2.掌握差錯(cuò)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(shí)驗(yàn)箱卷積編碼實(shí)驗(yàn)原理
1.差錯(cuò)控制編碼的基本概念
信道就是信息傳輸和存儲(chǔ)的媒介，在實(shí)際信道上傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，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(hào)不可避免的會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。為了在已知信噪比的情況下達(dá)到一定的誤比特率指標(biāo)，首先應(yīng)合理設(shè)計(jì)基帶信號(hào)，選擇調(diào)制解調(diào)方式，采用頻域均衡和時(shí)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(cuò)控制編碼，將誤比特率進(jìn)一步降低，以滿足指標(biāo)要求。
差錯(cuò)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(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸過(guò)程中發(fā)生差錯(cuò)，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(cuò)誤，糾正錯(cuò)誤。
在上述差錯(cuò)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(shí)際應(yīng)用中，二進(jìn)制卷積碼最值得注意，在同樣的傳輸速度和設(shè)備復(fù)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(gè)由N段組成的輸入移位寄存器，每段有K級(jí)，共N×k位寄存器；一組n個(gè)模2和相加器；一個(gè)n級(jí)輸出移位寄存器。對(duì)應(yīng)于
圖5-1 卷積碼編碼器的一般情況
每段K個(gè)比特的輸入序列，輸出n個(gè)比特。
由上圖所示，n個(gè)輸出比特不但與當(dāng)前的K個(gè)輸入比特有關(guān)，而且與以前（N-1）×k個(gè)輸入信息比特有關(guān)。整個(gè)編碼過(guò)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(gè)序列的卷積，卷積碼即由此得名。通常把N稱為約束長(zhǎng)度（約束長(zhǎng)度的定義并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有的書和文獻(xiàn)中把N×n或（N-1）稱為約束長(zhǎng)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(hào)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(xì)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(shí)線對(duì)應(yīng)于輸入比特0，虛線對(duì)應(yīng)于輸入比特1，如圖5-3所示。網(wǎng)絡(luò)圖中支路上標(biāo)注的碼元為輸出比特，自上而下4行節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(fù)，而且完全相同。
狀態(tài)圖
取出已達(dá)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(lái)，即可得到反應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)圖。
當(dāng)給定輸入信息序列和起始狀態(tài)時(shí)，可以用上述3種圖解表示法的任何一種，來(lái)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(shí)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(guò)程和路徑
4、用單片機(jī)AT89C2051（U401）實(shí)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(jī)AT89C2051的P1口讀入，并從DATA3（見(jiàn)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(hào)；在對(duì)8位輸入序列進(jìn)行編碼時(shí)，增加了1位起始位為1，2位停止位00，因此是對(duì)11位序列進(jìn)行卷積編碼，編碼后為22位輸出序列，由DATA1端（見(jiàn)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(hào)（見(jiàn)TP402）的周期為32位，大家注意，DATA1信號(hào)的輸出速率是DATA3信號(hào)（見(jiàn)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(dāng)狀態(tài)為0時(shí)，不產(chǎn)生誤碼，卷積碼輸出端DATA1（見(jiàn)TP402）和有誤碼卷積碼的輸出端DATA2的輸出信號(hào)（見(jiàn)TP403）完成一樣；當(dāng)狀態(tài)為1時(shí)，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(jiàn)（TP403）。這時(shí)DATA1和DATA2的信號(hào)有一位不一致。可用示波器觀察比較DATA1（TP402）和DATA2（TP403）上的信號(hào)。
三、實(shí)驗(yàn)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(duì)8位輸入序列進(jìn)行卷積碼的編碼。
若起始狀態(tài)為a，由實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jìn)行卷積編碼（波形見(jiàn)TP401），由實(shí)驗(yàn)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(jiàn)TP402)和DATA2(見(jiàn)TP403)兩端的信號(hào)是否一樣；與3、中得出的輸出序列進(jìn)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(hào)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(jiàn)TP402)和DATA3(見(jiàn)TP401)信號(hào)的輸出速率（每秒多少比特位）分別是多少？
