基于FPGA的移動(dòng)通信中卷積碼編碼器設計

摘要：卷積碼是一種性能優(yōu)良的差錯控制編碼。介紹了卷積碼編碼原理，基于FPGA利用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現了一個(gè)(2，1，9)卷積碼編碼器。給出了仿真結果，并在FPGA器件上驗證實(shí)現。仿真及測試結果表明，達到了預期的設計要求，并用于實(shí)際項目中。
關(guān)鍵詞：卷積碼；編碼器；現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；VHDL

0 引言
數字信號在有噪聲的信道中傳輸時(shí)，由于受到干擾的影響，會(huì )發(fā)生誤碼。在設計數字通信系統時(shí)，首先應合理設計基帶信號，選擇調制、解調方式，并采用均衡措施等，使誤碼率達到指標要求。若仍然不能滿(mǎn)足要求時(shí)，則必須采用差錯控制編碼等信道編碼技術(shù)，使誤碼率進(jìn)一步降低。
卷積碼是深度空間通信系統和無(wú)線(xiàn)通信系統中常用的一種差錯控制編碼。在編碼過(guò)程，卷積碼充分利用了各碼字之間的相關(guān)性。卷積碼廣泛應用于衛星通信，GSM，CDMA數字移動(dòng)通信等通信系統，對其進(jìn)行研究具有很大的現實(shí)意義。
FPGA是可編程邏輯器件，采用FPGA等新型可編程器件進(jìn)行數字系統設計，不僅使設計的電子產(chǎn)品達到微型化、高集成化和高可靠性，而且開(kāi)發(fā)周期短、成本低、風(fēng)險小。本設計采用VHDL語(yǔ)言并選用FPGA設計了一個(gè)(2，1，9)卷積碼編碼器。

1 卷積碼編碼器原理
卷積碼是1955年由Elias等人提出的一種十分常見(jiàn)且有效的前向糾錯碼(FEC)。卷積碼(n，k，N)主要用來(lái)糾隨機錯誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關(guān)系。卷積碼(n，k，N)將是個(gè)信息比特編為n個(gè)比特，N為約束長(cháng)度。即卷積碼的當前碼元不僅與當前輸入的k個(gè)信息碼元有關(guān)，而且還與前面(N-1)個(gè)時(shí)刻輸入的信息碼元有關(guān)，卷積碼的糾錯能力不僅與約束長(cháng)度有關(guān)，還與采用的譯碼方式有關(guān)?？傊?，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關(guān)性，在同樣的碼率和設備的復雜性條件下，無(wú)論在理論上還是實(shí)踐上都證明：卷積碼的性能至少不比分組碼差。

2 卷積碼編碼器設計
2．1 編碼設計原理
卷積碼(n，k，N)，其一般形式為一個(gè)由N段組成的輸入移位寄存器，每段有k級；一組n個(gè)模2和相加器；一個(gè)由n級組成的輸出移位寄存器。對應于每段k個(gè)比特的輸入序列，輸出n個(gè)比特。整個(gè)編碼過(guò)程可以看成是輸入信息序列與由移位寄存器與模2和連接方式所決定的另一個(gè)序列的卷積。
本設計的卷積碼是(2，1，9)，編碼效率是1／2比率，約束長(cháng)度為9，碼發(fā)生器函數為：g(1，1)=(111101011)，g(1，2)=(101110001)。對于每個(gè)輸入到編碼器的數據比特產(chǎn)生兩個(gè)編碼符號v1和v2，然后依次輸出；編碼符號v1，用發(fā)生器函數編碼g(1，1)，第一個(gè)輸出；編碼符號v2用發(fā)生器函數g(1，2)編碼，第二個(gè)輸出。卷積碼編碼器初始狀態(tài)為全“0”狀態(tài)。隨后第一個(gè)輸出編碼符號為發(fā)生器函數g(1，1)產(chǎn)生的編碼符號。
電路框圖如圖1所示。