呂博云，王玉萍，華宇，董道鵬，金曉臻

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電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)BCH信道編碼技術(shù)研究

呂博云1,2,3，王玉萍4，華宇1,2，董道鵬1,2,3，金曉臻1,2

（1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 鄭州科技學(xué)院，鄭州 450064）

根據(jù)BCH分組碼原理，設(shè)計(jì)了BCH(31,16,7)碼的編、解碼算法。通過(guò)對(duì)該分組碼在電話(huà)信道編碼中的MATLAB仿真，驗(yàn)證了在電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)中，是否需要采用該信道編碼與所處信道的信噪比有直接關(guān)系。在信噪比低于4dB時(shí)，可以不進(jìn)行信道編碼；當(dāng)信噪比高于4dB時(shí)，對(duì)電話(huà)信道進(jìn)行BCH編碼能較好地起到糾、檢錯(cuò)作用。此研究為新型電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)的研制提供一種可選的編碼方案。

電話(huà)授時(shí)；BCH分組碼；編、解碼算法；MATLAB仿真

0 引言

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心于1998年在我國(guó)首次建成電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由時(shí)間延遲測(cè)量、用戶(hù)終端反射器、時(shí)間發(fā)送單元、用戶(hù)時(shí)間終端和調(diào)制解調(diào)器組成[1]，主要解決通信線路時(shí)間延遲的準(zhǔn)確測(cè)量和特定字符以及時(shí)間碼傳送的問(wèn)題。為了提高授時(shí)精度，目前對(duì)電話(huà)授時(shí)正在進(jìn)行新的技術(shù)研究，本文重點(diǎn)研究BCH碼作為新電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)信道編碼技術(shù)的可行性。

在數(shù)字通信領(lǐng)域，信道編碼是為了減少信息傳輸過(guò)程中的各種干擾，而對(duì)其人為增加冗余數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)具有自動(dòng)糾、檢錯(cuò)能力的編碼處理。常用的信道編碼技術(shù)有分組碼和卷積碼，BCH碼屬于分組碼中的一種，它具有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)，能夠糾正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，且構(gòu)造簡(jiǎn)單，在中短碼長(zhǎng)情況下性能接近理論最佳值，被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)通信中[2]。

有研究表明，建立通路后的電話(huà)信道環(huán)境優(yōu)良，其噪聲主要是隨機(jī)噪聲，對(duì)數(shù)據(jù)的正確傳輸影響很小[3]；另外，考慮到所傳輸?shù)臅r(shí)間信息數(shù)據(jù)量較少的特性，因此選擇BCH碼作為新電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)的信道編碼技術(shù)。

1 BCH碼基本原理

2 電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)中BCH碼設(shè)計(jì)

在電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)中，傳輸?shù)臅r(shí)間信息包括年、月、日、時(shí)、分、秒、毫秒、微秒，將各部分十進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，若“年”的最大數(shù)按99計(jì)，則傳輸?shù)耐暾麜r(shí)間信息最多為53位。在實(shí)際應(yīng)用中，可將這些信息分為4組，每組16位，不足補(bǔ)零，之后再將64位信息重復(fù)20次，即1s傳輸16×4×20= 1280位信息。

結(jié)合BCH碼的構(gòu)造原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，我們選擇二元本原BCH（31，16，7）碼，即碼長(zhǎng)31位、校驗(yàn)位15位、可糾正的隨機(jī)錯(cuò)誤3個(gè)，作為仿真驗(yàn)證和BCH編、解碼算法設(shè)計(jì)的參數(shù)原型。

2.1 BCH(31,16,7)碼編碼算法設(shè)計(jì)

注：表中數(shù)據(jù)用八進(jìn)制表示。

圖1 BCH（31，16，7）碼的15級(jí)除法編碼器結(jié)構(gòu)

編碼器的具體工作過(guò)程如下：

4）門(mén)1通、門(mén)2斷，送入第2組信息組，并重復(fù)上述過(guò)程。

2.2 BCH(31,16,7)碼譯碼算法設(shè)計(jì)

圖2 BCH（n，k，d）碼譯碼器組成框圖

BCH（31，16，7）碼譯碼器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下所述。

。 （10）

圖3 計(jì)算，和的電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 計(jì)算，的電路結(jié)構(gòu)圖

圖5 計(jì)算的電路結(jié)構(gòu)圖

②計(jì)算下式：

對(duì)于BCH（31，16，7）碼而言，Chien搜索過(guò)程電路原理圖如圖6所示。圖6中電路的工作過(guò)程如

圖6 BCH（31，16，7）碼Chien搜索電路原理圖

下所述：

④對(duì)其余碼元糾錯(cuò)過(guò)程同于第2步。

3 MATLAB仿真

在MATLAB仿真中[8]，根據(jù)電話(huà)信道信號(hào)傳輸頻率范圍為300~3400Hz[9]，設(shè)計(jì)符號(hào)周期為1s，每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)傳輸16×4×20=1280位二進(jìn)制數(shù)，故符號(hào)頻率為1280Hz[2]，再設(shè)計(jì)載波頻率為2kHz，因此調(diào)制后的信號(hào)頻率在720~3280Hz范圍，帶寬為2560Hz，符合條件。此外，采用2-PAM基帶調(diào)制，信道噪聲為高斯白噪聲，在每種信噪比環(huán)境下發(fā)送200個(gè)符號(hào)。未使用信道編碼和使用BCH（31，16，7）碼編碼的信號(hào)傳輸誤比特率的仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看到，在低信噪比情況下（Es/No<4dB），未經(jīng)信道編碼的信息誤比特率好于經(jīng) BCH（31，16，7）碼信道編碼的信息誤比特率，而在信噪比較高時(shí)，經(jīng)BCH信道編碼的結(jié)果則優(yōu)于未經(jīng)信道編碼的結(jié)果，且其信息誤比特率得到明顯改善。

4 結(jié)論

通過(guò)MATLAB仿真分析，在電話(huà)授時(shí)系統(tǒng)中，可根據(jù)信道噪聲情況，選擇是否采用信道編碼。當(dāng)信道信噪比低于4 dB時(shí)，可直接傳輸數(shù)字信息；當(dāng)信道信噪比高于4dB時(shí)，可采用BCH編碼，從而降低傳輸信息的誤比特率。

文中詳細(xì)給出了BCH（31，16，7）碼的編、譯碼算法設(shè)計(jì)，便于實(shí)際應(yīng)用中硬件FPGA的實(shí)現(xiàn)。

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Study of BCH channel coding technologyused in telephone time service system

Lü Bo-yun1,2,3, WANG Yu-ping4, HUA Yu1,2, DONG Dao-peng1,2,3, JIN Xiao-zhen1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Zhengzhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450064, China)

An algorithm of encoding/decoding for BCH(31,16,7) code was designed on the basis of principle of the BCH block code. The MATLAB simulation for the telephone channel coding with BCH(31,16,7) code, verified that whether it is necessary to adopt this coding depends on the SNR of channel in the telephone time service system. The channel coding is not necessary when the SNR is less than 4dB, and the BCH encoding for phone channel can play a fairly good role in correcting and detecting errors when the SNR is more than 4dB. This study provides an optional coding scheme for the development of new-type telephone time service system.

telephone time-service; BCH block code; encoding/decoding algorithm; MATLAB simulation

P127.1

A

1674-0637(2014)03-0151-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0151-06

2013-08-30

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃聯(lián)合學(xué)者資助項(xiàng)目（2012LH01）

呂博云，女，碩士，主要從事信道編碼技術(shù)研究。