基于FPGA的移動通信中卷積碼編碼器設計

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

0 引言
數字信號在有噪聲的信道中傳輸時，由于受到干擾的影響，會發生誤碼。在設計數字通信系統時，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。若仍然不能滿足要求時，則必須采用差錯控制編碼等信道編碼技術，使誤碼率進一步降低。
卷積碼是深度空間通信系統和無線通信系統中常用的一種差錯控制編碼。在編碼過程，卷積碼充分利用了各碼字之間的相關性。卷積碼廣泛應用于衛星通信，GSM，CDMA數字移動通信等通信系統，對其進行研究具有很大的現實意義。
FPGA是可編程邏輯器件，采用FPGA等新型可編程器件進行數字系統設計，不僅使設計的電子產品達到微型化、高集成化和高可靠性，而且開發周期短、成本低、風險小。本設計采用VHDL語言并選用FPGA設計了一個(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且有效的前向糾錯碼(FEC)。卷積碼(n，k，N)主要用來糾隨機錯誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關系。卷積碼(n，k，N)將是個信息比特編為n個比特，N為約束長度。即卷積碼的當前碼元不僅與當前輸入的k個信息碼元有關，而且還與前面(N-1)個時刻輸入的信息碼元有關，卷積碼的糾錯能力不僅與約束長度有關，還與采用的譯碼方式有關。總之，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關性，在同樣的碼率和設備的復雜性條件下，無論在理論上還是實踐上都證明：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)，其一般形式為一個由N段組成的輸入移位寄存器，每段有k級；一組n個模2和相加器；一個由n級組成的輸出移位寄存器。對應于每段k個比特的輸入序列，輸出n個比特。整個編碼過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，約束長度為9，碼發生器函數為：g(1，1)=(111101011)，g(1，2)=(101110001)。對于每個輸入到編碼器的數據比特產生兩個編碼符號v1和v2，然后依次輸出；編碼符號v1，用發生器函數編碼g(1，1)，第一個輸出；編碼符號v2用發生器函數g(1，2)編碼，第二個輸出。卷積碼編碼器初始狀態為全“0”狀態。隨后第一個輸出編碼符號為發生器函數g(1，1)產生的編碼符號。
電路框圖如圖1所示。