陳 巍，盧忠仁，陳曉翔，林嘉宇

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410073;2.武警沈陽(yáng)指揮學(xué)院，沈陽(yáng)110113)

1 引言

傳輸領(lǐng)域正在經(jīng)歷急速發(fā)展階段，新的需求層出不窮，促使新的業(yè)務(wù)不斷產(chǎn)生，導(dǎo)致信道頻帶越來(lái)越寶貴。QAM調(diào)制方式有效緩解了通信傳輸中的帶寬壓力。QAM調(diào)制信號(hào)的幅度和相位都攜帶有信息。以32QAM為例，一個(gè)碼元可以攜帶5bit的信息，這大大提高了信道利用率。所以QAM調(diào)制方式被廣泛應(yīng)用于傳輸領(lǐng)域。

V.32協(xié)議ITU-T制定的9600bps高速modem的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制協(xié)議，它定義了8狀態(tài)32QAM網(wǎng)格編碼調(diào)制的編譯碼方式。在這個(gè)協(xié)議中，運(yùn)用了以“集合劃分映射”思想為基礎(chǔ)的格狀編碼調(diào)制技術(shù)，簡(jiǎn)稱TCM。TCM克服了傳統(tǒng)信道編碼的缺點(diǎn)，把調(diào)制與編碼結(jié)合起來(lái)，在保持頻帶利用率基本不變的條件下，增加信道中傳輸信號(hào)集中的信號(hào)狀態(tài)數(shù)目，利用其冗余度進(jìn)行抗干擾編碼，從而提高能量利用率，可獲得3～6dB的功率增益，是一種高效調(diào)制方法。但是V.32協(xié)議有一個(gè)缺點(diǎn)就是在解調(diào)過(guò)程中用到了維特比譯碼，而高速Viterbi譯碼器的實(shí)現(xiàn)難度很大，所以該標(biāo)準(zhǔn)常用于低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方案設(shè)計(jì)針對(duì)的不是高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，而是語(yǔ)音通信系統(tǒng)，語(yǔ)音的傳送速率不會(huì)超過(guò)9.6k，因此可以使用V.32協(xié)議進(jìn)行調(diào)制［1］。

2 調(diào)制解調(diào)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)格編碼調(diào)制［2］(Trellis Coded Modulation)技術(shù)將糾錯(cuò)編碼和調(diào)制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將編碼的冗余度用于調(diào)制信號(hào)集中的那些最易出錯(cuò)，即距離最近的符號(hào)代碼，其基本原理如圖1所示。TCM利用碼率為k/(K+1)的格狀碼(卷積碼)，將每一碼段映射為具有2(k+1)個(gè)調(diào)制信號(hào)集中的一個(gè)信號(hào)。在接收端，信號(hào)經(jīng)反映射后變換為卷積碼的碼序列，再送入Viterbi譯碼器譯碼以得到原始信號(hào)。

圖1 TCM編碼器一般方框圖

該部分實(shí)現(xiàn)分為調(diào)制模塊和解調(diào)模塊兩個(gè)部分。

2.1 調(diào)制模塊

調(diào)制模塊包括差分編碼、卷積編碼以及32QAM調(diào)制三個(gè)部分(如圖 2)［3］。

將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成連續(xù)的4位一組的數(shù)據(jù)組，每個(gè)數(shù)據(jù)組的Q3Q4比特具有90度旋轉(zhuǎn)不變性，不需要進(jìn)行差分編碼。Q1Q2比特?zé)o上述特性，它們?cè)?60度的旋轉(zhuǎn)周期上按00 01 10 11的四進(jìn)制碼配置，應(yīng)進(jìn)行模四的自然碼差分編碼。差分編碼后的Y1和Y2兩位用作隱藏式卷積碼編碼器的輸入，生成冗余位Y0。Y0的值可以根據(jù)P、Q分量的幅度及前四位比特的值確定。5位編碼比特Y0nY1nY2nY3nY4n共同確定了信號(hào)映射的星座點(diǎn)。因?yàn)椴罘志幋a的位置在卷積編碼之前，所以這種TCM編碼器對(duì)QAM的4重相位模糊透明。根據(jù)星座圖，碼變換將代碼Y0Y1Y2Y3Y4變換為適合D/A變換器使用的電平碼。

圖2 32QAM-TCM編碼器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 差分編碼模塊的實(shí)現(xiàn)

從調(diào)制緩存區(qū)按字節(jié)讀出數(shù)據(jù)后，首先將一個(gè)字節(jié)分成低四位和高四位，按照由低到高的順序每四位一組進(jìn)行處理。方法是低四位時(shí)與0x0f按位與，取高四位時(shí)右移四位即可。在進(jìn)行差分編碼之前，把每組四位中的低兩位(即協(xié)議中的Q1Q2)取出提供給差分編碼函數(shù)調(diào)用。差分編碼使用查表方式進(jìn)行，Q2Q1被差分函數(shù)調(diào)用后，左移兩位與前一輸出Y2n-1，Y1n-1組成四位二進(jìn)制數(shù)Q2Q1Y2n-1Y1n-1，然后調(diào)用差分編碼查表函數(shù)，Q2Q1Y2(n-1)Y1(n-1)的十進(jìn)制數(shù)值就是表中對(duì)應(yīng)的位置，表中對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制后輸出Y2:bit1 Y1:bit0即為譯碼結(jié)果，差分編碼表根據(jù)表一制作而成［3］。

2.1.2 卷積編碼的實(shí)現(xiàn)

卷積編碼(3，2，3)使用邏輯關(guān)系式運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。差分編碼完成輸出以后是一個(gè)2bit的編碼輸出，Y2:bit1，Y1:bit0，通過(guò)和0x02按位與后右移一位分離出Y2，和0x01按位與分離出Y1。三個(gè)T寄存器(見(jiàn)V.32協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)圖2)，從左到右分別命名為T(mén)2T1T0。寄存器的輸出為當(dāng)前的狀態(tài)輸出，程序中分別記為t2、t1、t0，寄存器的輸入(即為下一時(shí)刻)分別記為 t2_left、t1_left、t0_left。三個(gè)延時(shí)寄存器的初始輸出狀態(tài)均設(shè)為零。根據(jù)邏輯關(guān)系式y(tǒng)0=t0，t2_left=t0，t1_left=t28y28y1((t18y2)＆t0)，t0_left=t18y28(t0＆y1)，8表示為異或，即可求出y0。然后將輸入的數(shù)值左移一位與y0相或，即得到卷積編碼的3bit輸出。

表1 差分編碼表

2.1.3 32QAM調(diào)制的實(shí)現(xiàn)

正交幅度調(diào)制是由兩路正交的抑制載頻的雙邊帶調(diào)幅所組成。兩路調(diào)制載波相差90度，所以稱為正交調(diào)幅。當(dāng)輸入的基帶信號(hào)為多電平時(shí)，就構(gòu)成了多電平正交幅度調(diào)制(MQAM)。

經(jīng)過(guò)差分編碼和卷積編碼后，得到Y(jié)0Y1Y2Y3Y4五個(gè)比特的結(jié)果，然后進(jìn)行星座表查表，得到各個(gè)對(duì)應(yīng)星座點(diǎn)的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的值，這兩個(gè)值就是控制正交幅度調(diào)制信號(hào)的值。在此，將橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別分為正負(fù)4個(gè)電平等級(jí)(共8個(gè))，即 ±1、±2、±3、±4。星座表的制作根據(jù)圖 3而定［4］。

2.2 解調(diào)模塊

調(diào)制模塊包括32QAM解調(diào)、維特比譯碼以及差分譯碼三個(gè)部分。

2.2.1 32QAM解調(diào)的實(shí)現(xiàn)

解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，模擬信號(hào)經(jīng)相干解調(diào)后得到兩個(gè)幅度值Q、P，根據(jù)這兩個(gè)幅度值可以進(jìn)行查星座圖譯碼表得到Y(jié)0Y1Y2Y3Y4五個(gè)比特的結(jié)果。譯碼表也是根據(jù)圖3進(jìn)行星座圖編碼表的反查表獲得。

圖3 適合于V.32 TCM協(xié)議的信號(hào)星座圖

2.2.2 維特比譯碼的實(shí)現(xiàn)

卷積編碼使用維特比算法進(jìn)行譯碼。由于(3，2，3)卷積碼的約束長(zhǎng)度是9，即譯碼輸入序列的碼長(zhǎng)不能少于27個(gè)比特位，至少要計(jì)算到網(wǎng)格圖的第10級(jí)分支時(shí)才開(kāi)始輸出。所以在計(jì)算第10級(jí)分支時(shí)輸出此時(shí)最小漢明距離對(duì)應(yīng)的第0級(jí)子組的譯碼，并且從第10級(jí)開(kāi)始，每輸入一個(gè)接收子組，就輸出一個(gè)譯碼子組，直到接收序列輸入結(jié)束。從輸入緩沖區(qū)中每次輸入3bit的數(shù)據(jù)，共輸入八拍24bit，每拍時(shí)鐘均計(jì)算每條支路與輸入數(shù)據(jù)的漢明距離，然后以時(shí)刻左側(cè)狀態(tài)為準(zhǔn)，每一個(gè)左側(cè)狀態(tài)只保留一條支路漢明距離最小的支路，將支路號(hào)、漢明距離、支路左側(cè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)存入數(shù)組transfer_way_num［t］［］、transfer_HM［t］［］、survive_left_state［t］［］。將到每個(gè)右側(cè)狀態(tài)左邊連接的支路號(hào)存入state_from_transferway［t］［］。依次類推，一直到達(dá)第九個(gè)時(shí)鐘，然后進(jìn)行回溯，算出總漢明距離最小的路徑，輸出2bit的結(jié)果，將t0-t1之間支路的右側(cè)狀態(tài)更新為初始狀態(tài)，同時(shí)，將能到達(dá)t1時(shí)刻初始狀態(tài)的所有路徑保存。以后，每個(gè)時(shí)鐘周期輸出3bit的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次回溯選擇最優(yōu)幸存路徑，然后將2bit譯碼輸出，直至譯碼完成［5］。

2.2.3 差分譯碼過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)維特比譯碼后，差分譯碼輸入數(shù)值為V32協(xié)議中的 Y2Y1，然后與前一次輸入 Y2(n-1)Y1(n-1)組成四位二進(jìn)制數(shù)Y2(n-1)Y1(n-1)Y2Y1，再通過(guò)差分譯碼查表函數(shù)求出Q2Q1。差分解碼后得到Q2Q1，將星座中的Q4Q3左移兩位后再與Q2Q1相或，就可以得到一個(gè)碼組。由于調(diào)制的時(shí)候是按照一個(gè)字節(jié)的高低四位兩個(gè)碼組進(jìn)行拆分調(diào)制的，所以兩個(gè)碼組以后就可以進(jìn)行字節(jié)恢復(fù)，將高四位字節(jié)左移4位，與低四位相或得到一個(gè)字節(jié)。至此，解調(diào)過(guò)程全部完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上給出了32QAM調(diào)制下高效利用頻帶的多進(jìn)制TCM編碼方案，用該方案在獲得寬頻帶利用率的同時(shí)可取得更加優(yōu)異的編碼性能。實(shí)際證明，采用此種方法能使誤碼率達(dá)到10-7，基本上能滿足低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能要求，有著極其廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ UNGERBOECK G.Channel coding with multileve/phase［J］.IEEE Trans Information Theory.1982，28(1):55-67.

［2］ 樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京.國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［3］ ITU-T Recommendation V.32.A Family Of 2-Wire，Duplex Modems Operating At Data Signalling Rates Of Up To 9600 bitls For Use On The General Switched Telephone Network And On Leased Telephone-Type Circuits［S］.ITU-T.03/93.1993.

［4］ 于康友，封化民，李楊，方勇.調(diào)制解調(diào)器原理、選用與測(cè)試［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1994.

［5］ 鄭輝.卷積碼的簡(jiǎn)化Viterbi譯碼算法［J］.電信技術(shù)研究，1986(11):24-30.