基于IS-95 CDMA卷积编码器的设计

摘　要：通信系统的两个重要方面是信息传输的有效性和可靠性，随着人们对通信系统可靠性的要求越来越高，寻找噪声信道中信息可靠传输的方法越来越多地受到关注。本文基于IS-95 CDMA系统研究了一种卷积编码器，完成了整体电路模型的设计和程序仿真，结论表明该卷积编码系统能够满足IS-95 CDMA系统的要求，具有一定的实用价值。

关键词：卷积编码；Viterbi译码；软判决；硬判决
引言
　　在当今信息社会，人们对通信的可靠性提出越来越高的要求，解决信息传输的有效性和可靠性是现代通信系统必须解决的两个重要环节，其中通信的可靠性是新的编码理论研究的重要内容，其目的就是寻找噪声信道中信息可靠传输的途径和方法。卷积码和分组码是两种前向纠错码的主要形式，在编码器复杂程度相同的情况下，卷积编码的性能往往优于分组码。
    IS-95 CDMA系统的前向链路和反向链路正是采用卷积编码来实现差错控制的。本文根据IS-95 CDMA系统的链路结构，研究了基于IS-95 CDMA系统的卷积编码器，并在MATLAB工具箱Simulink环境下对该系统进行建模，通过比较软、硬判决在输出信噪比和误码率方面的优越性，从而为系统设计者提供有效的参考。
1.卷积编码器
1.1卷积编码器的基本理论
　　信道编码的原理是在传输信息的同时加入信息冗余，通过信息冗余来达到信道差错控制的目的。信道编码一般分为两大类：分组码和卷积码。其中，卷积编码是将输入信息与一固定结构的编码器进行卷积，其输出作为传输信息。可见，卷积码的输出信息是前后关联的，因此译码时，卷积码一般采用序列译码的方式。
1.2卷积编码器的编码
　　卷积编码主要用来纠正码元的随机差错，属于信道编码，它是以牺牲有效性来换取可靠性的，利用增加监督位进行检错和纠错。卷积码是用移位寄存器实现编码的，它可以用图解和解析等方式描述；常用的图解表示方法有树图、网格图、有限状态机等；常用的解析表示方法有生成矩阵、生成多项式、生成序列等。在MATLAB中常使用网格标示来定义一个卷积编码器，像卷积码的编码和译码函数都是用网格来描述的，它表示出编码器的每种可能的输入如何影响输出和编码器的状态改变。
2.基于IS-95 CDMA卷积编码器的设计
    卷积码是一种常见的实现前向差错控制（FEC）的差错控制编码方案，其结构简单、性能优越，在现代通信系统中得到了非常普遍的应用。IS-95 CDMA系统的上行链路和下行链路正是采用这种编码方式来实现差错控制的。
    IS-95 CDMA系统采用Viterbi译码进行卷积编码方案。在IS-95中，上行链路和下行链路的业务量数据帧传送到卷积编码器；CDMA系统中除了导频信道外其他各种信道都采用卷积编码。上行和下行编码器都使用约束长度为9位的8级移位寄存器。不过上行和下行编码器的码率不同，分别为1/3，1/2。
3.  MATLAB仿真分析
3.1Viterbi译码程序流程图
　　假设调制方式为BPSK，信道为加性高斯白噪声，发送序列为等概的+1，-1序列，对于IS-95 CDMA系统中，MATLAB提供了卷积码编码和Viterbi译码的函数。
3.2仿真结果
　　为便于比较，分别设量化电平值为2，3，4，得到的IS-95 CDMA系统的上行信道（3，1，8）卷积编码器的仿真图形如下：

图10 IS-95 CDMA 系统中(3,1,8)卷积编码器的仿真图形
Fig.10 the simulation-graph of Convolution Encoder of (3,1,8) in IS-95 CDMA system
　　由图10可知：所有仿真曲线都是单调递减的平滑曲线，最右边的绿色实线代表的是硬判决的Viterbi译码输出，依次往左，蓝色星线代表的是量化电平为2bit的软判决的Viterbi译码输出，蓝色圈线代表的是量化电平为3bit的软判决的Viterbi译码输出，最左边的红色实线代表的是量化电平为4bit的软判决的Viterbi译码输出。
4结论
　　本文通过对基于IS-95 CDMA 系统的卷积编码器的理论分析和实验仿真，给出了以下结论：
　　（1）对Viterbi译码而言，在误比特率一定的条件下，比较软、硬判决的输出信噪比，可知：软判决比硬判决性能要好1——2dB；在输出信噪比一定的条件下，比较软、硬判决的误比特率，可知：软判决的误比特率比硬判决低；由此可见，在IS-95 CDMA系统中，应该采用软判决的Viterbi译码，以使信息传送更加可靠；
　　（2）对软判决的Viterbi译码而言，量化电平数对输出也有影响，且量化电平数越多，译码后信号的误比特率越低。当误比特率降低到一个额定值以后，它将不再随量化电平的变化而变化，且硬判决的Viterbi译码的输出误比特率最终也将维持在这一额定值上。 
参考文献：
[1] 王新梅，肖国镇.纠错码—原理与方法（修订版）[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001
[2] Bernard Sklar，徐平平，宋铁成，等.数字通信基础与应用[M].北京：电子工业出版社，2000