教學設(shè)備

一、實驗目的
1.學習差錯控制編碼的基本概念
2.掌握差錯控制編碼中最流行的卷積碼的編碼方法。

二、數(shù)字通信原理實驗箱卷積編碼實驗原理
1.差錯控制編碼的基本概念
信道就是信息傳輸和存儲的媒介，在實際信道上傳輸數(shù)字信號時，由于信道傳輸特性不理想及噪聲的影響，所收到的數(shù)字信號不可避免的會發(fā)生錯誤。為了在已知信噪比的情況下達到一定的誤比特率指標，首先應合理設(shè)計基帶信號，選擇調(diào)制解調(diào)方式，采用頻域均衡和時域均衡使誤比特率盡可能地降低。但若誤比特率仍不能滿足要求，則必須采用信道編碼，即差錯控制編碼，將誤比特率進一步降低，以滿足指標要求。
差錯控制編碼的基本做法是：在發(fā)送端，被傳輸?shù)男畔⑿蛄猩媳桓郊恿艘恍┍O(jiān)督碼元，這些多余的碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)。接收端按照既定的規(guī)則檢驗信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸過程中發(fā)生差錯，則信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系將受到破壞，從而可以發(fā)現(xiàn)錯誤，糾正錯誤。
在上述差錯控制系統(tǒng)中使用的信道編碼有多種類型，在數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的實際應用中，二進制卷積碼最值得注意，在同樣的傳輸速度和設(shè)備復雜性條件下，卷積碼的性能也較優(yōu)。
2.卷積碼的編碼
卷積碼編碼器的一般形式如下圖所示，包括一個由N段組成的輸入移位寄存器，每段有K級，共N×k位寄存器；一組n個模2和相加器；一個n級輸出移位寄存器。對應于
     


圖5-1 卷積碼編碼器的一般情況

每段K個比特的輸入序列，輸出n個比特。
由上圖所示，n個輸出比特不但與當前的K個輸入比特有關(guān)，而且與以前（N-1）×k個輸入信息比特有關(guān)。整個編碼過程看成是輸入信息序列與由移位寄存器和模2和連接方式所決定的另一個序列的卷積，卷積碼即由此得名。通常把N稱為約束長度（約束長度的定義并無統(tǒng)一標準，有的書和文獻中把N×n或（N-1）稱為約束長度）。常把卷積碼記作（n，K，N）。它的編碼效率為K/n。描述卷積碼的方法有兩種，解析表示和圖解表示。以圖5-2所示的（2,1,3）卷積碼為例介紹這兩種表示方法。
（2,1,3）卷積碼編碼器如圖5-2所示，圖中的加號為模2和。
卷積碼的圖解表示有樹狀圖、網(wǎng)格圖和狀態(tài)圖3種。樹狀圖表示法這里不詳細介紹。



       圖5-2  （2，1，3）卷積碼編碼器

網(wǎng)格圖
如圖5-2所示的卷積碼，網(wǎng)絡(luò)圖中的實線對應于輸入比特0，虛線對應于輸入比特1，如圖5-3所示。網(wǎng)絡(luò)圖中支路上標注的碼元為輸出比特，自上而下4行節(jié)點分別表示a，b，
    


圖5-3  （2，1，3）卷積碼網(wǎng)格圖
c，d等4種狀態(tài)。一般情況下應有 種狀態(tài)，從第N節(jié)（從左向右記數(shù)）開始，


圖5-4  （2，1，3）卷積碼狀態(tài)圖

網(wǎng)絡(luò)圖圖形開始重復，而且完全相同。

狀態(tài)圖
取出已達到穩(wěn)定狀態(tài)的一節(jié)圖格，得到圖5-4所示的狀態(tài)圖。再把目前狀態(tài)與下一行狀態(tài)重疊起來，即可得到反應狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)圖。
當給定輸入信息序列和起始狀態(tài)時，可以用上述3種圖解表示法的任何一種，來找出輸出序列和狀態(tài)變化路徑。
3、例：卷積碼編碼器如圖5-2所示，若起始狀態(tài)為a，輸入序列為1101 1100 1000 1100
1100，求輸出序列和狀態(tài)變化路徑。
解：由卷積碼的網(wǎng)格圖表示，找出編碼時網(wǎng)格圖中的路徑如圖5-5所示，由此可得到輸出序列和狀態(tài)變化路徑。
       
圖5-5   （2,1,3）卷積碼的編碼過程和路徑

4、用單片機AT89C2051（U401）實現(xiàn)8位序列的卷積編碼，如圖5-6所示。8位輸入序列由撥線開關(guān)（SW401）的第1-8設(shè)置，由單片機AT89C2051的P1口讀入，并從DATA3（見TP401，SW401設(shè)置的數(shù)據(jù)）引腳循環(huán)串行輸出，可用示波器觀察該8位輸入信號；在對8位輸入序列進行編碼時，增加了1位起始位為1，2位停止位00，因此是對11位序列進行卷積編碼，編碼后為22位輸出序列，由DATA1端（見TP402）循環(huán)輸出，為了觀察方便，在22位輸出序列后再連續(xù)輸出10位0，因此DATA1輸出信號（見TP402）的周期為32位，大家注意，DATA1信號的輸出速率是DATA3信號（見TP401）輸出速率的2倍。
撥線開關(guān)（SW401）的第9位的狀態(tài)設(shè)置是否人為產(chǎn)生誤碼，由P3.7讀入，當狀態(tài)為0時，不產(chǎn)生誤碼，卷積碼輸出端DATA1（見TP402）和有誤碼卷積碼的輸出端DATA2的輸出信號（見TP403）完成一樣；當狀態(tài)為1時，人為地把已編碼好的卷積碼（由DATA1端輸出）的某一位取反后，由DATA2端輸出見（TP403）。這時DATA1和DATA2的信號有一位不一致�？捎檬静ㄆ饔^察比較DATA1（TP402）和DATA2（TP403）上的信號。

三、實驗步驟及內(nèi)容
1.設(shè)置撥線開關(guān)。
把撥線開關(guān)（SW401）的第1-8設(shè)置輸入序列為0DCH（開關(guān)撥到上面為1，下面為0）。
2.對8位輸入序列進行卷積碼的編碼。
若起始狀態(tài)為a，由實驗原理中所述的方法得出輸出序列和狀態(tài)變化路徑。
3.系統(tǒng)對8位輸入序列0DCH增加一位起始位1和兩位停止位00后的11位序列進行卷積編碼（波形見TP401），由實驗原理中所述的方法得出輸出序列。
4.設(shè)置撥線開關(guān)的第9位狀態(tài)為1（即開關(guān)撥到上面），不產(chǎn)生誤碼。用雙蹤示波器觀察DATA1(見TP402)和DATA2(見TP403)兩端的信號是否一樣；與3、中得出的輸出序列進行比較，是否一樣。
5.設(shè)置撥線開關(guān)的第9位狀態(tài)為0（即開關(guān)撥到下面），產(chǎn)生誤碼。用雙蹤示波器觀察DATA1和DATA2兩端的信號是否一樣；若不一樣，觀察是第幾位不一樣。
6.用雙蹤示波器觀察DATA1(見TP402)和DATA3(見TP401)信號的輸出速率（每秒多少比特位）分別是多少？