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数字通信原理实验箱卷积编码实验

  
 
一、实验目的
1.学习差错控制编码的基本概念
2.掌握差错控制编码中最流行的卷积码的编码方法。

二、数字通信原理实验箱卷积编码实验原理
1.差错控制编码的基本概念
信道就是信息传输和存储的媒介,在实际信道上传输数字信号时,由于信道传输特性不理想及噪声的影响,所收到的数字信号不可避免的会发生错误。为了在已知信噪比的情况下达到一定的误比特率指标,首先应合理设计基带信号,选择调制解调方式,采用频域均衡和时域均衡使误比特率尽可能地降低。但若误比特率仍不能满足要求,则必须采用信道编码,即差错控制编码,将误比特率进一步降低,以满足指标要求。
差错控制编码的基本做法是:在发送端,被传输的信息序列上被附加了一些监督码元,这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系,一旦传输过程中发生差错,则信息码元与监督码元之间的关系将受到破坏,从而可以发现错误,纠正错误。
在上述差错控制系统中使用的信道编码有多种类型,在数据编码技术的实际应用中,二进制卷积码最值得注意,在同样的传输速度和设备复杂性条件下,卷积码的性能也较优。
2.卷积码的编码
卷积码编码器的一般形式如下图所示,包括一个由N段组成的输入移位寄存器,每段有K级,共N×k位寄存器;一组n个模2和相加器;一个n级输出移位寄存器。对应于
     
卷积码编码器的一般情况

图5-1 卷积码编码器的一般情况

每段K个比特的输入序列,输出n个比特。
由上图所示,n个输出比特不但与当前的K个输入比特有关,而且与以前(N-1)×k个输入信息比特有关。整个编码过程看成是输入信息序列与由移位寄存器和模2和连接方式所决定的另一个序列的卷积,卷积码即由此得名。通常把N称为约束长度(约束长度的定义并无统一标准,有的书和文献中把N×n或(N-1)称为约束长度)。常把卷积码记作(n,K,N)。它的编码效率为K/n。描述卷积码的方法有两种,解析表示和图解表示。以图5-2所示的(2,1,3)卷积码为例介绍这两种表示方法。
(2,1,3)卷积码编码器如图5-2所示,图中的加号为模2和。
卷积码的图解表示有树状图、网格图和状态图3种。树状图表示法这里不详细介绍。


卷积码编码器
       图5-2  (2,1,3)卷积码编码器

网格图
如图5-2所示的卷积码,网络图中的实线对应于输入比特0,虚线对应于输入比特1,如图5-3所示。网络图中支路上标注的码元为输出比特,自上而下4行节点分别表示a,b,
    

卷积码网格图
图5-3  (2,1,3)卷积码网格图
c,d等4种状态。一般情况下应有 种状态,从第N节(从左向右记数)开始,

卷积码状态图
图5-4  (2,1,3)卷积码状态图

网络图图形开始重复,而且完全相同。

状态图
取出已达到稳定状态的一节图格,得到图5-4所示的状态图。再把目前状态与下一行状态重叠起来,即可得到反应状态转移的状态图。
当给定输入信息序列和起始状态时,可以用上述3种图解表示法的任何一种,来找出输出序列和状态变化路径。
3、例:卷积码编码器如图5-2所示,若起始状态为a,输入序列为1101 1100 1000 1100
1100,求输出序列和状态变化路径。
解:由卷积码的网格图表示,找出编码时网格图中的路径如图5-5所示,由此可得到输出序列和状态变化路径。
  卷积码的编码过程和路径     
图5-5   (2,1,3)卷积码的编码过程和路径

4、用单片机AT89C2051(U401)实现8位序列的卷积编码,如图5-6所示。8位输入序列由拨线开关(SW401)的第1-8设置,由单片机AT89C2051的P1口读入,并从DATA3(见TP401,SW401设置的数据)引脚循环串行输出,可用示波器观察该8位输入信号;在对8位输入序列进行编码时,增加了1位起始位为1,2位停止位00,因此是对11位序列进行卷积编码,编码后为22位输出序列,由DATA1端(见TP402)循环输出,为了观察方便,在22位输出序列后再连续输出10位0,因此DATA1输出信号(见TP402)的周期为32位,大家注意,DATA1信号的输出速率是DATA3信号(见TP401)输出速率的2倍。
拨线开关(SW401)的第9位的状态设置是否人为产生误码,由P3.7读入,当状态为0时,不产生误码,卷积码输出端DATA1(见TP402)和有误码卷积码的输出端DATA2的输出信号(见TP403)完成一样;当状态为1时,人为地把已编码好的卷积码(由DATA1端输出)的某一位取反后,由DATA2端输出见(TP403)。这时DATA1和DATA2的信号有一位不一致。可用示波器观察比较DATA1(TP402)和DATA2(TP403)上的信号。

三、实验步骤及内容
1.设置拨线开关。
把拨线开关(SW401)的第1-8设置输入序列为0DCH(开关拨到上面为1,下面为0)。
2.对8位输入序列进行卷积码的编码。
若起始状态为a,由实验原理中所述的方法得出输出序列和状态变化路径。
3.系统对8位输入序列0DCH增加一位起始位1和两位停止位00后的11位序列进行卷积编码(波形见TP401),由实验原理中所述的方法得出输出序列。
4.设置拨线开关的第9位状态为1(即开关拨到上面),不产生误码。用双踪示波器观察DATA1(见TP402)和DATA2(见TP403)两端的信号是否一样;与3、中得出的输出序列进行比较,是否一样。
5.设置拨线开关的第9位状态为0(即开关拨到下面),产生误码。用双踪示波器观察DATA1和DATA2两端的信号是否一样;若不一样,观察是第几位不一样。
6.用双踪示波器观察DATA1(见TP402)和DATA3(见TP401)信号的输出速率(每秒多少比特位)分别是多少?
用单片机AT89C2051进行卷积编码电路图
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