卷积码在通信系统中的应用

卷积码在通信系统中的应用一、卷积编码的基本原理卷积码是一种前向纠错码(ForwardCorrectCode)，因为它结构简单、具有较强的纠错能力和比较简单的译码算法，在通讯、信息传输、存储等方面获得了十分广泛的应用。通常我们称一个卷积码为（n，k，m）型卷积码，其中n是指编码输出的比特数，k是指输入的信息比特数，m为编码存贮，它表示输入信息组在编码器中需存贮的单位时间，称m+1=N为编码约束度。通常（n，k，m）就是由m*k位移位寄存器和一些组合逻辑构成。图1是（2,1,6）编码器的一种结构。图1（2,1,6）编码器其中的(2,1,6)卷积编码器由一个6位移位寄存器和两个模2加(异或)运算单元组成。每次当1个新的信息比特到来，就把移位寄存器右移1位，将新比特位移入，这时两个异或运算单元重新计算新的编码比特作为编码输出。两个编码比特y0，y1与x0……x6之间的关系是：可以看出编码比特是由移位寄存器中某些位异或得来的，如果我们把参加异或的位设为1，把不参与异或的位设为0，那么对于每个编码输出就能得到一个二进制码字，例如对应y0的码字是1011011（包含x0），对应y1的码字是1111001，如果用八进制来表示那就分别是133、171，对于每个卷积编码，我们都能得到这样的码字，因此我们称这样用八进制表示的码字为卷积码的生成码字，即(133，171)。图2(2,1,2)卷积编码器状态跳转图卷积编码有各种表示方法，例如状态跳转描述、篱笆图描述和树图描述等，其中状态描述和篱笆图描述在维特比译码算法中用得比较多，树图描述主要用于序列译码算法。对照着图1，我们可以看出在卷积编码过程中，编码器内部有几个延时存储单元，这些存储单元可以看作是编码器的状态。在编码过程中，信息比特不断地输入，存储单元里的旧比特信息不断地移出，可以看作编码器的状态在不断地跳转。因此只要确定了编码器的状态和输入比特，就可以完全地确定编码输出。这就是编码过程的状态跳转描述。图2显示了当m=2，k=1时的编码状态跳转图。将编码器的状态跳转按照时间展开，将相同的状态叠在一起，就可以得到编码过程的篱笆图描述，如图3表示的m=2，k=1时编码过程的篱笆图。图3(2,1,2)码的篱笆图前面的状态图2表示了编码器的状态转换关系，但不能表示状态转移和时间的关系，篱笆或网格（Trellis）图可以表示这种状态和时间的关系。图2.3是（2，1，2）卷积码的篱笆图。横轴上每个节点表示一个时间单位，一个时间单位输入一个信息比特，为了产生结尾码字，最后还需输入2个0比特，回到全0状态。纵轴上的小圆圈表示各个可能的状态，在任一时刻最多有4种状态。实线表示输入为0的分支，虚线表示输入为1的分支，分支上的2个数字表示在当前输入下的输出子码。一段输入序列经过一系列状态转移，产生一段输出码序列，相应于网格图中的一条路径。二、应用卷积码在通信系统中的应用多种多样，如下面几个应用：1、低码率卷积码应用于扩频通信系统2、VD及VLSI的实现3、卷积码UEP方案用于分等级传输4、语音压缩5、卷积码纠错用于多媒体广播系统下面具体说说卷积码在WCDMA系统中的应用：WCDMA为欧洲ETSI提出的宽带CDMA技术，它与日本ARIB（AssociationofRadioIndustriesandBusinesses）提出的宽带CDMA技术基本相同，双方的标准化组织经过进一步的融合形成了欧日统一的第三代移动通信无线接口建议WCDMA。第三代系统与第二代相比，需要提供的业务种类大大增加，这就对信道编码提出了更高的要求。设计信道编码方案，不仅要从用户业务的要求考虑，如信息的准确度、允许的延时等，也应从提高系统增益的全局优化的角度出发，与分集接收、改进调制解调方法、系统的经济性等其他因素综合考虑。当然，决定信道编码性能最基本的问题是它的差错控制方案。WCDMA传输信道提供两类差错控制方案：前向纠错（FEC）和自动重发请求（ARQ）。FEC是作为无线业务最基本的差错控制方式，ARQ作为一种补充方式。在WCDMA的提议中，建议采用三种纠错编码：卷积码、Turbo码和业务专用编码。其中，卷积码用于误码率BER=10-3级别的业务，典型的有传统的话音业务。图41/2码率卷积码编码器卷积码采用(2,1,9)码，生成多项式为G=[561753]，该编码器如图4所示；同时，也支持卷积码(3,1,9)，生成多项式为G=[557663711]，编码器与IS-95中的一致。这两种卷积码均是计算机搜索得到的好码。卷积码一般用于包括语音业务在内的速率相对较低的业务。