DAB发射机信道编码系统的实现Word格式文档下载.docx
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Aspeopleareenteringthedigitalage,therequirementsoftheaudioqualityandservicediversityofthebroadcastgraduallyincrease,thereforethesignalchannelcodingefficiencyhasahigherrequest.Duetotheinfluenceofthenoiseandinterferenceintherealchannel,signalswillinevitablybeaffectedandchanged,madingafterchanneltransmissionelementreceivesandsendtherearedifferencesbetweenelement,thereforethereliableinformationtransmissionisthekeyoftheresearchinthefuture.Intheprocessofhybriderrorsignalchanneltransmission,byuseoftheprincipleofconvolutionalcodingandtimeinterleavingtechnique,accordingtocertainrulestoaddsomeman-maderedundantsymbolsintheinformationtobetransmitted,constructedwiththeminimumredundancycostformaximumtheanti-jammingperformanceofgoodcode.Soapplyingthiscodingtechnique,Elementapproximateerror-freetransmissionisrealized.
Keywords:
Channelcoding;
Convolutioncoding;
Timeinterleaving
1概论
随着人们进入数字时代,对广播的声音质量和业务多样性方面的要求逐步提高,因此数字声音广播逐渐进入人们的视野。
数字音频广播(DAB-DigitalAudioBroadcasting)是继调幅、调频之后的新一代广播。
它具有发射功率小、覆盖面积大、频谱利用率高和可移动接收等有优点,同时它还是一种多媒体广播,可传递诸如声音、图像、文字、数据及活动影像等业务。
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象跳跃、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。
1.1课题背景及意义
广播是我们日常生活中的良师益友。
目前我们每天收听的调幅广播或调频广播传送的都是模拟信号属于模拟广播。
模拟广播由调制方式和带宽所决定,有很多缺点。
主要问题是传输过程中会产生噪声和失真的积累以及由电波多径传播引起衰落,严重影响传输质量。
此外,传统的模拟广播方式,大多只有声音广播业务,业务单一。
数字音频广播,属于新一代广播。
这种新的传输系统,抗干扰性能好,可以消除传输过程中的噪声和失真的积累,提高音质;
采用了纠错编码技术,传输过程中出现的差错可以被修正;
数字传输系统采用数据率压缩技术,并允许单频网(SFN)运行,大大提高了频谱利用率;
既可以用来传送声音广播节目,也可以传送数据业务、静止图象或活动图象。
随着现代通信的发展,特别是在未来4G通信网络中,高速的信息传输和可靠的信息传输是重点研究的方向。
在恶劣的环境中,信号难免会受到影响而发生改变。
可见,可靠性信息传输成为了研究的重中之重。
一般实现可靠性传输的方式有两个途径:
一是增加发送信号的功率,提高接收端的信号噪声比。
二是采用编码的方法对信道差错进行控制。
由于前者受条件限制,不是所有情况都适宜。
在1967年Viterbi译码算法的诞生,使得卷积编码广泛应用于现代通信中。
在编码器复杂度相同的情况下,卷积码的性能优于分组码。
故在GSM、IS-95系统(窄带CDMA系统)、第三代移动通信系统中都利用卷积码作为前向纠错码。
为了减小信道噪声和干扰对译码输出的影响,通常需要对信息码元进行信道编码。
信道编码在发送端对信息码元添加监督码元,在接收端利用信息码元与监督码元之间的规律,发现和纠错,以提高信息码元传输可靠性。
由于卷积码的纠错能力强,Viterbi算法计算快,效率高,所以卷积码应用与移动通信领域很广泛,特别是在卫星通信领域和蜂窝网通信系统领域占有重要地位。
1.2国内外研究现状
本论文主要研究DAB发射机信道编码系统的实现。
该部分包括卷积编码,卷积编码删除,时间交织等环节。
各部分分别完成以下功能:
DAB信道编码中卷积编码比分组编码性能优越,卷积编码中的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。
由于卷积编码引入了大量的冗余比特,因此DAB的信道编码采取可删除型卷积编码。
时间交织也即是将相邻的数据流分开传送。
从全球范围来看,数字化是广播技术发展的必然进程,而其中的数字音频广播(DAB)则将会成为继传统的调幅,调频广播之后的第三代广播。
国内外研究现状如下:
1.欧洲:
欧洲的DAB标准为EUREKA-147。
其DAB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,解决了多径传播和快移动时产生的频率选择性衰落和时间选择性衰落问题。
目前欧洲DAB频率分配任务已经完成。
已明确规定,将在2015年由DAB代替现有的FM与AM广播,到时FM与AM将停止使用。
2.美国:
美国所发展的数字广播系统,是针对FM/AM广播频率设计的,特点为带内同频技术。
其目的在于:
在该系统不改变现有调频频率规划的基础上,在同一频段内同时播出模拟和数字广播,利用现有的AM和FM频率进行覆盖。
它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。
美国国家广播制式委员会(NRSC)已批准将“带内同频技术”作为美国地面的数字音频广播的传输标准。
现在美国各调幅和调频广播电台可以在自愿的基础上,开始采用带内同频系统由模拟向数字播出方式的过度。
3.日本:
多媒体广播已成为日本政府推动广播实现数字化功能的重要方向。
日本在对欧洲和美国的制式进行反复甄别后,提出了自己的解决方案。
其最大意义在于,它可根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。
4.中国:
我国采用欧洲的EUREKA-147作为数字广播标准。
我国广播科研部门一直跟踪国际DAB的发展方向,积极参与DAB的研究,取得了重要的批研究成果。
我国广电部自1992年6月就通过了我国开展DAB重大科研的可行性报告,并从1995年开始,先后分别在北京和广东建立了DAB实验室和无线发射先导网。
广东的DAB先导网在1996年12月25日开通,1997年7月1日正式投入试播,为国家制定数字广播技术标准提出了试验数据。
目前我国已建好的DAB网有京津网,广东网,台湾和香港网,而且我国一些主要大城市已经实验开展多媒体数字广播。
1.3本论文研究内容
本论文的主要研究的是信道编码技术,信道编码处理技术是实现DAB信号高效可靠传输的关键技术。
另外本论文致力于研究及实现DAB发射端使用的信道编码方法,使用可删除型卷积码提供信道纠错保护,用时间交织减少突发干扰的影响,并增加保护间隔来克服地面广播中的多径干扰影响。
另外本论文是根据信道编码原理介绍几种类型的编码方式,信道编码完成卷积编码、卷积编码删除、时间交织、时间解交织等任务。
2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。
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。
差错保护示意图如图2-1所示。
图2-1差错保护示意图
在图2-1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:
r=m/n
(1)
公式
(1)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。
所以,要在传输通道中进行差错保护,差错保护编码信息的传输如图2-2所示。
图2-2差错保护编码信息的传输
其中,信号经过信源编码后进行信道编码,然后调制,下面就进入传输通道发送信号,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“1”。
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2-2表示了差错保护编码信息的传输过程。
通常,用比特差错率(BER)来衡量数据传输的质量,其表达式为:
BER=错误接收的比特数量/接收的总的比特数量×
100%
(2)
也即是错误接收的比特数在传输总比特数中所占的比例。
3卷积码
3.1卷积码概念
若以(n,k,m)来描述卷积码,其中k为每次输入到卷积编码器的bit数,n为每个k元组码字对应的卷积码输出n元组码字,m为编码存储度,也就是卷积编码器的k元组的级数,称m+1=K为编码约束度m称为约束长度。
卷积码将k元组输入码元编成n元组输出码元,但k和n通常很小,特别适合以串行形式进行传输,时延小。
与分组码不同,卷积码编码生成的n元组元不仅与当前输入的k元组有关,还与前面m-1个输入的k元组有关,编码过程中互相关联的码元个数为n*m。
卷积码的纠错性能随m的增加而增大,而差错率随N的增加而指数下降。
在编码器复杂性相同的情况下,卷积码的性能优于分组码。
卷积码是1955年由Elias等人提出的,是一种非常有前途的编码方法。
我们在一些资料上可以找到关于分组码的一些介绍,分组码的实现是将编码信息分组单独进行编码,因此无论是在编码还是译码的过程中不同码组之间的码元无关。
卷积码是一种有记忆编码,决定它的主要参数有编码器输入端、数据信息位、编码器输出端码元数、编码器寄存器节数。
卷积码的描述可以分为两类:
(1),解析法,可以用数学公式直接表达,包括离散卷积法、生成矩阵法、码生成多项式法。
(2),图形法,包括状态图、树图和格图。
3.2卷积码与分组码的区别
线性分组码是一类奇偶校验码,它可以由(n,k)形式表示。
编码器将一个k比特信息分组(信息矢量)转变为一个更长的由给定元素符号集组成的n比特编码分组。
当这个符号集包含两个元素(0和1),与二进制相对,称为二进制编码。
分组码是对每段k位长的信息组,以一定规则增加r=n-k个检验元,组成长为n的序列:
(cn-1,cn-2,...,c1,c0),称这个序列为码字。
在二进制情况下,信息组总共有2k个(q进制为qk个),因此通过编码器后,相应的码字也有2^k个。
称这2^k个码字集合为(n,k)分组码。
n长序列的可能排列总共有2^n种。
称被选取的2^k个n重为许用码组,其余2^n-2^k个为禁用码组。
称R=k/n为码率.
对于长度为n的二进制分组码,可以表示成(n,k),通常用于前向纠错。
在分组码中,监督位加到信息位之后,形成新码,在编码中,k个信息位,被编为n位长度,(n-k)个监督码的作用是实现检错和纠错。
k比特信息形成2^k个不同的信息序列,称为k元组(k比特序列),同样,n比特可以形成2^n个序列,称为n元组。
编码过程就是将每个k元组映射到2^n个n元组中的一个。
分组码是一一对应的编码,即2^k个k元组唯一映射到2^k个2元组,映射可以通过一个查询表实现。
对于线性码,映射当然是线性的。
卷积码和分组码的根本区别在于,它不是把信息序列分组后再进行单独编码,而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。
即进行分组编码时,其本组中的n-k个校验元仅与本组的k个信息元有关,而与其它各组信息无关;
但在卷积码中,其编码器将k个信息码元编为n个码元时,这n个码元不仅与当前段的k个信息有关,而且与前面的(m-1)段信息有关(m为编码的约束长度)。
同样,在卷积码译码过程中,不仅从此时刻收到的码组中提取译码信息,而且还要利用以前或以后各时刻收到的码组中提取有关信息。
而且卷积码的纠错能力随约束长度的增加而增强,差错率则随着约束长度增加而呈指数下降。
3.3卷积编码原理
3.3.1卷积编码的概述
卷积编码也即连环码,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。
其中的联系可以通过卷积编码器的结构图来说明。
其结构图如图3-1所示。
图3-1卷积编码器结构图
图3-1为DAB卷积编码器结构图,图中ai表示输入的比特,ai-1---ai-6表示移位寄存器,后面的数据输出x0,i---x3,i是用数据ai及ai-1---ai-6模2相加所得。
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=1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3-1中,s=6,m=1。
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1,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3-1中,4路多项式分别为:
(3)
(4)
(5)
(6)
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3-1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。
为从能量扩散模块进来的串行码流,
、
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:
(7)
(8)
(9)
(10)
图3-1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24个尾码。
3.3.2卷积编码流程
将经能量扩散进来的串行码流通过卷积编码电路输出4路数据序列。
由于输入进来的码流长度为1728比特,因此卷积输出码流每路长度均为1728比特。
当1728比特的4路输出序列产生完后,每路再产生6位尾码共计24位尾码。
卷积编码器的子流程图如图3-2所示,卷积输出表达式见公式(3)~公式(6)。
3-2卷积编码子程序流程图
3.3.3卷积编码删除
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。
图3-3卷积码删除原理图
图3-3中,首先将卷积编码器输出的并行数据X1,X2,X3,X4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X1,i,X2,i,X3,i,X4,i依次取8个数值得到输出数据矩阵为:
根据不同的差错保护类型,选择相应的删除矢量PI及编码率(等于8/8+PI),从而可得到相应编码率下的删除矢量矩阵。
以编码率8/16为例,删除矩阵为:
如表3-1所示,如果删除矩阵中的元素为1,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。
根据先进先出的原则,删除后的数据为X1,1,X2,1,X1,2,X2,2,X1,3,X2,3,X1,4,X2,4,X1,5,,X2,5,X1,6,,X2,6,X1,7,X2,7,X1,8,,X2,8。
串行码流最后24个比特(
)采用固定的删除矢量进行删除,删除矢量为VT=(1100,1100,1100,1100,1100,1100)。
删除后,得到12比特的尾部码。
对于有填充字节(PAD)的还要加入填充比特,最后输出一个字节。
表3-1删除矢量表
不同删除矢量
下的编码率
,......,
PI=1;
编码率:
8/9
11001000100010001000100010001000
PI=2;
8/10
11001000100010001100100010001000
PI=3;
8/11
11001000110010001100100010001000
PI=4;
8/12
11001000110010001100100011001000
PI=5;
8/13
11001100110010001100100011001000
PI=6;
8/14
11001100110010001100110011001000
PI=7;
8/15
11001100110011001100110011001000
PI=8;
8/16
11001100110011001100110011001100
PI=9;
8/17
11101100110011001100110011001100
PI=10;
8/18
11101100110011001110110011001100
PI=11;
8/19
11101100111011001110110011001100
PI=12;
8/20
11101100111011001110110011101100
PI=13;
8/21
11101110111011001110110011101100
PI=14;
8/22
11101110111011001110111011101100
PI=15;
8/23
11101110111011101110111011101100
PI=16;
8/24
11101110111011101110111011101110
PI=17;
8/25
11111110111011101110111011101110
PI=18;
8/26
11111110111011101111111011101110
PI=19;
8/27
11111110111111101111111011101110
PI=20;
8/28
11111110111111101111111011111110
PI=21;
8/29
11111111111111101111111011111110
PI=22;
8/30
11111111111111101111111111111110
PI=23;
8/31
11111111111111111111111111111110
PI=24;
8/32
11111111111111111111111111111111
对来自并/串转换模块的串行序列中的冗余码子进行删除,删除规则由DAB标准规定。
由源发生器产生的数据序列的传输速率为72kbit/s,长度为1728比特。
经卷积编码和并/串转换后,卷积码有效部分输出的串行码流长度为4*1728=6912比特,尾码部分输出的串行码流长度为4*6=24比特。
根据DAB标准,有效部分被分割为128比特的连续的块,每个128比特再分割成4个32比特的子块。
凡属于同一块的所有子块,都采用相同的删除矢量进行删除,删除矢量的值可从删除表查出。
删除规则为:
输入串行码流中32比特子块的元素和删除矢量VPI中相对应的元素VPI,i相比较。
如果VPI,i为0,串行码流中的元素被删除,如果VPI,
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