卷积交织器原理及FP6A实现

２０１０年第１期　（总第１２５期）　大众科技　ＤＡＺＨＯＮＧ　ＫＥ　Ｊ　Ｎｏ．１。２０１０　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ。１　２５）　卷积交织器原理及ＦＰ６Ａ实现　杜丽娟徐健　（莱芜职业技术学院，山东莱芜２７１１００）　【摘一要】介绍了信道编码中所采用的前向纠错编码（ＦＥｃ）方案中的重要技术——卷积交织器的原理，并在此基础上提出了　种ＶＨＤＬ设计和ＦＰＧＡ实现方案，给出了具体的实现方法，该方法具有实现简单和占用资源少的优点。　【关键词】前向纠错编码；卷积交织；硬件描述语言；现场可编程门阵列　【中图分类号】ＴＮ９１１．２２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１ＯＯ８—１１５１（２０１ｏ）Ｏ卜∞１３—０２　通过对卷积交织、去交织工作流程分析可以得出卷积交　织器有以下性质：　１．数据经过交织器与去交织器所产生总延迟：Ｄ＝Ｂ（Ｂ—１）Ｍ　个符号周期。　２．交织器或去交织器所需的存储容量：Ｓ＝ｔ３（Ｂ－－１）Ｍ／２个　符号单元。　３．交织器的两个相邻的输入数据经过交织器后，出现在　输出端时其间隔增加为ＢＭ个符号周期，交织器输入端任何间　隔低于ＢＭ个符号的两个符号，在交织器输出端最小问隔为Ｂ　个符号。　４．若由于信道的干扰产生的突发性错误小于交织深度Ｂ　个错误，经过去交织后在输入到分组码的输入端上因突发错　（一）引言　数字信号在传输过程中通常总会遇到各种干扰而使信号　失真，致使接收端收到错误的信息序列，此时纠错编码技术　就显得尤为重要，但是在大部分实际信道如：短波，散射等　信道中，不可避免地会产生突发性错误，要想纠正这类错误　需要很长的码字，这样就会增加编译码器结构的复杂性，同　时也会产生较大的时延。所以可以在信道编码后加入交织技　术，使得突发错误被离散成随机错误，接收端就可以用较短　的码字进行纠错。加上交织后，系统的纠错性能可以提高好　几个数量级。而且交织不会引入兀余码，所以也就不会降低　频谱利用率。所以在现在的高效编码调制技术中，无论是级　联编码还是Ｔｕｒｂｏ编码中都使用了交织器。　（二）卷积交织器原理　图１是‘种卷积交织器的结构示意图。　误被打散使得信息流中仅出现单个错误。　５．数据按行写入移位寄存器，而按列读出，每次写入和　读出都是一个符号，写入和读出在时间上同步的。　而移动卫星通信系统中，在进行语音、数据和传真等业　务时，为了充分利用卫星资源，所使用的传输速率较低，业　务处理的时间较长，这就要求交织处理时间越短越好。卷积　二　五二　　．交织技术可以在相同误码率的情况下比分组交织少用一半的　延迟时间，这在移动卫星系统中十分重要。　图１　卷积交织器和去交织器示意图　（三）卷积交织实现方法　卷积实现最直观、最简单的方法就是每条延迟支路用　ＦＩＦ０移位寄存器来实现，通常称之为移位寄存器法。采用这　种方法，交织和去交织共需寄存器：　Ｓ＝Ｂ（Ｂ一１）Ｍｍ／２其中ｍ为符号的比特数　（３）　通过示意图我们可以看出卷积交织器的工作过程：交织　器的输入端的输入符号数据按顺序分别进入Ｂ条支路延迟器，　每～一路延迟不同的符号周期，第一路无延迟，第二路延迟Ｍ　个符号周期，第三路延迟２Ｍ个符号周期……，第Ｂ路则延迟　（Ｂ一１）Ｍ的符号周期。与此同时交织器的输出端按输入端的节　拍分别同步输出对应支路经过延迟的数据，这样就完成了整　个卷积交织过程而且可以得出卷积交织每条支路符号数据的　延时节拍为：　由此可见，如果交织是符号交织或者Ｂ、Ｍ很大时，这种　方法所需要的寄存器数量是非常可观的，而对于ＦＰＧＡ来说寄　存器资源是非常宝贵的，代价也是昂贵的。所以就要想方设　法用其它资源来代替这里的ＦＩＦ０，ＦＰＧＡ内部的ＲＡＭ正好可以　满足这个功能。这种方法就是将移位寄存器法中的各个支路　的ＦＩＦ０延迟采用ＲＡＭ来实现，通过控制ＲＡＭ的读写来实现　ＦＩＦ０功能。ＦＩＦＯ移位存储器的工作过程可以用图２来说明，　图中两个箭头表示数据移动的方向，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ……表示待　ｄ　：（ｆ－１）ＭＢ　ｌ，２，．口　ｒ　１、　而去交织器的结构与交织器相反即各个支路的延迟数与　交织器相反，第一路延迟（Ｂ一１）Ｍ的符号周期，第二路延迟　（Ｂ～２）Ｍ的符号周期，第三路延迟（Ｂ一３）Ｍ的符号周期，……第　Ｂ路　处理的数据，１、２……８代表Ｄ触发器。在每一个时钟的上升　沿数据都向右移动一个单元，这样可以看出Ａ数据要从输入　到输出，延迟了８个时钟周期。同样为了说明ＲＡＭ实现ＦＩＦ０　功能的操作过程，我们画了图３示意图。为了模仿ＦＩＦＯ功能，　读地址比写地址超前一个指针数（如图３所示）即在第ｎ个　则无延迟。同样可以得出卷积去交织每条支路延迟为：　＝（曰一ｉ）ＭＢ　ｉ：１，２，…Ｂ　ｒ９、　【收稿日期】２００９—１１—０６　【作者简介】杜丽娟（１９６６一），女，山东莱芜人，莱芜职业技术学院信息工程系教授，研究方向为通信和电子技术。　一Ｉ３．　时钟向ＲＡＭ中的第ｋ－１个地址单元写入数据，同时从第ｋ个　单元读出数据：在第ｎ＋１个时钟向ＲＡＭ中的第ｋ个单元写数　据，同时从第ｋ＋１个存储器单元读数据。这里的读写时钟都　是同步执行的，这样在时钟控制下执行所有的操作。系统开　始工作将数据Ａ写入单元ｌ，同时从单元２读出一个初始数据，　下一个时钟单元２将写入Ｂ数据，同时从单元３读出一个初　始数据，依次重复直至第８个时钟来临，数据写入到单元８　里，同时读地址指向了单元１并从其读出第一时刻写入的数　块内部的时钟增加一倍，功耗增加。因此有必要对交织器的　结构做一些优化，根据方案的原理工作流程描述可知：交织　器的第１、３、５支路始终输入的是来自卷积编码器的１支路，　而交织器的第２、４、６支路始终输入的是来自卷积编码器的Ｑ　支路，同样交织器的第ｌ、３、５支路输出始终是送至调相器　的１支路，第２、４、６支路输出始终是送至调相器的Ｑ支路，　由此我们可以对来自卷积编码器的两路Ｉ、Ｑ信息分别进行交　织处理，只是此时的交织器结构要做相应的调整。对１支路　信息的等价交织器结构：第一路无延迟，第二路延迟２Ｍ个符　号周期，第三路延迟４Ｍ个符号周期，具体的结构如图５所示：　据Ａ，由此可以看出数据Ａ从输入到输出同样延迟８个时钟周　期，所以得出结论：图３和图２所示结构是同构的。　…一．ｏ，ｃ．¨　］丑丑工王工正＝】＿　图２　ＦＩＦＯ移位寄存器操作过程　≯　————璧兰　———●　－——————一　编码器１支路信息　４Ｍ＝８　Ｌ——・　一；意写地址一　１　２　读地址　３　４　５　６　７　８　图３　ＲＡＭ模仿ＦＩＦＯ功能的操作过程　用ＲＡＭ来实现交织主要集中在读写地址的实现上，不仅　要有利于找到地址的变化规律，而且要易于电路实现。ＲＡＭ　读写地址产生一种办法就是将读写地址映射到ＲＯＭ里，另一　种办法就是通过电路计算得到读写地址。　（四）卷积交织器设计与实现　下面我们以Ｍ＝２，Ｂ＝６为对象来说明工程中交织器的实现　过程。卷积交织参数设置为Ｍ＝２，Ｂ＝６，延迟时间为ＭＢ（Ｂ一１）。　同时为保证通信双方顺利通信，两者的交织器初始状态必须　保持一致，所以在每帧结束后，交织器应设置如图４所示的　初始状态。　图４交织器的初始状态　交织器的初始状态如上图所示，其输入的第一个码元来　自卷积编码器的１支路，第二个码元来自卷积编码器的Ｑ支　路，第三个码元来自１支路，第四个来自Ｑ支路，……其它　依次类推，而交织器的输出则是第一个码元送至调制器的１　支路，第二个码元送至Ｑ支路，第三个码元送至１支路，第　四个送至Ｑ支路，……其它依次类推。因卷积编码器输出为Ｉ、　Ｑ两路，而卷积交织器输入只有一路（由Ｉ、Ｑ两路并串转换），　同时调制器需要Ｉ、Ｑ两路信号，但卷积交织输出却只有一路。　如按原方案提供的原理结构来设计，那么在卷积交织前需要　做并串转换，同时在卷积交织之后还要做串并转换。这样设　计不但增加了控制的复杂度、逻辑资源的耗用，同时也使模　．１４．　图５　１支路信息的等价交织器　同样对于Ｑ支路类似，其等价交织器结构：第一路延迟Ｍ　个符号周期，第二路延迟３Ｍ个符号周期，第三路延迟５Ｍ个　符号周期；　５Ｍ＝１０　Ｌ＿＋　图６　Ｑ支路信息的等价交织器　根据等价的交织器结构图设计卷积交织器，由前面分析　可知Ｍ、Ｂ较小时采用ＦＩＦＯ移位寄存器实现比较简单，而且　这里的交织器是比特交织，所以只需要寄存器：　Ｓ：Ｂ（Ｂ一１）Ｍｍ／２＝６　（６—１）｝２，Ｉｃ１／２＝３０　（４）　因此交织器就不采用ＲＡＭ实现方案，直接用触发器来实　现。具体实现可以先按照结构图用触发器实现每一条延迟支　路，然后根据状态机（即图示中的开关）状态决定输入信号　输入哪条支路上（在硬件电路上表示就是一个三选一的数据　选择器），与此同时输出该支路的现存信息中最先输入的信　息。状态机初始化在第一条支路上。用ＶＨＤＬ利用状态机实现　１支路等价交织器，模块如图７所示：ｃｌｋ是码率的时钟，ｒｅｓｅｔ　是异步复位信号（低电平有效），ｅｎａｂｌｅ是模块的使能信号（高　电平有效）＇ｄａｔｉｉ是来自卷积编码器的１支路信息（１ｂｉｔ），　ｄａｔｉ０是送到调相器的１支路信息（１ｂｉｔ）。模块在异步复位　信号ｒｅｓｅｔ作用下，使模块处于初始状态即数据选择器连接　第一条支路，当模块使能信号有效后，每个时钟ｃｌｋ的上升　沿读出当前支路的ＦＩＦＯ数据到ｄａｔｉ０、写入输入信息ｄａｔｉ　ｉ　到当前支路的ＦＩＦＯ中，直至模块使能信号ｅｎａｂｌｅ变低。　工ｎｔｅｒ１ｅａｖｅｒ工　图７　１支路的等价交织器模块图　（下转第１２页）　产品，针对网络中所有可能的病毒攻击点设置对应的防病毒　软件，通过全方位、多层次的防病毒系统的配置，通过定期　或不定期的自动升级，及时为每台客户端计算机打好补丁，　６．ＩＰ盗用问题的解决。在路由器上捆绑ＩＰ和ＭＡＣ地址。　当某个ＩＰ通过路由器访问Ｉｎｔｅｒｎｅｔ时，路由器要检查发出　加强日常监测，使网络免受病毒的侵袭。　３．配置防火墙。利用防火墙，在网络通讯时执行一种访　问控制尺度，允许防火墙同意访问的人与数据进入自己的内　部网络，同时将不允许的用户与数据拒之门外，最大限度地　阻止网络中的黑客来访问自己的网络，防止他们随意更改、　移动甚至删除网络上的重要信息。防火墙是一种行之有效且　应用广泛的网络安全机制，防止Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的不安全因素蔓　延到局域网内部，根据不同网络的安装需求，做好防火墙内　服务器及客户端的各种规则配置，更加有效利用好防火墙。　这个ＩＰ广播包的工作站的ＭＡＣ是否与路由器上的ＭＡＣ地址表　相符，如果相符就放行。否则不允许通过路由器，同时给发　出这个ＩＰ广播包的工作站返回一个警告信息。　７．利用网络监听维护子网系统安全。对于网络外部的入　侵可以通过安装防火墙来解决，但是对于网络内部的侵袭则　无能为力。在这种情况下，我们可以采用对各个子网做一个　具有一定功能的审计文件，为管理人员分析自己的网络运作　状态提供依据。设计一个子网专用的监听程序。该软件的主　要功能为长期监听子网络内计算机间相互联系的情况，为系　统中各个服务器的审计文件提供备份。　网络安全与网络的发展戚戚相关。网络安全是一个系统　的工程，不能仅依靠、杀毒软件、防火墙、漏洞检测等等硬　件设各的防护，还要意识到计算机网络系统是一个人机系统，　安全保护的对象是计算机，而安全保护的主体则是人，应重　视对计算机网络安全的硬件产品开发及软件研制，建立一个　好的计算机网络安全系统，也应注重树立人的计算机安全意　４．采用入侵检测系统。入侵检测技术是为保证计算机系　统的安全而设计与配置的一种能够及时发现并报告系统中未　授权或异常现象的技术，是一种用于检测计算机网络中违反　安全策略行为的技术。在入侵检测系统中利用审计记录，入　侵检测系统能够识别出任何不希望有的活动，从而达到限制　这些活动，以保护系统的安全。政府机关、事业单位网络中　心，应采用入侵检测技术，最好采用混合入侵检测，在网络　中同时采用基于网络和基于主机的入侵检测系统，则会构架　识，才可能把出现的损失降低到最低点，才能生成一个高效、　安全的网络系统。　【参考文献】　成一套完整立体的主动防御体系，有的入侵检测设备可以同　防火强进行联动设置。　５．漏洞扫描系统。解决网络层安全问题，首先要清楚网　络中存在哪些安全隐患、脆弱点。面对大型网络的复杂性和　不断变化的情况，仅仅依靠网络管理员的技术和经验寻找安　全漏洞、做出风险评估，显然是不现实的。解决的方案是，　寻找一种能查找网络安全漏洞、评估并提出修改建议的网络　安全扫描工具，利用优化系统配置和打补丁等各种方式最大　可能地弥补最新的安全漏洞和消除安全隐患。在要求安全程　度不高的情况下，可以利用各种黑客工具，对网络模拟攻击　从而暴露出网络的漏洞。　‘、（、‘　、ｃ　、‘、‘　、‘　、‘　、‘　、‘、ｔ　、‘　、‘　［１】吴小明，彭自成．计算机网络基础【Ｍ】．清华大学出版社．　【２】林成春．计算机网络『Ｍ】冲央广播电视大学出版社．　ｆ３】刘敏涵，等．计算机网络技术『Ｍ『．西安电子科技大学出版社，　【４¨美】ＤｏｕｇｌａｓＥ．Ｃｏｍｅｒ．计算机网络与互联网［Ｍ】．电子工业出　版社．　【５】黄翠仙．厦门市气象局网络的ＶＬＡＮ设计Ｕ１．广西气象，　２００５（１）．　、‘、‘　、‘　、‘　、‘　、‘、‘　、‘　、‘、‘、‘、‘、‘　、　（上接第１４页）　同样的方法可以设计出Ｑ支路的等价交织器，模块的输　入、输出和１支路交织器类似，模块的工作方式也完全相同，　在此就不再重复。　Ｉ　ｒｅｓｅｌ　－ｐ－ｅｎａｂｌｅ　口Ｐ＿Ｄａｌ０ｊ　］ｎ　ｎ厂］　（五）仿真验证　下面我们根据等价交织器的原理用ｍａｔｌａｂ　编制一个验　证程序来验证ＶＨＤＬ设计的正确性，验证的过程即用相同的信　日　ｃＩｋ　ＤａｔＯ『Ｕ帆１』０ｎ１１１　０１１１哪　１１１１　咖ｎ　唧ｍ唧叫Ｗ　几ｎ　ｎ　几几　ｏ　息序列分别经过ｍａｔｌａｂ交织仿真和ｍａｘｐｌｕｓＩＩ交织仿真，比　较两者的仿真结果是否一致。　设验证选用的仿真信息：序列１支路为（Ｉ　１　０　０　１　０　１　０　０　Ｉ），Ｑ支路为（１　０　０　１　０　ｌ　０　０　１　１）。经过ｍａｔｌａｂ　Ｍ＝２，Ｂ＝６　交织后得到结果：　１支路（１　０　０　０　０　０　ｌ　０　０　ｌ　０　０　０　ｌ　０　０　ｌ　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０）　图９　０支路的等价交织器的仿真结果　由两者结果比较可以验证该设计是正确的。　【参考文献】　［１】徐元欣，王匡，仇佩亮．实现卷积交织的几种实用方法Ｕ１．电　Ｑ支路（０　０　０　０　０　０　ｌ　０　０　１　０　０　０　０　０　ｌ　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　０　１　０　０　１　０）　而经过ｍａｘｐｌｕｓＩＩ交织仿真结果见图８和图９所示：　路与系统学报，２００１（１）：７—１２．　ｆ２１范寒柏，宋文妙．数据通信中交织与解交织的ＦＰＧＡ实现田．　华北电力大学学报，２００２（２）：８４—８７．　［３】范艳根，任思－用ＦＰＧＡ实现ＴＥＴＲＡ数字集群通信系统语　音信道编码中的交织器【『１．现代电子技术，　２００３（２３）：３９—４０，４３．　［４】蒲锦先．用块ＲＡＭ实现卷积交织解交织　电子设计应　用．２００３（４）：２４—２５．　［５】张志涌．精通Ｍａｔｌａｂ　６．５版【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出　—ＥＦ　Ｄａ　０　版社．２００３．　图８　１支路的等价交织器的仿真结果　．１２一