卷积码
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卷积码1、什么是卷积码?卷积码作为一种编码方法,是将k个信息比特编成n个比特,但k和n通常很小,因此时延小,特别适合以串行形式进行传输。
通常它更适合于前向纠错,因而对于许多实际情况它的性能优于分组码,而且运算较简单。
2、卷积码的编译原理?(1)编码原理下图示出卷积码编码器一般原理方框图。
编码器由三种主要元件构成,包括Nk级移存器、n个模2加法器和一个旋转开关。
每个模2加法器的输入端数目可以不同,它连接到一些移存器的输出端。
模2加法器的输出端接到旋转开关上。
将时间分成等间隔的时隙,在每个时隙中有k比特从左端进入移存器,并且移存器各级暂存的信息向右移k位。
旋转开关每时隙旋转一周,输出n比特(n)k)。
(2)译码原理卷积码的解码方法可以分为两类:代数解码和概率解码。
代数解码是利用编码本身的代数结构进行解码,不考虑信道的统计特性。
概率解码则是基于信道的统计特性和卷积码的特点进行计算,其中一种概率解码方法是维特比算法。
当码的约束长度较短时,它比序贯解码算法的效率更高、速度更快,目前得到广泛的使用。
维特比算法的基本原理是将接收到的信号序列和所有可能的发送信号序列比较,选择其中汉明距离最小的序列认为是当前发送信号序列。
若发送一个k位序列,则有2k种可能的发送序列。
计算机应存储这些序列,以便用作比较。
当k较大时,存储量太大,使实用受到限制。
维特比算法对此作了简化,使之能够实用。
3、与分组码相比,卷积码的优势是什么?与分组码不同的是,卷积码编码后n个码元不但与本码组的k个信息码元有关,而且与前面的N-1段信息有关,编码的过程中相互关联的码元有N*n个。
卷积码的纠错能力同样是随N的增大而增大,其差错率随N的增大而指数的下降。
在编码器相同的情况下,卷积码的性能优于分组码。
另一点不同是,分组码有严格的代数结构,但是卷积码至今没有严格的数学手段把纠错能力和码结构有机地联系起来,目前大都是采用计算机搜索来搜索好用的码组。
4、卷积码编译电路的组成结构?(1)信号发生器(2)卷积码编码器(3)信道(4)卷积码译码器参考文献:[1]通信原理(第6版)樊昌信、曹丽娜,国防工业出版社·北京,2012[2]SystemView通信仿真开发手册,孙屹,国防工业出版社,2004[3]SystemView动态系统分析及通信系统仿真设计,罗卫兵、孙桦、张捷,西安电子科技大学出版社,2001。
引言卷积码是深度空间通信系统和无线通信系统中常用的一种差错控制编码。
在编码过程中,卷积码充分利用了各码字间的相关性。
在与分组码同样的码率和设备复杂性的条件下,无论从理论上还是从实践上都证明,卷积码的性能都比分组码具有优势。
而且卷积码在实现最佳译码方面也较分组码容易。
因此卷积码广泛应用于卫星通信,CDMA数字移动通信等通信系统,是很有前途的一种编码方式。
对其进行研究有很大的现实意义。
1 、(2.1.2)卷积码的基本概念1.1(2.1.2)卷积码的结构图(2.1.2)卷积码的编码器由两级移位寄存器组成,它的存数(Q0,Q1)有四种可能:00,10,01和11,相应于编码器的四个状态S0, S1, S2和S3。
(2.1.2)卷积码编码器如图1:由图可知,该卷积码的生成多项式为于是,得到的码多项式是1.2(2.1.2)卷积码的网格图表示为了表示卷积码编码器在不同输入的信息序列下,编码器各状态之间的转移关系,以及状态转移与时间的关系,须画出编码器的网格图。
网格图是一种能清楚显示状态转移的时间依赖性状态图,因而用网格图来表示编码器的操作是很有用的。
图2表示了(2.1.2)卷积码的网格图。
图中四行小圆圈表示移位寄存器的四种状态,虚线表示输入是0时的状态转移,实线表示输入是1时的状态转移,支路上标注的码元为输出比特。
2 、(2.1.2)卷积码编码器的编程实现与仿真波形由以上分析可以发现,(2.1.2)编码器由两个模二加法器组成,分别生成、。
而此时输出的是并行数据,须经过并串转换才能输出,在用VHDL编程时,用LOAD和CLK来控制信息的输入与卷积码的产生,当LOAD为底电平时,在每个CLK的上升沿输入一位信息,并进行异或运算;当LOAD为高电平时,在CLK 的上升沿时刻,把生成的卷积码经过并串转换之后输出。
经过编译调试之后,仿真波形如图3:图中,D-IN为输入的信息位,D-OUT为输出的串行卷积码,Q为移位寄存器的内容。
卷积码将k个信息比特编成n个比特,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,卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关,还与前面的N-1段信息有关,编码过程中互相关联的码元个数为nN。
卷积码的纠错性能随N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。
1.卷积码是什么卷积码是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。
卷积码(n,k,m) 主要用来纠随机错误,它的码元与前后码元有一定的约束关系,编码复杂度可用编码约束长度m*n来表示。
一般地,最小距离d表明了卷积码在连续m段以内的距离特性,该码可以在m个连续码流内纠正(d-1)/2个错误。
卷积码的纠错能力不仅与约束长度有关,还与采用的译码方式有关。
总之,由于n,k 较小,且利用了各组之间的相关性,在同样的码率和设备的复杂性条件下,无论理论上还是实践上都证明:卷积码的性能至少不比分组码差。
2.卷积码编码原理以二元码为例,编码器如图。
输入信息序列为u=(u0,u1,…),其多项式表示为u(x)=u0+u1x +…+ulx+…。
2.7. 卷积码分组码是把k个信息比特的序列编成n个比特的码组,每个码组的n-k个校验位仅与本码组的k个信息位有关,而与其他码组无关。
为了达到一定的纠错能力和编码效率,分组码的码组长度一般都比较大。
编译码时必须把整个信息码组存储起来,由此产生的译码时延随n的增加而增加。
卷积码是另外一种编码方法,它也是将k个信息比特编成n个比特,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,卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关,还与前面的N-1段信息有关,编码过程中互相关联的码元个数为nN。
卷积码的纠错性能随N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。
但卷积码没有分组码那样严密的数学分析手段,目前大多是通过计算机进行好码的搜索。
2.7.1.卷积码的结构和描述一、卷积码的一般结构卷积码编码器的形式如图所示,它包括:一个由N段组成的输入移位寄存器,每段有k 个,共Nk个寄存器;一组n个模2和相加器,一个由n级组成的输出移位寄存器。
对应于每段k个比特的输入序列,输出n个比特。
由上图可以看到,n个输出比特不仅与当前的k个输入信息有关,还与前(N-1)k 个信息有关。
通常将N称为约束长度,(有的书的约束长度为Nn)。
常把卷积码记为:(n,k,N),当k=1时,N-1就是寄存器的个数。
二、卷积码的描述描述卷积码的方法有两类:图解法和解析表示。
图解法包括:树图、状态图、网格图解析法包括:矩阵形式、生成多项式形式。
以如下的结构说明各种描述方法。
1、树图根据上图,我们可以得到下表:2、状态图3、网格图例1, 输入为1 1 0 1 1 1 0,输出为: 11 01 01 00 01 10 01输出abcd4、生成多项式表示定义],,[1211101g g g g =,],,[2221202g g g g =则上述结构为71=g ,52=g ,这里用8进制表示21,g g⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=2101211101],,[m m m g g g c ,⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=2102221202],,[m m m g g g c 定义2212111011)(D D D g D g g D g ++=++=2222212021)(D D g D g g D g +=++=则输入信息,...,,210b b b 的多项式为....)(332210++++=b D b D b b D M 那么我们可以得到输出)()()(11D g D M D C = )()()(22D g D M D C =最终输出是)(),(21D C D C 的相同次数项的排列。