无线光通信中Viterbi译码器FPGA设计实现

论文摘要

紫外光通信是基于大气散射和吸收的无线光通信技术。分子(颗粒)的强吸收作用使得在近地面太阳光没有紫外光波段,属于日盲区,减少了对紫外发射光源的干扰。紫外光通信以紫外日盲区的光谱为载波,信息电信号调制加载在紫外光上,通信系统的发射端和接收端通过初定位和调整,然后以自由空间和大气为信道来传输信息。紫外光通信与其他传统的通信方式相比更加隐秘,需要的发射功率大大降低,在通信范围以外很难被截收,非常适用于短距离、窄带宽、能量受限的无人监管小型的地面传感系统中。由于在受到雨、雪、雾、云和湍流等的影响时,大气传输信道受限并且不稳定,紫外信号衰减严重,产生随机错误甚至突发错误,从而影响紫外通信质量。为了提高紫外信道的传输特性,就必须采用信道编码技术。本文在研究紫外光大气传输模型的基础上,提出了基于紫外光传输信道的卷积码和Viterbi译码的FPGA设计方法,本文的主要研究内容和工作有如下几个方面:①回顾了紫外光通信发展的历程,紫外光通信的潜在应用,相比常规通信的优势以及紫外光通信的缺点,由此引入信道编码技术,介绍了目前流行的信道编码技术并重点研究了卷积码和Viterbi译码。②重点研究了紫外光大气传输特性,同时结合实际情况,引入非直视单散射信道模型。并用数学方法分析了非直视单散射信道Luettgen模型。分析了三种不同的非直视单对单传输系统模式,给出了系统性能指标参数,并从不同角度对模型进行仿真和计算,并得出相应结论。③采用VHDL语言设计了Viterbi译码器,采用八电平量化软判决和并行结构,提高了译码速度,引入信息存储和管理对传统的寄存器交换法进行改进。对Viterbi译码器各个模块进行了分析和仿真,并在QUARTUSII软件上进行了下载验证。本文所提出的基于紫外光大气传输信道的(2,1,7)Viterbi译码器,电路设计简单,采用VHDL语言编写,下载到FPGA芯片上,完全可以满足正常紫外光通信的需要。随着对紫外光通信的研究和发展,特别是大容量信道,将采用更为复杂的译码。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出及研究意义
• 1.2.1 无线紫外光通信的特点和优势
• 1.2.2 无线紫外光通信及其潜在应用
• 1.3 信道编码技术
• 1.3.1 前向纠错（FEC）技术
• 1.4 卷积码最佳译码算法-VITERBI 译码
• 1.4.1 Viterbi 算法
• 1.5 FPGA 设计方法
• 1.6 本文主要的研究工作和章节安排
• 1.7 本文安排
• 2 紫外光通信大气信道模型的分析
• 2.1 非直视紫外光通信的大气传输特性
• 2.1.1 大气分子和浮质的散射特性
• 2.1.2 分子的瑞利散射作用
• 2.2 非直视单散射信道模型
• 2.3 系统性能指标
• 2.4 单散射模型仿真分析
• 2.4.1 三种不同收发方式的比较
• 2.4.2 光束孔径角选择对系统的影响
• 2.5 本章小结
• 3 卷积码和VITERBI 算法
• 3.1 卷积码基本原理
• 3.1.1 卷积码的生成矩阵
• 3.2 卷积码编码
• 3.2.1 移位寄存器表示
• 3.2.2 状态机表示
• 3.3 VITERBI 译码算法
• 3.3.1 卷积码的译码
• 3.4 本章小结
• 4 VITERBI 译码器的设计实现
• 4.1 设计方法
• 4.2 FPGA 设计的基本原则
• 4.3 卷积码编码器
• 4.4 VITERBI 译码器的设计
• 4.4.1 Viterbi 译码器的外部框图
• 4.4.2 Viterbi 译码器的模块划分
• 4.4.3 分支量度模块的设计
• 4.4.4 加比选模块
• 4.4.5 最小路径量度状态选择模块
• 4.4.6 溢出控制模块
• 4.4.7 幸存信息管理
• 4.4.8 其余模块的设计
• 4.4.9 顶层设计
• 4.4.10 下载验证
• 4.5 实验结果
• 4.6 实验结果
• 5 总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录