移動通信中基于單片機的信道編碼的研究教材

移動通信中基于單片機的信道編碼技術(shù)的研究摘要由于通信系統(tǒng)固有噪聲和衰落的影響，信號在經(jīng)過信道的傳輸?shù)竭_接收端的時候，不可避免的會出現(xiàn)失真的情況。Turbo碼就是一種經(jīng)過長時間的發(fā)展而誕生出的在接近shannon限的低信噪比下具有較低的誤碼率的一種新型的編碼方式。它具有優(yōu)良的糾錯性能，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為3G協(xié)議標準中高速數(shù)據(jù)的信道編碼技術(shù)。本文主要研究的是移動通信中使用單片機實現(xiàn)信道編碼的技術(shù)，而Turbo碼的優(yōu)良性能決定了其在移動通信編碼方面的重要性，因此本文先介紹了移動通信的發(fā)展史，然后著重介紹WCDMA中Turbo編碼的實現(xiàn)，最后對實現(xiàn)編碼的硬件環(huán)境做了簡要介紹。本次設(shè)計是基于單片機的編碼設(shè)計，基于成本等方面的考慮，選擇了STC公司生產(chǎn)的STC12系列單片機。關(guān)鍵詞：移動通信；Turbo碼；信道編碼；STC12單片機Microcontroller-basedMobileCommunicationsChannelCodingTechnologyResearchAbstractBecauseoftheinfluenceoftheinherentnoiseandfadingcommunicationsystem,signaltransmissiontothereceiverafterchannel,distortionoftheinevitablewillhappen.Turbocodeisakindofdevelopmentforalongtimeandproducednearshannonlimitunderlowsignal-to-noiseratiohasalowerbiterrorrateofanewkindofencoding.Ithasgoodperformanceoferrorcorrection,andnowhasdevelopedinto3Ghigh-speeddatachannelcodingtechnologyinprotocolstandard.Thispapermainlystudiesthemicrocontrollerisusedinmobilecommunicationchannelcodingtechnology,excellentpropertiesandTurbocodedeterminesitsimportanceinthefieldofmobilecommunicationcode,sothisarticlefirstintroducesthedevelopmentofmobilecommunication,andthenfocusesontherealizationoftheTurbocodingintheWCDMA,finallytheimplementationcodemadeabriefintroductionofthehardwareenvironment.Thisdesignisbasedonsinglechipmicrocomputercodingdesign,basedonconsiderationssuchascost,choosetheonSTCSTC12seriessinglechipmicrocomputer.Keywords:mobilecommunication;Turbocode;Channelcoding;STC12MCU目錄引言 1第一章 緒論 21.1課題背景 21.2信道編碼的發(fā)展歷程 21.3信道編碼技術(shù) 31.3.1RS編碼 31.3.2卷積碼 41.3.3Turbo碼 41.3.4交織 41.3.5偽隨機序列擾碼 51.4移動通信的發(fā)展 5第二章WCDMA 72.1WCDMA定義 72.2WCDMA的發(fā)展歷程 72.3WCDMA與3G 8第三章Turbo碼在WCDMA中的應(yīng)用 103.1Turbo碼簡介 103.2Turbo碼的發(fā)展歷程 103.3Turbo碼的特點 103.4WCDMA中的信道編碼方案 113.4.1WCDMA系統(tǒng)中Turbo碼的編碼原理與結(jié)構(gòu) 123.4.2WCDMA系統(tǒng)中Turbo碼的譯碼原理與結(jié)構(gòu) 133.4.3WCDMA中Turbo編碼的內(nèi)部交織 14第四章C語言及單片機 154.1C語言 154.1.1C語言簡介 154.1.2C語言的幾個特點 154.2單片機選型 164.2.1STC單片機命名規(guī)則 164.2.2STC12系列單片機簡介 164.2.3STC12LE5A60S2優(yōu)點 184.2.4STC12LE5A60S2單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 184.2.5單片機內(nèi)部管腳圖 19第五章Turbo編碼的編譯碼實現(xiàn) 205.1Turbo碼的編碼電路設(shè)計方案 205.2Turbo碼解碼電路設(shè)計方案 20第六章Turbo碼軟件實現(xiàn) 226.1Turbo碼編碼過程原理圖 226.2Turbo編碼器 226.3卷積碼譯碼 236.4編譯碼程序流程圖 23第七章畢設(shè)總結(jié) 24參考文獻 25附錄 26PAGE1引言隨著時間的流逝，移動通信已經(jīng)不再是某些有錢人的專有享受，它已經(jīng)成為幾乎所有人現(xiàn)代生活中必不可少的一部分了。它滿足了人們生活中可以隨時隨地通信的需求，但是也有它的局限性。無線通信中存在著各種信號干擾和衰減，使得信號變得不穩(wěn)定，在經(jīng)過信道傳輸后在接收端失真。因此，如何在無線信道中實現(xiàn)可靠的，安全的，穩(wěn)定的信號通訊成為業(yè)界一個重點關(guān)注問題，這就需要了解信道編碼了。移動通信先后經(jīng)歷了上世紀70年代的1G（模擬通信），80年代末的2G（數(shù)字蜂窩通信），90年代末的3G（移動多媒體通信）以及最新開始投入商用的4G（高速移動通信）。移動通信雖然發(fā)展史比較短，但是它的發(fā)展速度是飛速的。在這過程中，有許多的信道編碼方案被提出和采用。但是發(fā)展到現(xiàn)在，應(yīng)用最廣泛的還是Turbo碼編碼技術(shù)了。本課題研究的就是現(xiàn)在正在廣泛應(yīng)用的3G通信系統(tǒng)中的Turbo碼編碼了。Turbo碼是一種優(yōu)良的糾錯編碼技術(shù)，在接近shannon限的低信噪比下有著較低的誤碼率。卷積碼是其基本組成單元。Turbo碼不僅在信道信噪比很低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且還具有很強的抗衰落、抗干擾能力，因此它在信道條件差的移動通信系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力，在第三代移動通信系統(tǒng)(IMT-2000）中己經(jīng)將Turbo碼作為其傳輸高速數(shù)據(jù)的信道編碼標準。由于無線信道傳輸媒質(zhì)的不穩(wěn)定性及噪聲的不確定性，一般的糾錯碼很難達到較高要求的譯碼性能（一般要求比特誤碼率小于10-6e），而Turbo碼引起超乎尋常的優(yōu)異譯碼性能，可以糾正高速率數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生的誤碼。另外，由于在直擴（CDMA)系統(tǒng)中采用Turbo碼技術(shù)可以進一步提高系統(tǒng)的容量。所以，Turbo碼的研究一直受到各國學者的重視。本文主要研究的就是移動通信中Turbo碼如何編碼和譯碼。緒論1.1課題背景現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展越來越迅速,已經(jīng)由當初的模擬制式的移動通信系統(tǒng)(簡稱1G),經(jīng)過2G,2.5G,3G等等，發(fā)展到現(xiàn)在的4G即將進入全面運營的狀態(tài)。在這過程中，通信系統(tǒng)的通信業(yè)務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸效率也在不斷的提高。由于，通信信道固有的噪聲和衰落特性，信號在經(jīng)過傳輸信道到達接收端的時候，不可避免的會出現(xiàn)信號失真。這就需要通過差錯控制碼來檢測和糾正失真引起的信息傳輸錯誤。差錯控制碼主要是用于實現(xiàn)信道糾錯，又稱為信道編碼。數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型：圖1.1數(shù)字通信系統(tǒng)的一般模型1.2信道編碼的發(fā)展歷程數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。信道編碼主要有RS編碼，卷積碼和turbo碼等。20世紀50年代～60年代初，主要研究各種有效的編碼、譯碼方法，奠定了線性分組碼的理論基礎(chǔ)；提出了著名的BCH編澤碼方法以及卷積碼的序列譯碼；給出了糾錯碼的基本碼限。

20世紀60年代～70年代初，這是糾錯碼發(fā)展過程中最為活躍的時期。不僅提出了許多有效的編碼譯碼方法，而且注意到糾錯碼的實用化問題，討論了與實用有關(guān)的各種問題。20世紀70年代初～80年代，這是糾錯碼發(fā)展史中具有極其重要意義的時期。在理論上以Goppa為首的一批學者，構(gòu)造了一類Goppa碼，其中一類子碼能達到Shannon在信道編碼定理中所提出的碼一香農(nóng)碼所能達到的性能，這在糾錯碼歷史上具有劃時代意義。

20世紀80年代初以來，Goppa等從幾何觀點討論分析碼，利用代數(shù)曲線構(gòu)造了一類代數(shù)幾何碼。這些碼中，某些碼的性能達到了香農(nóng)碼所能達到的性能。1982年Ungerboeck提出的TCM概念是解決帶寬要求和糾錯矛盾的一個理想方案，它將糾錯碼技術(shù)與調(diào)錆4技術(shù)有機結(jié)合，在不增加系統(tǒng)帶寬要求的條件下通過擴展符號映射空間來達到提高編碼增益的目的。TcM技術(shù)奠定了限信道編碼調(diào)制技術(shù)的研究基礎(chǔ)，被認為是信道編碼發(fā)展史中的一個里程碑。1993年C．Berrou、A．Glavieux提出的Turbo碼引起了信息理論界的轟動。它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結(jié)合在一起，在實現(xiàn)隨機編碼思想同時，通過交織器實現(xiàn)了由短碼構(gòu)造長碼的方法，并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼，從而獲得了幾乎接近Shannon限的譯碼性能。Turbo碼被看做自TCM技術(shù)問世以來，信道編碼技術(shù)上又一里程碑。1.3信道編碼技術(shù)數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯、交織、線性內(nèi)插等。提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。但信道編碼會使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少，信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的，這就是我們常常說的開銷。這就好象我們運送一批玻璃杯一樣，為了保證運送途中不出現(xiàn)打爛玻璃杯的情況，我們通常都用一些泡沫或海棉等物將玻璃杯包裝起來，這種包裝使玻璃杯所占的容積變大，原來一部車能裝5000各玻璃杯的，包裝后就只能裝4000個了，顯然包裝的代價使運送玻璃杯的有效個數(shù)減少了。同樣，在帶寬固定的信道中，總的傳送碼率也是固定的，由于信道編碼增加了數(shù)據(jù)量，其結(jié)果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價了。將有用比特數(shù)除以總比特數(shù)就等于編碼效率了，不同的編碼方式，其編碼效率有所不同。數(shù)字電視中常用的糾錯編碼，通常采用兩次附加糾錯碼的前向糾錯（FEC）編碼。RS編碼屬于第一個FEC，188字節(jié)后附加16字節(jié)RS碼，構(gòu)成（204，188）RS碼，這也可以稱為外編碼。第二個附加糾錯碼的FEC一般采用卷積編碼，又稱為內(nèi)編碼。外編碼和內(nèi)編碼結(jié)合一起，稱之為級聯(lián)編碼。級聯(lián)編碼后得到的數(shù)據(jù)流再按規(guī)定的調(diào)制方式對載頻進行調(diào)制。前向糾錯碼（FEC）的碼字是具有一定糾錯能力的碼型，它在接收端解碼后，不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能夠判斷錯誤碼元所在的位置，并自動糾錯。這種糾錯碼信息不需要儲存，不需要反饋，實時性好。所以在廣播系統(tǒng)（單向傳輸系統(tǒng)）都采用這種信道編碼方式。下圖是糾錯碼的各種類型:1.3.1RS編碼RS碼即里德-所羅門碼，它是能夠糾正多個錯誤的糾錯碼，RS碼為（204，188，t=8），其中t是可抗長度字節(jié)數(shù)，對應(yīng)的188符號，監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段）。實際中實施（255，239，t=8）的RS編碼，即在204字節(jié)（包括同步字節(jié)）前添加51個全“0”字節(jié)，產(chǎn)生RS碼后丟棄前面51個空字節(jié)，形成截短的（204，188）RS碼。RS的編碼效率是：188/204。1.3.2卷積碼卷積碼非常適用于糾正隨機錯誤，但是，解碼算法本身的特性卻是：如果在解碼過程中發(fā)生錯誤，解碼器可能會導致突發(fā)性錯誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊，RS碼適用于檢測和校正那些由解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯誤。所以卷積碼和RS碼結(jié)合在一起可以起到相互補償?shù)淖饔?。卷積碼分為兩種：(1)基本卷積碼:基本卷積碼編碼效率為，η＝1/2,編碼效率較低,優(yōu)點是糾錯能力強。(2)收縮卷積碼:如果傳輸信道質(zhì)量較好，為提高編碼效率，可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為：η＝1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。編碼效率高，一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试龃?但糾錯能力越減弱。1.3.3Turbo碼1993年誕生的Turbo碼，單片Turbo碼的編碼/解碼器，運行速率達40Mb/s。該芯片集成了一個32×32交織器，其性能和傳統(tǒng)的RS外碼和卷積內(nèi)碼的級聯(lián)一樣好。所以Turbo碼是一種先進的信道編碼技術(shù)，由于其不需要進行兩次編碼，所以其編碼效率比傳統(tǒng)的RS+卷積碼要好。1.3.4交織在實際應(yīng)用中，比特差錯經(jīng)常成串發(fā)生，這是由于持續(xù)時間較長的衰落谷點會影響到幾個連續(xù)的比特，而信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串時才最有效（如RS只能糾正8個字節(jié)的錯誤）。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯及一些突發(fā)錯誤，可以運用交織技術(shù)來分散這些誤差，使長串的比特差錯變成短串差錯，從而可以用前向碼對其糾錯，例如：在DVB-C系統(tǒng)中，RS(204,188)的糾錯能力是8個字節(jié)，交織深度為12，那么糾可抗長度為8×12＝96個字節(jié)的突發(fā)錯誤。實現(xiàn)交織和解交織一般使用卷積方式。交織技術(shù)對已編碼的信號按一定規(guī)則重新排列，解交織后突發(fā)性錯誤在時間上被分散，使其類似于獨立發(fā)生的隨機錯誤，從而前向糾錯編碼可以有效的進行糾錯，前向糾錯碼加交積的作用可以理解為擴展了前向糾錯的可抗長度字節(jié)。糾錯能力強的編碼一般要求的交織深度相對較低。糾錯能力弱的則要求更深的交織深度。一般來說，對數(shù)據(jù)進行傳輸時，在發(fā)端先對數(shù)據(jù)進行FEC編碼，然后再進行交積處理。在收端次序和發(fā)端相反，先做去交積處理完成誤差分散，再FEC解碼實現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯。另外，從上圖可看出，交積不會增加信道的數(shù)據(jù)碼元。根據(jù)信道的情況不同，信道編碼方案也有所不同，在DVB-T里由于由于是無線信道且存在多徑干擾和其它的干擾，所以信道很“臟”，為此它的信道編碼是：RS＋外交積＋卷積碼＋內(nèi)交積。采用了兩次交積處理的級聯(lián)編碼，增強其糾錯的能力。RS作為外編碼，其編碼效率是188/204（又稱外碼率），卷積碼作為內(nèi)編碼，其編碼效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種（又稱內(nèi)碼率）選擇，信道的總編碼效率是兩種編碼效率的級聯(lián)疊加。設(shè)信道帶寬8MHZ，符號率為6.8966Ms/S，內(nèi)碼率選2/3，16QAM調(diào)制，其總傳輸率是27.586Mbps,有效傳輸率是27.586*(188/204)*(2/3)=16.948Mbps,如果加上保護間隔的插入所造成的開銷，有效碼率將更低。在DVB-C里，由于是有線信道，信道比較“干凈”，所以它的信道編碼是：RS＋交積。一般DVB-C的信道物理帶寬是8MHZ，在符號率為6.8966Ms/s，調(diào)制方式為64QAM的系統(tǒng)，其總傳輸率是41.379Mbps,由于其編碼效率為188/204，所以其有效傳輸率是41.379*188/204=38.134Mbps。在DVB-S里，由于它是無線信道，所以它的信道編碼是：RS＋交積＋卷積碼。也是級聯(lián)編碼。1.3.5偽隨機序列擾碼進行基帶信號傳輸?shù)娜秉c是其頻譜會因數(shù)據(jù)出現(xiàn)連“1”和連“0”而包含大的低頻成分，不適應(yīng)信道的傳輸特性,也不利于從中提取出時鐘信息。解決辦法之一是采用擾碼技術(shù),使信號受到隨機化處理，變?yōu)閭坞S機序列，又稱為“數(shù)據(jù)隨機化”和“能量擴散”處理。擾碼不但能改善位定時的恢復質(zhì)量，還可以使信號頻譜平滑，使幀同步和自適應(yīng)同步和自適應(yīng)時域均衡等系統(tǒng)的性能得到改善。擾碼雖然“擾亂”了原有數(shù)據(jù)的本來規(guī)律，但因為是人為的“擾亂”，在接收端很容易去加擾，恢復成原數(shù)據(jù)流。實現(xiàn)加擾和解碼，需要產(chǎn)生偽隨機二進制序列（PRBS）再與輸入數(shù)據(jù)逐個比特作運算。PRBS也稱為m序列，這種m序列與TS的數(shù)據(jù)碼流進行模2加運算后，數(shù)據(jù)流中的“1”和“0”的連續(xù)游程都很短，且出現(xiàn)的概率基本相同。利用偽隨機序列進行擾碼也是實現(xiàn)數(shù)字信號高保密性傳輸?shù)闹匾侄沃?。一般將信源產(chǎn)生的二進制數(shù)字信息和一個周期很長的偽隨即序列模2相加，就可將原信息變成不可理解的另一序列。這種信號在信道中傳輸自然具有高度保密性。在接收端將接收信號再加上（模2和）同樣的偽隨機序列，就恢復為原來發(fā)送的信息。在DVB-C系統(tǒng)中的CA系統(tǒng)原理就源于此，只不過為了加強系統(tǒng)的保密性，其偽隨機序列是不斷變化的（10秒變一次），這個偽隨機序列又叫控制字（CW)。1.4移動通信的發(fā)展移動通信是雙方或者一方處于運動中的通信。至今，移動通信已經(jīng)經(jīng)歷了3代的發(fā)展，目前4G正在試商用階段。第一代移動通信（簡稱1G），是模擬移動通信系統(tǒng)，在20世紀初開始了商業(yè)運營試驗。它對移動通信的最大貢獻是使用蜂窩結(jié)構(gòu)，頻帶可重復利用，實現(xiàn)大區(qū)域覆蓋；支持移動終端的漫游和越區(qū)切換，實現(xiàn)移動環(huán)境下不間斷通信。第一代移動通信系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展，最重要的特點是體現(xiàn)在移動性上，這是其他任何通信方式和系統(tǒng)不可替代的，從而結(jié)束了過去無線通信發(fā)展過程中時常被其他通信手段替代而處于輔助地位的歷史。第二代移動通信（簡稱2G），是第二代手機通信技術(shù)規(guī)格的簡稱，同時也是目前廣泛使用的數(shù)字移動通信系統(tǒng)GSM及窄帶CDMA（也叫cdmaoneIS95CDMA），數(shù)字信號處理技術(shù)是其最基本的技術(shù)特征，提供了更高的頻譜效率更先進的漫游。它對移動通信發(fā)展的重大貢獻是使用SIM卡，輕小手機和大量用戶的網(wǎng)絡(luò)支撐能力。使用SIM卡作為移動通信用戶個人身份和通信記錄的載體，為移動通信管理、運營和服務(wù)帶來極大便利。即使很多年過去了，還是有很多用戶正在使用2G通信系統(tǒng)，可見其在移動通信發(fā)展史上的重要作用。第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G），是英文3rd

Generation的縮寫，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌苿油ㄐ偶夹g(shù)。與從前以模擬技術(shù)為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術(shù)相比，3G將有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K，最高為2M，帶寬可達5MHz以上。不僅能傳輸話音，還能傳輸數(shù)據(jù)，從而提供快捷、方便的無線應(yīng)用，如無線接入Internet。能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)是第三代移動通信的另一個主要特點。目前3G存在四種標準：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)能將高速移動接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來，提高無線頻率利用效率。提供包括衛(wèi)星在內(nèi)的全球覆蓋并實現(xiàn)有線和無線以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的無縫連接。滿足多媒體業(yè)務(wù)的要求，從而為用戶提供更經(jīng)濟、內(nèi)容更豐富的無線通信服務(wù)。第四代移動通信系統(tǒng)（簡稱4G），是目前正在試商用階段的最新的通信系統(tǒng)。它才是真正意義上的高速移動通信系統(tǒng)，用戶速率20Mbps。它是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。而在用戶最為關(guān)注的價格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外，4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。第二章WCDMA上面已經(jīng)介紹了，WCDMA是第三代移動通信系統(tǒng)（也就是3G）的一個分類。3G系統(tǒng)的三種主流標準為：歐洲提出的WCDMA、美國提出的CDMA2000和中國提出的TD-SCDMA。在中國，用戶最多的還是WCDMA，因此在這里我們主要介紹一下WCDMA的一些相關(guān)知識。2.1WCDMA定義WCDMA是英文WidebandCodeDivisionMultipleAccess（寬帶碼分多址）的英文簡稱，是一種第三代無線通訊技術(shù)。W-CDMAWidebandCDMA是一種由3GPP具體制定的，基于GSMMAP核心網(wǎng)，UTRAN（UMTS陸地無線接入網(wǎng)）為無線接口的第三代移動通信系統(tǒng)。目前WCDMA有Release99、Release4、Release5、Release6等版本。WCDMA（寬帶碼分多址）是一個ITU(國際電信聯(lián)盟）標準，它是從碼寬帶碼分多址分多址（CDMA）演變來的，從官方看被認為是IMT-2000的直接擴展，與EDGE相比，它能夠為移動和手提無線設(shè)備提供更高的數(shù)據(jù)速率。WCDMA采用直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz.基于Release99/Release4版本，可在5MHz的帶寬內(nèi)，提供最高384kbps的用戶數(shù)據(jù)傳輸速率。WCDMA能夠支持移動/手提設(shè)備之間的語音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信，速率可達2Mb/s（室內(nèi)靜止）或者384Kb/s（戶外移動）。輸入信號先被數(shù)字化，然后在一個較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴頻模式進行傳輸。窄帶CDMA使用的是200KHz寬度的載頻，而WCDMA使用的則是一個5MHz寬度的載頻。WCDMA由ETSINTTDoCoMo作為無線介面為他們的3G網(wǎng)路FOMA開發(fā)。后來NTTDocomo提交給ITU一個詳細規(guī)范作為一個象IMT-2000一樣作為一個候選的國際3G標準。國際電信聯(lián)盟(ITU)最終接受W-CDMA作為IMT-2000家族3G標準的一部分。后來WCDMA被選作UMTS的無線介面，作為繼承GSM的3G技術(shù)或者方案。誤解盡管名字跟CDMA很相近，但是WCDMA跟CDMA關(guān)系不大。多大多小要看不同人的立足點。在行動電話領(lǐng)域，術(shù)語CDMA可以代指碼分多址擴頻復用技術(shù)，也可以指美國高通（Qualcomm）開發(fā)的包括IS-95/CDMA1X和CDMA2000(IS-2000）的CDMA標準族。WCDMA已成為當前世界上采用的國家及地區(qū)最廣泛的，終端種類最豐富的一種3G標準。已有538個WCDMA運營商在246個國家和地區(qū)開通了WCDMA網(wǎng)絡(luò)，3G商用市場份額超過80%，而WCDMA向下兼容的GSM網(wǎng)絡(luò)已覆蓋184個國家，遍布全球，WCDMA用戶數(shù)已超過6億。2.2WCDMA的發(fā)展歷程歷史上，歐洲電信標準委員會（ETSI）在GSM之后就開始研究其3G標準，其中有幾種備選方案是基于直接序列擴頻分碼多工的，而日本的第三代研究也是使用寬帶碼分多址技術(shù)的，其后，以二者為主導進行融合，在3GPP組織中發(fā)展成了第三代移動通信系統(tǒng)UMTS，并提交給國際電信聯(lián)盟（ITU）。國際電信聯(lián)盟最終接受WCDMA作為IMT-20003G標準的一部分。2001年，日本NTTDoCoMo公司的FOMA是世界上第一個商業(yè)運營WCDMA服務(wù)。w-cdma手機利用lmv228射頻功能J-Phone日本電話（現(xiàn)軟件銀行）已經(jīng)繼推出基于WCDMA服務(wù)后，聲稱“沃達豐全球標準”兼容UMTS（盡管2004年時還有爭議）。2003年初，和記黃埔逐步在全球運營他們的UMTS網(wǎng)絡(luò)（簡稱3）。大多數(shù)歐洲GSM運營商已經(jīng)推出UMTS服務(wù)。沃達豐于2004年2月在歐洲多個UMTS網(wǎng)絡(luò)投入運行。沃達豐在其他國家（包括澳大利亞及新西蘭）建設(shè)UMTS網(wǎng)絡(luò)。AT&T無線（現(xiàn)屬于CingularWireless）在一些城市開通了UMTS。盡管因為公司兼并使得網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進度被延遲，但Cingular已宣布計劃在2005年與HSDPA一起部署WCDMA。TeliaSonera于2004年10月13日開始在芬蘭提供384kbps速率的WCDMA服務(wù)。服務(wù)只是在主要城市可用。通訊費率大約2美元每兆字節(jié)。2.3WCDMA與3GTD-SCDMA：TD-SCDMA(Time-DivisionSynchronousCodeDivisionMultipleAccess時分同步碼分多址):是由我國信息產(chǎn)業(yè)部電信科學技術(shù)研究院提出，與德國西門子公司聯(lián)合開發(fā)。主要技術(shù)特點:時分同步碼分多址技術(shù)，智能天線技術(shù)和軟件無線技術(shù)。它采用tdd雙工模式，載波帶寬為1.6mhz。tdd是一種優(yōu)越的雙工模式，因為在第三代移動通信中，需要大約400mhz的頻譜資源，在3Ghz以下是很難實現(xiàn)的。而tdd則能使用各種頻率資源，不需要成對的頻率，能節(jié)省未來緊張的頻率資源，而且設(shè)備成本相對比較低，比fdd系統(tǒng)低20%--50%，特別對上下行不對稱，不同傳輸速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來說tdd更能顯示出其優(yōu)越性。也許這也是它能成為三種標準之一的重要原因。另外，td-scdma獨特的智能天線技術(shù)，能大大提高系統(tǒng)的容量，特別對cdma系統(tǒng)的容量能增加50%，而且降低了基站的發(fā)射功率，減少了干擾。td-scdma軟件無線技術(shù)能利用軟件修改硬件，在設(shè)計、測試方面非常方便，不同系統(tǒng)間的兼容性也易于實現(xiàn)。當然td-scdma也存在一些缺陷，它在技術(shù)的成熟性方面比另外兩種技術(shù)要欠缺一等。因此，信息產(chǎn)業(yè)部也廣納合作伙伴一起完善它。另外它在抗快衰落和終端用戶的移動速度方面也有一定缺陷。特點：全稱TimeDivision-SynchronousCDMA（時分同步CDMA），在頻譜利用率、對業(yè)務(wù)支持具有靈活性等獨特優(yōu)勢。優(yōu)勢：中國自有3G技術(shù)，獲政府支持WCDMA：WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess寬帶碼分多址）是一種3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。WCDMA使用的部分協(xié)議與2GGSM標準一致。具體一點來說，WCDMA是一種利用碼分多址復用（或者CDMA通用復用技術(shù)，不是指CDMA標準）方法的寬帶擴頻3G移動通信空中接口。wcdma(widebandcodedivisionmultipleaccess):wcdma源于歐洲和日本幾種技術(shù)的融合。wcdma采用直擴（ds）模式，載波帶寬為5mhz，數(shù)據(jù)傳送可達到每秒2mbit（室內(nèi)）及384kbps（移動空間）。它采用mcfdd雙工模式，與gsm網(wǎng)絡(luò)有良好的兼容性和互操作性。作為一項新技術(shù)，它在技術(shù)成熟性方面不及cdma2000，但其優(yōu)勢在于gsm的廣泛采用能為其升級帶來方便。因此，近段時間也倍受各大廠商的青睞。wcdma采用最新的異步傳輸模式（atm）微信元傳輸協(xié)議，能夠允許在一條線路上傳送更多的語音呼叫，呼叫數(shù)由現(xiàn)在的30個提高到300個，在人口密集的地區(qū)線路將不再容易堵塞。另外，wcdma還采用了自適應(yīng)天線和微小區(qū)技術(shù)，大大地提高了系統(tǒng)的容量。特點：全稱為WidebandCDMA，也稱為CDMADirectSpread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于GSM網(wǎng)發(fā)展出來的3G技術(shù)規(guī)范，WCDMA是當前世界上采用的國家及地區(qū)最廣泛的，終端種類最豐富的一種3G標準。已有538個WCDMA運營商在246個國家和地區(qū)開通了WCDMA網(wǎng)絡(luò)，3G商用市場份額超過80%，而WCDMA向下兼容的GSM網(wǎng)絡(luò)已覆蓋184個國家，遍布全球。WCDMA用戶數(shù)已超過6億。優(yōu)勢：有較高的擴頻增益，發(fā)展空間較大，全球漫游能力最強，技術(shù)成熟性最佳。CDMA2000：特點：CDMA2000是由窄帶CDMA(CDMAIS95）技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，也稱為CDMAMulti-Carrier，由美國高通公司為主導提出。優(yōu)勢：可以從原有的CDMA1X直接升級到3G，建設(shè)成本低廉。說聯(lián)通的WCDMA比移動的TD好，也不完全對，各有各的特點。TD-SCDMA是中國自主3G標準，2000年5月，ITU（國際電信聯(lián)盟）公布TD-SCDMA正式成為ITU第三代移動通信標準3G國際標準的一個組成部分，與歐洲WCDMA、美國CDMA2000并列為三大主流3G國際標準。TD-SCDMA于2008年4月1日試商用。TD-HSDPA是TD-SCDMA的下一步演進技術(shù)，采用TDD方式。作為后3G的HSDPA技術(shù)可以同時適用于WCDMA和TD-SCDMA兩種不同制式。TD-HSDPA之后，TD也將實現(xiàn)TD-HSUPA，實現(xiàn)2.2Mbps的上行速率，最后將演進到LTETDD。WCDMA是GSM的升級（GSM是2G技術(shù)，其演進是GSM、GPRS、EDGE、WCDMA），同時也是全球3G技術(shù)中用戶最廣（GSM系技術(shù)擁有全球85%移動用戶）、技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用最成熟的。WCDMA運營商遵循WCDMA、HSPA、LTE演進路線。HSDPA和HSUPA統(tǒng)稱HSPA，后者上行速率更快，中國聯(lián)通采用HSPA技術(shù)，其中大城市使用HSUPA，，在09年6、7月份即可完成部署。HSPA后的HSPA+技術(shù)也已經(jīng)開始在澳大利亞、新加坡等地開始建設(shè)，速率高達21Mbps。第三章Turbo碼在WCDMA中的應(yīng)用在移動通信系統(tǒng)中,無線電波的傳播受空間效應(yīng)、陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)等因素的影響，使得無線信道在傳送信息的過程中，不僅會發(fā)生隨機錯誤，更會造成突發(fā)錯誤，在移動通信中采用合適的信道編碼技術(shù)是提高傳輸數(shù)據(jù)可靠性的有效方法。自20世紀40年代以來，人們相繼提出了乘積碼、代數(shù)幾何碼、分組-卷積級聯(lián)碼、低密度校驗碼和Turbo碼等編碼方法，其中，Turbo碼在現(xiàn)有信道編碼方案中是最好的，它很好的應(yīng)用了Shannon信道編碼定理中的隨機性編譯碼條件而獲得了幾乎接近Shannon理論極限的譯碼性能。在WCDMA系統(tǒng)中，需要提供的不僅有語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還有高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且業(yè)務(wù)種類大大增加，這就對信道編碼提出了更高的要求。因此在WCDMA的提議中，建議了三種前向信道糾錯碼，Turbo碼就是其中的一種。3.1Turbo碼簡介Shannon編碼定理指出：如果采用足夠長的隨機編碼，就能逼近Shannon信道容量。但是傳統(tǒng)的編碼都有規(guī)則的代數(shù)結(jié)構(gòu)，遠遠談不上“隨機”；同時，出于譯碼復雜度的考慮，碼長也不可能太長。所以傳統(tǒng)的信道編碼性能與信道容量之間都有較大的差距。事實上，長期以來信道容量僅作為一個理論極限存在，實際的編碼方案設(shè)計和評估都沒有以Shannon限為依據(jù)。3.2Turbo碼的發(fā)展歷程1993年兩位法國教授Berrou、Glavieux和他們的緬甸籍博士生Thitimajshima在ICC會議上發(fā)表的NearShannonlimiterror-correctingcodinganddecoding:Turbocodes”，提出了一種全新的編碼方式——Turbo碼。它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機特性的長碼，并通過在兩個軟入/軟出（SISO）譯碼器之間進行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機譯碼。仿真結(jié)果表明，在AWGN信道下，碼率為1/2的Turbo碼在達到誤比特率（BER)≤10?5時，Eb/N0僅為約0.7dB（這種情況下達到信道容量的理想Eb/N0值為0db），遠遠超過了其他的編碼方式，一時在信息和編碼理論界引起了轟動。從此以后，Turbo碼得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展，并對當今的編碼理論和研究方法產(chǎn)生了深遠的影響，信道編碼學也隨之進入了一個新的階段。Turbo碼由于其近Shannon界的突出糾錯能力，成為近年信道編碼理論研究的熱點問題。其編碼器由兩個（或多個）帶反饋的系統(tǒng)卷積碼器經(jīng)一交織器并行級聯(lián)而成，接收端一般采用逐位最大后驗概率譯碼器通過反復迭代循環(huán)來譯碼。3.3Turbo碼的特點Turbo碼有一重要特點是其譯碼較為復雜，比常規(guī)的卷積碼要復雜的多，這種復雜不僅在于其譯碼要采用迭代的過程，而且采用的算法本身也比較復雜。這些算法的關(guān)鍵是不但要能夠?qū)γ勘忍剡M行譯碼，而且還要伴隨著譯碼給出每比特譯出的可靠性信息，有了這些信息，迭代才能進行下去。用于Turbo碼譯碼的具體算法有：MAP(MaximumAPosterori)Max-Log-MAP、Log-MAP和SOVA(SoftOutputViterbiAlgorithm）算法。MAP算法是1974年被用于卷積碼的譯碼，但用作Turbo碼的譯碼還是要做一些修改；Max-Log-MAP與Log-MAP是根據(jù)MAP算法在運算量上做了重大改進，雖然性能有些下降，但使得Turbo碼的譯碼復雜度大大的降低了，更加適合于實際系統(tǒng)的運用；Viterbi算法并不適合Turbo碼的譯碼，原因就是沒有每比特譯出的可靠性信息輸出，修改后的具有軟信息輸出的SOVA算法，就正好適合了Turbo碼的譯碼。這些算法在復雜度上和性能上具有一定的差異，系統(tǒng)地了解這些算法的原理是對Turbo碼研究的基礎(chǔ)，同時對這些算法的復雜度和性能的比較研究也將有助于Turbo的應(yīng)用研究。Turbo碼的仿真一般參考吳宇飛的經(jīng)典程序。此外，要想在移動無線系統(tǒng)中成功的使用Turbo碼，首先要考慮在語音傳輸中最大延遲的限制。在短幀情況下的仿真結(jié)果表明短交織Turbo碼在AWGN信道和Rayleigh衰落下仍然具有接近信道容量的糾錯能力，從而顯示出Turbo碼在移動無線通信系統(tǒng)中非常廣闊的應(yīng)用前景。Turbo碼（TurboCode）是一類應(yīng)用在外層空間衛(wèi)星通信和設(shè)計者尋找完成最大信息傳輸通過一個限制帶寬通信鏈路在數(shù)據(jù)破壞的噪聲面前的其它無線通信應(yīng)用程序的高性能糾錯碼。有兩類Turbo碼在那里，塊Turbo碼和卷積Turbo碼（CTCs），它們是相當不同的，因為它們使用不同的構(gòu)件碼，不同的串聯(lián)方案和不同的SISO算法。3.4WCDMA中的信道編碼方案在第三代移動通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸速率的增加要求提高系統(tǒng)帶寬效率，而接收機特別是小型移動終端的低功率設(shè)計又要求系統(tǒng)具有比較大的編碼增益。傳統(tǒng)編碼技術(shù)是以增加系統(tǒng)帶寬來換取編碼增益的，不適合帶寬嚴格受限的系統(tǒng)，對于帶限信道來說，所用信道碼的糾錯能力（主要體現(xiàn)在編碼冗余上，冗余越多，相對糾錯能力越強）與系統(tǒng)帶寬效率相矛盾。因此采用好的信道編碼方案是實現(xiàn)高質(zhì)量、高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。WCDMA的信道編碼方案包括以下幾部分：糾錯編碼/譯碼（包括速度適配），交織/解交織，傳輸信道映射至/分離出物理信道。另外，某些業(yè)務(wù)的組合可能要求不同層次上的業(yè)務(wù)復用，也會在信道編譯碼器的設(shè)計上有所體現(xiàn)。WCDMA的信道編碼和業(yè)務(wù)復用方案。圖1WCDMA的信道編碼和業(yè)務(wù)復用方案圖1中的DPDCH是專用物理數(shù)據(jù)信道，它用來承載第二層和更高層的專用數(shù)據(jù)。DPCCH是專用物理控制信道，它用來承載第一層產(chǎn)生的控制信息，包括：用于信道估計的導頻信號（Pilot）；功率控制信號（TPC）以及傳送格式指示比特（TFI）。由圖1可以看出，WCDMA的信道編碼方案已不僅僅是糾錯的選擇、編譯碼算法和交織算法的問題,它還涉及與高層消息的通信，從高層獲得業(yè)務(wù)質(zhì)量指示、業(yè)務(wù)復用方式等信息，以實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)中不同編碼和復用方案，以最高的效率提供多種業(yè)務(wù)的組合。為了適應(yīng)多種速率的傳輸，信道編碼方案中還增加了速率匹配功能。決定信道編碼性能最基本的問題還是它的差錯控制方案。WCDMA建議了四種糾錯碼方案，其中卷積碼用于BER為級別的業(yè)務(wù)；RS碼與卷積碼的串行級聯(lián)用于BER為~的業(yè)務(wù)中；Turbo碼用于高數(shù)據(jù)率(32kbps以上)高質(zhì)量的業(yè)務(wù)；業(yè)務(wù)專用編碼是第四種方案,它允許業(yè)務(wù)自帶特殊的編碼方式而不經(jīng)上述的任何一種編碼，為物理層提供了更大的靈活性。WCDMA采用的前向差錯控制方案如圖2所示。FEC是作為無線業(yè)務(wù)最基本的糾錯方式，WCDMA傳輸信道提供的糾錯方式中，還有ARQ(自動重發(fā)請求)作為一種補充方式。3.4.1WCDMA系統(tǒng)中Turbo碼的編碼原理與結(jié)構(gòu)Turbo碼是以卷積碼為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，它通過在編碼器中引入隨機交織器，使碼字具有近似隨機的特性；通過分量碼的并行級聯(lián)實現(xiàn)了通過短碼構(gòu)造長碼的方法；在接收端雖然采用了次最優(yōu)的迭代算法，但分量碼采用的是最優(yōu)的最大后驗概率譯碼算法，同時通過迭代過程可使譯碼接近最大似然譯碼。Turbo碼的的編譯碼方式有三種，分別是PCCC（并行級聯(lián)卷積碼）、SCCC（串行級聯(lián)卷積碼）和HCCC（混合級聯(lián)卷積碼），在WCDMA系統(tǒng)中采用了并行級聯(lián)Turbo編譯碼器PCCC。PCCC編碼器主要由分量編碼器、交織器以及刪除矩陣和復接器組成，在WCDMA系統(tǒng)的PCCC編碼器中刪除矩陣和復接器部分由打孔與交織模塊所替代。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。分量碼可以選擇遞歸系統(tǒng)卷積碼（RSC）、分組碼（BC）、非遞歸卷積碼（NRC）、和非系統(tǒng)卷積碼（NSC），其中最佳選擇是遞歸系統(tǒng)卷積碼，WCDMA系統(tǒng)中的PCCC編碼器中的分量碼就選用了遞歸系統(tǒng)卷積碼。編碼器中交織器的使用是實現(xiàn)Turbo碼近似隨機編碼的關(guān)鍵，交織器實際上是一個一一映射函數(shù)，作用是將輸入信息序列中的比特位置進行重置，以減小分量編碼器輸出校驗序列的相關(guān)性和提高碼重。編碼過程如下：是長度為N的信息序列，RSC1直接接收{(diào)}，產(chǎn)生編碼輸出即校驗位；而RSC2則接收的是經(jīng)過交織器(即將序列打亂)后的信息序列{}，產(chǎn)生編碼輸出即校驗位。將信息位與編碼器產(chǎn)生的校驗位復用后,經(jīng)截短處理可得到不同的編碼效率。若某一時刻輸入比特，則Turbo碼編碼器的輸出碼字為{,,}，即編碼效率R為1/3。為了獲得更高的碼率如R=1/2，可用刪除法或截短法(punctured,打孔)按一定的規(guī)則將校驗位二選一。Turbo編碼交織器和RSC編碼器的結(jié)合可以確保Turbo碼編碼輸出碼字具有較高的漢明重量，在Turbo編碼器中交織器的作用是將信息序列中的比特順序重置。當信息序列經(jīng)過第一個分量編碼器編碼后輸出的碼字重量較低時，交織器可使交織后的信息序列經(jīng)過第二個分量編碼器編碼后以很大的概率輸出高重碼字，從而提高碼字的漢明重量；同時好的交織器還可以有效地降低校驗序列間的相關(guān)性。通過交織，編碼序列在長為2N或3N比特的范圍內(nèi)具有無記憶性，從而由簡單短碼構(gòu)造了近似隨機長碼。3.4.2WCDMA系統(tǒng)中Turbo碼的譯碼原理與結(jié)構(gòu)WCDMA系統(tǒng)中采用的Turbo碼譯碼器的結(jié)構(gòu)如圖4，整個譯碼器由兩個分量碼譯碼器和一些交織器、解交織器構(gòu)成。第一個分量譯碼器DEC1通過對第一個分量編碼器輸出的觀測序列=（，，…),=(,)和前一級反饋回來的先驗信息的譯碼,得到一個對信源序列的對數(shù)似然比估計(),()經(jīng)過交織得到（），（）和第二個分量碼編碼器輸出的校驗序列的觀測序列送入第二個分量譯碼器DEC2，得到新的對信源序列的對數(shù)似然比估計（）。（）減去（），再經(jīng)解交織，得到反饋送回第一個分量碼譯碼器。的物理意義為由提供的對信源序列的估計信息。如此循環(huán)多次后，對（）進行解交織，再經(jīng)硬判決得到對的最終估計。由于譯碼器中交織器和解交織器的存在必然引起時延，使得不可能有真正意義上的反饋，在WCDMA系統(tǒng)中采用了模塊化的流水線結(jié)構(gòu)，整個譯碼器由多個相同的模塊組成。3.4.3WCDMA中Turbo編碼的內(nèi)部交織在移動通信系統(tǒng)中，交織模式與深度的確定既要考慮到其分散錯誤的效果，又要兼顧業(yè)務(wù)傳輸時延的限制。WCDMA系統(tǒng)中共用到三種交織類型：幀間交織、幀內(nèi)交織和Turbo編碼的內(nèi)部交織。幀間交織就是塊間交織，在編碼流程中為第一次交織，完成幀數(shù)據(jù)之間的位置的變換；幀內(nèi)交織也屬于塊交織，在編碼流程中為第二次交織，它完成一個幀內(nèi)部的數(shù)據(jù)比特位置的變換操作，一般在進行完物理信道的分割后執(zhí)行；Turbo碼中的交織方式及其深度對編碼性能都有影響。WCDMA系統(tǒng)規(guī)定的語音時延為30~40ms,假設(shè)交織跨越一幀，加上語音編解碼器的處理時延，總時延預計在20~25ms之間,如果允許的時延更長，還可以采用20ms的幀來改進交織效果。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通?？梢员日Z音業(yè)務(wù)承受更長的交織周期，可以讓交織周期超過一幀，在多個幀周期內(nèi)完成，這可以選用幀間交織模式。對于分組業(yè)務(wù)，需要小于10ms的幀長度，以減小錯誤分組的重傳時延。WCDMA系統(tǒng)中Turbo編碼的內(nèi)部交織主要分四個步驟完成：計算交織矩陣的行數(shù)R和列數(shù)C，根據(jù)輸入的比特長度的不同，選擇相應(yīng)的交換模式，進行行間交換，根據(jù)矩陣的列數(shù)，選取行內(nèi)交換模式，進行行內(nèi)交換運算，交織后的數(shù)據(jù)以矩陣形式輸出。在WCDMA系統(tǒng)中，32kbps以上的業(yè)務(wù)由Turbo碼完成，它支持的業(yè)務(wù)速率有步行環(huán)境的384kbps、車載環(huán)境的144kbps和室內(nèi)辦公環(huán)境的2Mbps。為了提高譯碼器的性能，在一些低速業(yè)務(wù)的場合，可以將一幀組成一個數(shù)據(jù)塊，加大交織深度；在一些高速業(yè)務(wù)(如2Mbps)的場合，可以將一幀分成幾個數(shù)據(jù)塊；一般384kbps和144kbps業(yè)務(wù)是主要業(yè)務(wù)，可以選擇3840和1440作為交織器的長度。通常情況下，對于小于384kbps的業(yè)務(wù)采用長度為1440的交織器；對于大于384kbps的業(yè)務(wù)采用長度為3840的交織器。第四章C語言及單片機4.1C語言4.1.1C語言簡介C語言是一種計算機程序設(shè)計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它由美國貝爾研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機上。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用范圍廣泛，具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫。具體應(yīng)用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。4.1.2C語言的幾個特點(1)簡潔緊湊、靈活方便C語言一共只有32個關(guān)鍵字，9種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。把高級語言的基本結(jié)構(gòu)和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。C語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。(2)運算符豐富C語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有34種運算符。C語言把括號、賦值、強制類型轉(zhuǎn)換等都作為運算符處理。從而使C語言的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化。靈活使用各種運算符可以實現(xiàn)在其它高級語言中難以實現(xiàn)的運算。(3)數(shù)據(jù)類型豐富C語言的數(shù)據(jù)類型有：整型、實型、字符型、數(shù)組類型、指針類型、結(jié)構(gòu)體類型、共用體類型等。能用來實現(xiàn)各種復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運算。并引入了指針概念，使程序效率更高。另外C語言具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅(qū)動器。且計算功能、邏輯判斷功能強大。同時對于不同的編譯器也有各種編輯方式。(4)C是結(jié)構(gòu)式語言結(jié)構(gòu)式語言的顯著特點是代碼及數(shù)據(jù)的分隔化，即程序的各個部分除了必要的信息交流外彼此獨立。這種結(jié)構(gòu)化方式可使程序?qū)哟吻逦?，便于使用、維護以及調(diào)試。C語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便的調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化。(5)語法限制不太嚴格，程序設(shè)計自由度大雖然C語言也是強類型語言，但它的語法比較靈活，允許程序編寫者有較大的自由度。(6)允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作由于C語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統(tǒng)軟件。(7)生成目標代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高一般只比匯編程序生成的目標代碼效率低10%~20%。(8)適用范圍大，可移植性好C語言有一個突出的優(yōu)點就是適合于多種操作系統(tǒng)，如MS-DOS、UNIX、MicrosoftWindows以及Linux；也適用于多種機型。C語言效率高，可移植性好，并具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，因此適于編寫系統(tǒng)軟件，三維，二維圖形和動畫，它也是數(shù)值計算的高級語言。代的用途。故本次設(shè)計采用C語言進行程序設(shè)計，進而實現(xiàn)編碼解碼過程。4.2單片機選型本次畢設(shè)使用STC12LE5A60S2單片機為控制核心。STC12LE5A60S2單片機是臺灣宏晶公司2010年推出的新一代超強抗干擾、高速、搞可靠性、超低功耗的8051單片機，編程語言完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。下面介紹一些關(guān)于本單片機的相關(guān)知識。4.2.1STC單片機命名規(guī)則圖4.1STC單片機命名規(guī)則由以上的規(guī)則可以看出,課設(shè)使用的單片機型號是STC公司的12系列的低電壓8051改進型單片機.4.2.2STC12系列單片機簡介STC12LE5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍.內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機控制,強干擾場合.1.增強型8051CPU,1T,單時鐘/機器周期,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512.STC12LE5A60S2系列工作電壓:3.6V-2.2V(3V單片機)3.工作頻率范圍:0-35MHz,相當于普通8051的0～420MHz4.用戶應(yīng)用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節(jié)5.片上集成1280字節(jié)RAM6.通用I/O口(36/40/44個),復位后為:準雙向口/弱上拉(普通8051傳統(tǒng)I/O口)可設(shè)置成四種模式:準雙向口/弱上拉,推挽/強上拉,僅為輸入/高阻,開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA,但整個芯片最大不要超過55mA7.ISP(在系統(tǒng)可編程)/IAP(在應(yīng)用可編程),無需專用編程器,無需專用仿真器可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序,數(shù)秒即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)9.看門狗10.內(nèi)部集成MAX810專用復位電路(外部晶體12M以下時,復位腳可直接1K電阻到地)11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器5V單片機為1.32V,誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V,誤差為+/-3%12.時鐘源:外部高精度晶體/時鐘,內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi))用戶在下載用戶程序時,可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為:5.0V單片機為:11MHz～15.5MHz3.3V單片機為:8MHz～12MHz精度要求不高時,可選擇使用內(nèi)部時鐘,但因為有制造誤差和溫漂,以實際測試為準13.共4個16位定時器兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1,沒有定時器2,但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器14.2個時鐘輸出口,可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘,可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊,PowerDown模式可由外部中斷喚醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通過寄存器設(shè)置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通過寄存器設(shè)置到P4.3)16.PWM(2路)/PCA(可編程計數(shù)器陣列,2路)也可用來當2路D/A使用也可用來再實現(xiàn)2個定時器也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)17.A/D轉(zhuǎn)換,10位精度ADC,共8路,轉(zhuǎn)換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口19.STC12C5A60S2系列有雙串口,后綴有S2標志的才有雙串口,RxD2/P1.2(可通過寄存器設(shè)置到P4.2),TxD2/P1.3(可通過寄存器設(shè)置到P4.3)20.

工作溫度范圍:

-40

+85℃(工業(yè)級)

/

0

-

75℃(商業(yè)級)

21.

封裝:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48

I/O

口不夠時,可用

2

到

3

根普通

I/O

口線外接

74HC164/165/595(均可級聯(lián))來擴展

I/O

口,

還可用

A/D

做按鍵掃描來節(jié)省

I/O

口,或用雙

CPU,三線通信,還多了串口.

4.2.3STC12LE5A60S2優(yōu)點1.速度快,1個時鐘/機器周期,可用低頻晶振,大幅降低EMI2.支持掉電喚醒的:INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(或P4.2),CCP1/P1.4(或P4.3),EX_LVD/P4.63.超低功耗:掉電模式:外部中斷喚醒功耗<0.1uA,支持下降沿/上升沿/低電平和遠程喚醒適用于電池供電系統(tǒng),如水表,氣表,便攜設(shè)備等.4.空閑模式:典型功耗<1.3mA,正常工作模式:2mA-7mA5.輸入/輸出口多,最多有44個I/O口,A/D做按鍵掃描還可以節(jié)省很多I/O6.在系統(tǒng)可編程,無需編程器,無需仿真器,可遠程升級7.可送STC-ISP下載編程器,1萬片/人/天8.內(nèi)部集成高可靠復位電路,外部復位電路可徹底省掉,當然也可以繼續(xù)用外部復位電路4.2.4STC12LE5A60S2單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖STC12LE5A60S2單片機中包含中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash），數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），定時/計數(shù)器，UART串口，串口2，I/O接口，高速A/D轉(zhuǎn)換，SPI接口，PCA，看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12LE5A60S2系列單片機幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統(tǒng)。圖4.2STC12LE5A60S2系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4.2.5單片機內(nèi)部管腳圖圖4.3STC12LE5A60S2內(nèi)部管腳圖第五章Turbo編碼的編譯碼實現(xiàn)5.1Turbo碼的編碼電路設(shè)計方案如圖5.1，是由兩個分量碼都是（2,1,2）系統(tǒng)反饋編碼器構(gòu)成的Turbo碼，這兩個分量編碼器具有相同的生成矩陣，為： 系統(tǒng)包括輸入信息序列u，兩個（2,1,2）系統(tǒng)反饋（遞歸）卷積編碼器，一個交織器（用表示）。假設(shè)信息序列含有個信息比特以及v個結(jié)尾比特（一邊返回到全0狀態(tài)），其中v是第一個編碼器的約束長度，因此有，信息序列可表示為：圖5.1基于（2，1，2）RSC的PCCCTurbo編碼器最終的發(fā)送序列（碼字）為：5.2Turbo碼解碼電路設(shè)計方案經(jīng)典的Turbo碼的譯碼結(jié)構(gòu)如圖5.2所示，兩個軟輸入輸出（softinputsoftoutput）分量譯碼器通過交織器和解交織器相互連接、傳遞和反饋譯碼信息。Turbo碼的性能能夠逼近shannon極限，它的迭代譯碼結(jié)構(gòu)騎著至關(guān)重要的作用。每個SISO譯碼器有3個輸入：信息比特；相應(yīng)的校驗比特，其中i=1,2，對應(yīng)不同的譯碼器；從另外一個譯碼器過來的先驗信息（a-priporiinformation）。每個SISO譯碼器的輸出時每一個信息比特的軟信息，它不僅給出了輸出比特是0還是1，同時給出了這個比特被正確譯碼的概率。圖5.2并行級聯(lián)卷積譯碼器電路框圖第六章Turbo碼軟件實現(xiàn)6.1Turbo碼編碼過程原理圖復接復接鑿孔矩陣分量編碼器1鑿孔矩陣分量編碼器1交織器交織器分量編碼器2分量編碼器2圖6.1并行級聯(lián)卷積碼原理框圖1993年，C.Berrou提出的Turbo碼就是并行級聯(lián)卷積碼結(jié)構(gòu)，主要由分量譯碼器、交織器、鑿孔矩陣和復接器組成。分量碼一般選擇為遞歸系統(tǒng)卷積碼（RSC），當然也可以選擇分組碼、非遞歸卷積（NRC）碼以及非系統(tǒng)卷積（NSC）碼。通常兩個分量碼采用相同的生成矩陣（也可不同）。若兩個分量碼的碼率分別為R1和R2，則Turbo碼的碼率為：6.2Turbo編碼器DDDDππDDDD圖6.2并行級聯(lián)卷積碼編碼器6.3卷積碼譯碼圖6.3卷積碼譯碼程序6.4編譯碼程序流程圖開始開始 開始開始串口初始化串口初始化串口初始化串口初始化中斷服務(wù)中斷服務(wù)接收編碼信息接收編碼信息輸入待發(fā)送數(shù)據(jù)輸入待發(fā)送數(shù)據(jù)進行Turbo解碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位二進制數(shù)進行Turbo解碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位二進制數(shù)發(fā)送解碼信息發(fā)送解碼信息進行Turbo編碼 進行Turbo編碼查看解碼信息接收完成后的編碼信息查看解碼信息接收完成后的編碼信息圖6.4編碼程序流程圖圖6.5解碼程序流程圖第七章畢設(shè)總結(jié)畢業(yè)設(shè)計是對大學四年所學知識的一個總結(jié)，一個應(yīng)用。它不僅檢驗了大學所學知識的牢固程度，而且還檢驗每個組的協(xié)同合作精神。這也許才是畢業(yè)設(shè)計帶給我們最大的財富。本次畢設(shè)，我們的任務(wù)是寫出移動通信中基于單片機的信道編碼程序。移動通信有很多種，我們本次畢設(shè)主要研究的是3G中的WCDMA，而其中信道編碼最主要的還是Turbo編碼，所以畢設(shè)實際上要解決的問題就是WCDMA中的Turbo編碼的具體實現(xiàn)。這在剛開始的時候確實覺得是沒有方向的，不過在所有組員的協(xié)同努力下，終于還是找到了突破口，寫出了本次試驗程序。實際上，在本次畢設(shè)中，我學到了很多東西，明白了知識需要融會貫通，明白了怎么團隊合作……這次的畢業(yè)設(shè)計進度上基本上是按照任務(wù)書上的時間安排而進行的，中間由于畢業(yè)和就業(yè)問題等各種原因耽誤過總體進度，但也及時補了上去。畢業(yè)論文的制作過程是我的一次再學習，再提高的過程。在這過程中不僅是學到了更多的知識，更重要的是學到一種自學的能力，一種收獲的喜悅，更是明白了一個設(shè)計中要有合理的方案，可以實現(xiàn)的技術(shù)，和一個準確的思路，這樣才能更有效的完成任務(wù)中遇到的難題和困難。例如如何最大限度的利用規(guī)范，如何把規(guī)范里的明文規(guī)定運用到實際上去，如何獨立思考，如何與人相處融洽等等。在老師的指導，我們共同努力下，順利完成了此次畢設(shè)任務(wù)。我沒法忘記這難忘的幾個月的時間。畢業(yè)論文的準備給了我難忘的回憶。一邊在實習中學習者職位培訓的知識，一邊在書海查找資料擴展知識范圍，最難忘的是每次找到資料時的激動和興奮；還有遇到一個個問題，在親手攻破難關(guān)的喜悅。這段旅程看似荊棘密布，實則蘊藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，進一步鞏固了很多底層構(gòu)架原理知識，讓我對我所學過的知識有所鞏固和提高。在整個過程中，我學到了新知識，增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學領(lǐng)域有所作為。畢業(yè)設(shè)計也是我們畢業(yè)前與社會工作的接觸，它讓我們感受集體的力量，感受了與社會類似的工作。為我們畢業(yè)后的社會工作做好準備。最后感謝郝老師的悉心指導！ 參考文獻 [1]曹雪虹,張余橙編.信息論與編碼.北京郵電大學出版社2009.2[2]蔡濤,李旭,杜振民譯.無線通信原理與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社2009.7[3]樊昌信編現(xiàn)代通信原理人民郵電出版社2009.10[5]孫小東,于全王,金龍汪,李蜂"Turbo碼技術(shù)最新進展"電信科學2003.1[6]葉中行,VictorWei,"Turbo碼的若干新進展"電子學報1998.7[7]劉玉君信道編碼[修訂版]河南科學技術(shù)出版社2001[8]吳偉陵"通向信道編碼定理的Turbo碼及其性能分析"電子學報1998.7[9]王育民,梁傳甲編著.信息與編碼理論.西北電訊工程學院出版社[10]維特比A.J.,李世鶴等譯.CDMA擴頻通信原理.人民郵電出版社[11]Baul,L.R.,etc.Optimaldecodingoflinearcodesforminimizingsymbolerrorrate.IEEETrans.Inf.Th.,1974Mar:284287[12]劉東華Turbo碼原理與應(yīng)用技術(shù)電子工業(yè)出版社2004[13]史小平Turbo碼迭代譯碼算法研究[期刊論文]-科技信息2009(13)[14]聶遠飛,葛建華,宮豐奎降低Turbo接收機復雜度方案[期刊論文]-華中科技大學學報（自然科學版）2007(7)[15]許平Turbo譯碼在短波通信中的應(yīng)用[學位論文]碩士2005[16]楊煒Turbo編解碼及其在第三代移動通信中的應(yīng)用研究吉林大學2007附錄本次設(shè)計程序：#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineCOUNT8ucharsignal[COUNT],b[8];//signal[COUNT]儲存符號信息ucharxdatacode_result[COUNT][24];//code_result[COUNT][24]儲存編碼結(jié)果ucharxdatasig_bin[10][8]={0};//sig_bin[10][8]儲存8位二進制碼 ucharnum=0,inter=0; //num儲存字符數(shù)uchark,binary,m;//串口初始化波特率19200voidUart_Init(void) { SCON=0x50; TMOD=0x20;//定時器1，定時方式為2 PCON=0x80;//設(shè)定串口工作方式為1 TCON=0x40;//設(shè)定時器1開始計數(shù) TH1=0xfa;//設(shè)定波特率為19200 TL1=0xfa; RI=0; TI=0; TR1=1;//啟動定時器1 EA=1; ES=1;}//通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端voidUart1Send(ucharbyte){ ES=0; SBUF=byte; while(TI==0);//等待發(fā)送完成 TI=0;//清零串口發(fā)送完成中斷請求標志 ES=1;}//串口1發(fā)送接收中斷函數(shù)voidUart1InterruptReceive(void)interrupt4{ chartmp=0; if(RI) { ES=0;//關(guān)串行口中斷 RI=0;//接收中斷信號清零，表示將繼續(xù)接收 tmp=SBUF;//接收數(shù)據(jù) signal[num]=tmp; num++; if(tmp=='#') inter=1; ES=1;//開串行口中斷 } }//完成由字符到8位二進制碼的轉(zhuǎn)換voidchange_eight_binary(void){ uchari,j; for(i=0;i<num;i++) { binary=signal[i]<<1; for(j=0;j<8;j++) { binary>>=1; sig_bin[i][j]=binary&1; } }}//完成卷積碼編碼voidjuanji(ucharconvolution[8]) { uchari; uchars1=0,s2=0,s3=0,s4=0; for(i=0;i<8;i++) { s3=(s1+s2)&1; s4=(s3+convolution[i])&1; b[i]=(s1+s4)&1; s1=s2; s2=s4; }}//每8字符為一組進行編碼voideight_word_code(void){ uchari,j; ucharm1[8],m2[8],m3[8]; ucharxdatam4[8][24]; ucharxdataa[8][8]={0}; for(i=0;i<8;i++) for(j=0;j<8;j++) { a[i][j]=sig_bin[8*m+i][j]; } for(i=0;i<8;i++) { for(k=0;k<8;k++) m1[k]=a[i][k]; juanji(m1); for(k=0;k<8;k++) m2[k]=b[k]; for(j=0;j<8;j++) m3[j]=a[j][i]; juanji(m3); for(k=0;k<8;k++) m3[k]=b[k]; for(binary=0;binary<8;binary++) { m4[i][binary*3]=m1[binary]; m4[i][binary*3+1]=m2[binary]; m4[i][binary*3+2]=m3[binary]; } } for(i=0;i<8;i++) for(j=0;j<24;j++) code_result[m*8+i][j]=m4[i][j];}//完成編碼任務(wù)voidsignal_code(void){ uchari,j; if(num%8==0) //每8字符為一組進行編碼 { for(m=0;m<(num/8);m++) { eight_word_code(); } } else { for(m=0;m<(num/8+1);m++) { eight_word_code(); } //編碼結(jié)束 } ES=1; for(i=0;i<(m*8);i++) //編碼輸出 { for(j=0;j<24;j++) { Uart1Send(code_result[i][j]); } } }//完成譯碼任務(wù)voiddecode(void){ uchari,j; for(i=0;i<m*8;i++) //譯碼提取 for(j=0;j<8;j++) sig_bin[i][j]=code_result[i][j*3+1]; inter=0; k=0; binary=0; m=0; for(i=0;i<num;i++) //譯碼輸出 { for(j=0;j<8;j++) { inter=(sig_bin[i][j]+k)&1; binary=(inter+k+m)&1; Uart1Send(inter); m=k; k=binary; } } }voidmain(){ Uart_Init(); //串口初始化 while(1) { if(inter==1) { num--; inter=0; ES=0; change_eight_binary();//完成由字符到8位二進制碼的轉(zhuǎn)換 signal_code(); //完成編碼任務(wù) decode();//完成譯碼任務(wù) num=0; } }