l 嚣淘交织费真垂5 4 3 4 4 网4 2 复数乘法器子程序流程图4 5 图4 3 复数乘法器主程序流程图4 6 强4 4 复数乘法嚣傣真图。 圈4 5f f t 蝶形运算器4 8 图4 6 蝶形运算器子程序流程图4 9 圈4 7 蝶形运箨器主程序流程图 嚣4 s 臻形运算器菸奏圈 。5 0 圈4 9 硬件电路框图5 1 图5 0 实际电路板5 l 第v i i i 页 信息t 程大学硕士学位论文 独创性声明 所提交的学位论文是本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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。与我一同工作的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谢 意。 学位论文题目：旦旦蕴挝拯数主基堂部公的班究皇塞丑 学位论文作者签名：蠲鑫袭 日期：炒6 年，2 一月二pe t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将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、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 查羁盒墓，f 日期：加5 年肛月二pe t 作者艚教师签名。眵唧争一醐姗6 年心肿湘 第1 页 信息丁程大学硕士学付论文 第一章绪论 1 1d a b 介绍 所谓的d a b 数字广播是指数字化了的音频信号和各种数据在数字状态下进行编码、调 制、传递等处理。因音频信号在模拟技术条件下，其处理、传递、发射、接收的每一个环 节都会引入干扰。而数字信号只有“l ”和“0 ”两种状态，所以在进行各种处理过程中， 传递媒介自身的特征，包括噪声、非线性失真等，均不能改变数字信号的品质。加上数信 号本身可方便地进行各种数值运算及各种逻辑码运算，故能对能对数字传递、发射、接收 等过程中各种干扰引起的误码进行自我纠错处理，保证从节目制作到发射、接收过程都达 到高质量，从而提高了广播系统的整体技术性能。 广播在二十世纪二十年代诞生后，经历了调幅，调频两个发展阶段，正快步进入数字 化的第三个阶段。与现行的模拟广播相比，具有音质纯净，抗干扰能力强，对功率的利用 率高等特点。其优势在于： 音质纯净，可与c d 盘媲美。 覆盖面积大，任何地面广播系统无法与之相比。尤其对以全国，全球覆盖为目标的 大台来说更具有重要性。 极大地扩展了广播频道的数量。 投资和运营费用低，主要用于地面上行站的建设。 接收机价格低。 广播节目可根据不同音质的播出需要从最经济的角度任意选择播出带宽。如播出音 乐节目，最高可选1 2 8 k b i t s 的比特速率，从而使听众享受到c d 般高纯度立体声。而一 般的声讯播出，则可选择1 6 k b i t s 的比特速率，而各类节目带宽选择乃至节目的编排组 合可轻而易举地完成。 进入九十年代数字广播系统有了长足的进展。从世界范围来看，数字化将是广播技术 发展的必然进程。而其中的数字音频广播( d a b ) 则将会成为继传统的调幅、调频广播之 后的第三代广播，究其因，主要源于以下几点： 数字压缩技术的成熟及大量推广应用，在不影响主观质量评价的前提下，其音频码 率可以压缩近1 0 倍； 高效的数字调制技术和纠错编码技术同样得到了高速发展，前者使射频的频谱利用 率达到5 , - 6 b i t h z 以上，后者则使得信号处理和传输更加可靠； 微电子技术的完善和成熟。随着微米级大规模集成电路生产工艺及技术的不断进 步，使得各种对数字音频信号的处理手段，象压缩编码、调制、差错控制等技术不仅在方 法上已成熟，而且其硬件实现也能够满足广播业发展的实际需要。以上几方面技术的综合 应用，使得高质量的数字音频信号传输所占有的带宽远小于模拟信号的带宽，从而使窄带 处理和传输高质量的数字广播电视信号成为可能。由此也为今天数字广播的迅速崛起创造 第1 页 信息t 稃犬学硕十学位论文 了必要的条 牛。 d a b 发溅历程及嚣蓠焱嚣甄鹣镬麓状凝如下： 欧洲：欧洲的一些圜家于1 9 8 7 年成立了e u r e k a - 1 4 7 共同体组织，目的在于发展 数字广播系统。其d a b 系统特点是：在移动接收条件下仍然可得到高质量的节目信号。 您凌了城零多径传援帮俊遮移动辩产纛魏频率迭籀壤衰落窝雾雩阗选择性衰落溜瑟。曩蔻 欧渊d a b 频率分配任务已经完成。穗明确规定，将在2 0 1 5 年翻d a b 代替现有的f m 与a m 广播，到时f m 岛a m 将停止使用。 美国：荚国所发展的数字广播系绕+ 是针对f m a m 广播频率设 的，特点为带内 霹簇霰零。箕露豹在予：在该系统不羧交褒有诱颠鬏率痰翔豹基磷上，在霾一频段蠹嚣 时播出模拟和数字广播，利用现有的a m 和f m 频率进行覆盖。宦的特点是与现行的广 播系统兼容，解决了频道少的问题，不需要重新规划频道。美阁国家广播制式委员会 ( n r s c ) 基羝准番“鬻内霹频技术”终鸯美晷黩鼹豹数字音频广撵戆转竣搽壤。瑰在 美营各调幅和调频广播电台可以在自愿的基础上，歼始采用带肉阍颓系统由模拟向数字 播出方式的过度。 日本；多媒体广播融成为日本政府推动广播实现数字化功能的重要方向。日本在对 欧巍蠢美黼戆赣式遴弦爱复甄囊螽，褥毽7 鑫己懿瓣决方案。箕最大意义在予，宅霹鬏 据需要灵活地确定系统带宽。它可以使用窄带也可以使用宽带来播出数字广播。现在日 本政府制订了结束模拟广播的时间表，以2 0 1 0 年为模拟广播结柬的时间。 孛蓬：我匡采用欧亳i l 的e u r e k a - 1 4 7 终失数字广摇标准。我重广撵科磺部门一壹 跟踪国际d a b 的发展方向，积极参尚d a b 节秘的制作、播如、传输、网络规划，制 式标准及相关硬件的研究，并取得了一大批研究成果。我国广电部自1 9 9 2 年6 月就通 过了我国开展d a b 重大科研的可行饿报告，并从1 9 9 5 年开始，根据当时中国和欧洲关 予数字啻簇广摇顼嚣瓣念终嫒囊，先嚣分鬟在l l 客秘广东建立了d a b 实验塞秘无线发 射先导网。同年，在北柬的实验室里开始了d a b 系统的有关数据测试。广东的d a b 数字音频广播先导网在1 9 9 6 年1 2 月2 5 日开通，1 9 9 7 年7 月1 日正式投入试播。它为 国家刳定数字广撂技本标准提出了试验数撂。该先鼯霹由傍出，广东帮中出兰个试撵台 组成，嚣篙我雷己建好静d a b 弼富哀津霹，广东阏，台湾和番涛疆。眼下毒警多省市已 有开展d a b 实验的积极性。到2 0 0 6 年以后，我国一些主要大城市将会实验开展多媒体 数字广播。 第2 页 笪星三堡查兰堡兰堡丝苎 1 2d a b 发射机系统的构成 图1d a b 发射系统原理图 图1 为d a b 发射系统原理图。第一部分是业务提供者提供的设备，其数字部分主要由 m u s l c a m 源编码器和各种传输接口组成。音频信号和节目伴随数据( p a d ) 等附加信息 首先经过脉冲编码调制( p c m ) 转化数字音频信号，然后经源编码器进行源编码，形成d a b 音频帧。d a b 音频帧信号和其它的数据业务信息在传输复合器中进行复合，形成传输数据 流。这些数据流经业务传输接口( s e r v i c e t r a n s p o r t i n t e r f a c e ) 转换为符合规定的数据形式i ”。 业务传输接口( s t i ) 在源编码器与d a b 信号群复合器之间，w g i 2 接口是其中一种接口 标准。传输数据经w g l 陀接口成为w g l 2 码流，传输到群复合器。 第二部分是广播台演播室的设备，其主体是d a b 信号群复合器。在该复合器中，传输 的信号群被复合在一起。对于广播应用来说，一个典型的d a b 信号复合群，有6 套立体声 节目和2 个数据信道组成。信号群复合器将输入的各业务的d a b 音频帧数据复合，借助传 送过来的附加信息，产生快速信息信道( f a s ti n f o r m a t i o nc h a n n e l ) 。之后，按不同的通道要 求配以适当的f i c ，形成e t i 逻辑帧并送往输出接口。f i c 包含复合结构信息( m c i ) 、业 务信息( s i ) 、快速信息数据信道( f i d c ) 和有条件接收管理信息等。群复合器与c o f d m 编码器的接口称为业务群传输借口( e n s e m b l et r a n s p o r ti n t e r f a c e ) 1 2 - 3 1 。d a b 信号群复合器 的输出数据流格式，在信号群传输接口( e t i ) 协议中被确定。e t i 协议允许传输的数据流 通过2 0 4 8 m b s 的传输线路，由信号群复合器传送到同步网的发射台1 2 j 。演播室人员可以 通过计算机控制台对群复合器的业务数据流进行合理的配置和监控。 第三部分是d a b 发射机的主体部分，由c o f d m ( o r o t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x ) 编码、调制、数字上变频和放大、滤波等环节构成。信道编码器完成e t i 码流 的解复用、能量扩散、卷积编码、时间交织等任务；c o f d m 调制器进行c o f d m 符号映射、 q p s k 调制、频率交织、差分调制和c o f d m 调制等【4 j 。输出符合e n 3 0 07 9 8 ( d i q ) 标准的 同相和正交两路分量 s l 。对该输出进行正交调制，形成射频信号，经放大器放大、带通滤 波器滤波即可送往发射天线。其中，c o f d m 编码及调制部分构成d a b 发射机的基带部分。 d a b 发射系统是一个同步系统，商用群复合器一般带有包括g p s 和其他时基的标准时间和 频率基准。 第3 页 笪星二堂查主堡主兰笪丝苎 1 3 课题的研究内容 本课题的研究内容为：d a b 发射机数字基带部分的f p g a 实现。数字基带部分包括信 道编码部分及c o f d m 调制两部分。其中，信道编码部分包括能量扩散、卷积编码、编码 删除和时间交织等环节；c o f d m 调制部分包括块划分及c o f d m 符号形成、d q p s k 符号 映射、频率交织、差分调制及c o f d m 调制等环节。基带部分结构图如图2 所示。设计标 准为e n 3 0 07 9 7 h 、e t s3 0 07 9 9 【2 】、e t s3 0 04 0 1 【4 】和e n 3 0 07 9 8 ”。 信道 编码 部分 到墓h 薹推h 篓 紫i 剖糌吲黔蚓萋妻蚓翥翁h 复合蚓巍 分i 形成 i 映射i li 【ji “il 删州 本课题得到国家8 6 3 项目“基于3 g 技术的移动自组织网络研究”的支持。 第4 页 笪：垦三堡奎堂堡主堂竺丝苎 第二章d a b 的信道编码原理分析 2 1d a b 信道编码过程 信道编码是为保证信息可靠传输，提高传输质量而设计的一种编码。是指按一定的规 则，在信源编码后的数据流中，人为地加入冗余，即补充差错保护，使传输码具有一定的 抗干扰能力1 6 1 。从而使经信源编码的信号在通过传输信道到达接收端的过程中，所受的干 扰尽可能的小。因此，信道编码又称抗干扰编码。由于加进了差错保护，当码子在传输过 程中出现差错时，在接收端可以根据一定的准则进行差错修正，在一定程度上保证了数据 传输的可靠性。但同时，由于加入了冗余码，使信道上传输的总数据量变大，降低了数据 的传输速率，因此，确保可靠传输是以降低信息传输速率为代价的 6 - 7 1 。 信 号 源 队擞据压缩 差错保护 am 尘 信道编码 儋源编码 通过传 输信道 传输的 信号 图3 差错保护不意图 在图3 中，假设m 为信源经过数据压缩后的欲传输的数据比特，n 为经过信道编码后 得到的总数据比特，则有p 。】： r = m j n( 式1 ) 式l 中，r 称为信道编码率( 1 ) 。编码率越低，表明保护程度越高，数据传输越可靠。 n 不能超出传输信道所允许的最大数据率。实际应用中，在设计信道编码时，一般的准则是， 在满足一定抗干扰能力的情况下，编码效率越高越好l ”j 。 图4 差错保护编码信息的传输 在传输信道中，若信道在传输过程中受到噪声干扰，则差错就很容易叠加到数字调制 第5 页 信息= f 程大学硕士学位论文 的信号上，产生比特差错，使某些位的数据由“1 ”变为“0 ”或由“0 ”变为“l ”。在接 收端，可以通过信道解码进行差错纠正。具体做法为，通过对在信道编码中加入的冗余计算， 找出有差错的比特的位置，然后再将该位的比特变成反码，达到差错修正的效果。经纠错 处理后，接收机最终剔出掉从发送端加进信道编码的冗余比特，恢复出信道编码输入端的 原始信息序列。图4 表示了差错保护编码信息的传输过程。 通常，用比特差错率( b e r ) 来衡量数据传输的质量，其表达式为： b e r = 错误接收的比特数量接收的总的比特数量x1 0 0 ( 式2 ) 2 2 c r c 原理 2 2 1c 船的数学原理1 4 t 8 j 循环冗余校验码，简称c r c 码，属于循环码的一类，这种码经常用来检测比特错误。 表l 所示是常见的国际标准化的四种c r c 码。 表1 常用的c r c 码 c i 屺码生成多项式 c r c 1 22 + 一1 + ，+ 了2 + j + 1 c r c 1 6z “+ 一+ j 2 + 1 c i 己c c c i t tx “+ z 1 2 + x + 1 c r c 3 2，2 + 工拍+ x + x 牡+ 一+ 一2 + 工”+ x o + x + 膏7 + j + j + ，+ z + l 循环冗余校验，简称c r c 。是通过对传输数据加上循环冗余比特来实现接收端数据校 验的。其编译码方法简单，检错、纠错能力强，广泛用于同步通信中的差错校验。以下解 释循环冗余校验的基本原理。 假设k 位二进制序列m ( x ) 可表示为： r e ( x ) = a k l x - 1 + 唧2 x 一2 + + q x + a o ( 式3 ) 为实现c r c ，需要增加n - k 位的校验码，( 功。那么在新形成的数据块中，比特码表达 式就变为x n - k 脚( 功，如图5 所示。 图5 带有c r c 码的数据序列 计算c r c 码的步骤如下： 1 、将由于增加n - k 位的校验码而产生的x ”一乘以原始序列m ( x ) ，得到新的多项式 第6 页 信息1 = 程大学硕士学位论文 矿暇蚺 2 、设预先给定的生成多项式为g ( 功，将矿顾除以g ( 的得到商g ( 力和余数，( 力。 百x - k m ( x ) - g ( 卅器 ( 式4 ) 整理，得： ，。m ( 力= 9 ( 曲g ( 功+ ，( 的( 式5 ) 移项，得： ，。m ( x ) - r ( x ) = g ) g ( x )( 式6 ) 式6 中，g ( z ) g ( 砷即为带有c r c 的数据序列。 2 2 2 僳c 的实现方法 l s bb o 6 l乞一2吃一1 m s b 图6c r c 运算原理图【4 l 生成多项式g ( 功可以用下面的n 次多项式表达1 4 j ： g ( 力= ，+ 岛- l x “- 1 + + 9 2 x 2 + 蜀x + l( 式7 ) 式7 中，g f 为多项式的系数，以l ，g j o ，l ，f = 1 ，2 ，一一1 。 图6 所示，c r c 计算可通过多个移位寄存器来实现，移位寄存器的个数应等于式7 中 x 的最高次幂。图中，b o 、b l 、b 。i ，分别相应于式7 中l 、x 、x 2 ，x “各项。系 数由式7 给出。 在开始进行c r c 运算时，所有的移位寄存器置“0 ”或“1 ”。在图5 中，输入端送 入的是原始数据序列m ( x ) ，移位寄存器各级的输出b 。、b 。、b 。一就是c r c 码字。其中b 。 和b 。分别代表移位寄存器的最低有效位( l s b ) 和最高有效位( m s b ) 。对于原始数据序列 m ( x ) 及c r c 码字，均首先传送最高有效位m s b 。 2 3 能量扩散 能量扩散处理，也称为“扰码”处理。其作用是减少连“0 ”码和连“1 ”码出现的 概率，从而确保比特位定时恢复。其原理是将二进制数字序列进行随机化处理，限制连“0 ” 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 码和连。1 ”码的长度，使信号的频谱分散并保持稳定 4 8 - 1 0 。 经过能量扩散处理，数据原来的序列被改变，但符合一定的统计规律。经过解扩散处 理，可以完全无误地恢复出原来的数据序列。 图7 为d a b 中用作能量扩散和解扩散的伪随机二进制序列( p r b s ) 发生器原理图。 图中，伪随机序列由9 个移位寄存器产生，输出加扰信号。通过输入数据序列与伪随机序 列模2 和来完成能量扩散。 p r b s 发生器有9 个d 触发器和逻辑门构成，其生成多项式为【4 j ： p ( x ) = ，+ ，+ l( 式8 ) 厂一初始值弋 输入 串行 码流 图7 能量扩散原理图1 4 】 需要进行能量扩散的数据序列与p r b s 模2 相加，便得到加扰输出信号。处理的顺序 为，串行输入的第0 比特与p r b s 的第0 比特异或。在接收端，加扰输出信号再与图7 所 示完全相同的p r b s 发生器产生的p r b s 相加，便恢复出能量扩散以前的数据序列，从而 完成了解能量扩散或解扰。 图7 中，所有移位寄存器的初始状态都置1 ，则得到p r b s 的第一个1 6 比特。表2 是 p r b s 的第一个1 6 比特。 表2p r b s 的第一个1 6i ：l 特 4 1 000001111011 1110比特值l iiiiifiil 2 4 卷积编码 卷积编码即连环码，可通过移位寄存器实现。卷积编码与分组码有明显的区别，分组 码各码之间是相互独立的，编码器本身没有记忆性。卷积编码则不同，其比特码元中加入 了监督码元。不仅对本组的比特码元起监督作用，还对其以前若干组的比特码元起监督作 用，各码之间连环重叠，环环相扣 4 ，“。 第8 页 信息工程大学硕七学位论文 ( n 比特) 图8 卷积编码器结构图 图8 为d a b 卷积编码器结构图，图中每输入一个比特会产生4 个比特的输出。输入数 据宽度m = l 比特，输出数据宽度n = 4 比特，编码率r = m n 。编码器的记忆，即存储器深度， 是以现实输入以前的对编码做出贡献的码元比特来定义的。如果移位寄存器的数量( 长度) 为s ，则存储器深度等于s - m 。图8 中，s = 6 ，m = l 。因此，存储器深度为s m = 6 。约束长度 是指所有参与编码过程的码元比特总数。图中，约束长度为k m = ( s + 1 ) m = 7 。卷积编码器的 特征可通过移位寄存器的数量和抽头的位置来表明。通常卷积编码器用生成多项式c 来表 示，其各项系数是0 或l ，当移位寄存器是有抽头时系数为1 ，反之为0 。在表达多项式时， 每个输出支路应该分别给出。图8 中，4 路多项式分别为： g = 1 + ，+ ，+ ，+ x 6( 式9 ) g = 1 + x + x 2 + ，+ x 6( 式1 0 ) c 3 = l + x + x 4 + 矿 ( 式1 1 ) c 4 = l + x 2 + 工3 + 工5 + 工6 ( 式1 2 ) 所生成多项式的最低次幂项代表移位寄存器的现实输入，高次幂项代表移位寄存器的 抽头。 图8 中，卷积编码器由6 个移位寄存器和多个模2 加法器组成，通过移位寄存器不同 抽头的组合，可得到编码数据输出。a l 为从能量扩散模块进来的串行码流，礼、x 2 j 、x 3 及 。为输出的4 路序列，输入1 比特可输出4 比特数据，第4 路和第1 路输出是一样的，实 际编码器的编码率为1 3 。其表达式为： j = q o q 一2a l 一3 0 q - ，0 q - 6 ( 式1 3 ) x 2 j = 口f o 口j 1 0 q 一2 0 q - 3 0 q - 6 ( 式1 4 ) 毛。= q o 口l i o q 一4 0 q - 6 ( 式1 5 ) 毛。= q o q 一2 0 q 一3 0 q 4 0 q 6 ( 式1 6 ) 图8 中，寄存器的初始状态全为“0 ”。当有效数据送完后，还要继续送入6 个“0 ”， 以使全部寄存器清零。每路产生6 个尾码，4 路共计2 4 个尾码。 第9 页 信息t 程大学硕士学位论文 2 5 卷积编码删除 由于卷积编码引入了大量的冗余比特，因此d a b 的信道编码采取可删除型卷积编码。 为了对不同重要性的数据信息实施不同程度的保护以及在不同的传输环境下，希望有不同 的信道编码率，在不改变卷积编码器结构的情况下，通过编码删除就可以实现不同的编码 率。要提高数据的传输速率，就必须对卷积编码器某些编码效率低的输出符号进行删除， 而保留效率高的卷积编码符号p 。 并 e 刊耋董卜誓 串 删除矩阵h 差错保护类型 图9 卷积码删除原理图 图9 中，首先将卷积编码器输出的并行数据五，五，码，五进行并串转换，转换为 串行数据码流，然后进行编码删除。编码删除采用删除矩阵的形式来进行，将并串转换后 的串行数据序列五j ，五j ，墨，五，依次取8 个数值得到输出数据矩阵为： 五t 五：五，五五，五，s 五，五。 五t 五：五，五，t 五。，五，s 五，五，。 x x 3 3 x ，3 x 37 x ，x 3 x ，x s x z 。2 x | 3 x | | x 4 j x 4 x 4 ，x 根据不同的差错保护类型，选择相应的删除矢量p i 及编码率( 等于8 8 + p i ) ，从而可得 到相应编码率下的删除矢量矩阵。以编码率8 1 6 为例，删除矩阵为： 1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 l ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 如果删除矩阵中的元素为l ，则传送数据矩阵中对应的比特元素，如果为0 表示删除数 据矩阵中对应的比特元素【4 s t o l 。根据先进先出的原则，删除后的数据为 五j ，墨j ，x j ，五j ，五j ，五j ，五j ，五j ，五j ，五j ，置，五，五j ，五7 ，五，。，五j 串行码流 最后2 4 个比特( u 4 。，u 4 ，。，蝴，+ 。) 采用固定的删除矢量进行删除，删除矢量为 巧= ( 1 1 0 0 ，l l o o ，1 1 0 0 ，1 1 0 0 ，l l o o ，1 1 0 0 ) 。删除后，得到1 2 比特的尾部码m ”l 。对于有填充字 节( p a d ) 的还要加入填充比特，最后输出一个字节1 4 州。 2 6 时间交织 信源编码后的数据在调制之前都要进行信道编码，以防止在传输过程中出现误码。信 道编码的实质就是给传送数据流加入冗余，从而在接收端可以对误码进行差错纠正。信道 第l o 页 信息t 稃大学硕士学位论文 编码的纠错能力主要取决于被解码的比特序列中的误码分布，通常误码均匀分布比较有利。 在移动通讯状态下，传递函数在频域和时域中的特性是：在相对宽的频域或时域范围内具 有较好的传输质量，在相对窄的频域或时域范围内则有较大的传输衰落和群时延失真，造 成相邻的信息码元出现误码，形成突发误码( 即块误码) 忡t 1 0 j 。解决的办法是使相邻的信 息码元在频域或时域中相互分开传送，这种方法称为交织。 在d a b 中，交织有时间交织和频率交织两种形式。时间交织发生在卷积编码和编码删 除之后，只适用于主业务信道的信息，在时域中受允许的最大信号时延( 发、收端中间存 贮器时延时间之和) 的限制。d a b 系统中，时间延时是以公共交织帧持续期l ( 帧周期) 为单位，卷积编码后的数据交织深度为1 6 帧，时间交织总的信号时延约为3 6 0 m s 4 一。 发射机接收机 串 睫受匝卜 并 爿至匣卜m 卫e b 并爿卫叵h 钿日 宙 转 爿耍亘h 羌丑 转 换换 j 阿丽； 图1 0 时间交织与去交织工作原理图 图l o 是发射端时间交织与接收端去交织的工作原理图。进行交织时，首先将连续的串 行比特码流转换为并行的数据流，然后在不同的时刻将并行数据流进行延时传送，即完成 时间交织。时间交织的过程就是将相邻的数据流分开传送的过程。 数据到达接收端后应进行去交织处理，去交织即对交织时产生的时延进行补偿，并将 并行数据流重新转化成发送端按原始时间顺序排列的串行数据流。 d a b 系统中，快速信息信道( f i c ) 是非时间交织的数据信道，适用固定的差错保护。 f i c 由快速信息块( f i b ) 组成，每个f i b 由2 5 6 净比特组成i “。 主业务数据( m s c ) 是d a b 系统中传送的真正的有用数据，即声音节目和数据业务， 每个d a b 中的绝大多数符号到安排在m s c 中。主业务数据信道( m s c ) 是时间交织的数 据信道，其中分成若干子信道，分别进行卷积编码j 1 4 , 8 j 。 2 7 本章小结 本章对d a b 信道编码原理的各关键环节进行了详细的阐述，说明了c r c 的数学原理 及实现途径；解释了卷积编码的产生过程及工作原理；阐明了冗余编码删除的原因及方法； 详细解释了时间交织的作用和产生机理。 第1 1 页