基于Atmega16的FEC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于工業(yè)級(jí)通信系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令傳輸?shù)臏?zhǔn)確性顯得尤為重要。尤其是某些重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(例如煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等)，原則上要求達(dá)到100%的準(zhǔn)確率，但在實(shí)際通信中這是不可能做到的，通常只能要求誤碼率在10-6或更低，這就要求系統(tǒng)具有高效的糾錯(cuò)功能[1]。本文基于Atmel公司的MEGA系列高性能單片機(jī)Atmega16，通過(guò)采用（12,8,4）漢明碼與交織技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了前向糾錯(cuò)編碼（FEC）方案，并利用TI公司的CC1100芯片構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信平臺(tái)，在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試。在不加任何FEC編碼的情況下，調(diào)制方式為GMSK，發(fā)射功率為-30 dBm，接收靈敏度為-105 dBm，通信波特率為9.6 kb/s，可靠通信距離為10 m；加入FEC編碼方案，其他條件不變的情況下，可靠通信距離提高到12 m，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)FEC信道編碼的通信系統(tǒng)可以有效提高無(wú)線(xiàn)信號(hào)可靠傳輸?shù)木嚯x。

1 漢明碼與交織技術(shù)

漢明碼（Hamming Code）由Richard Hamming于1950年提出，它屬于線(xiàn)性分組編碼方式。設(shè)原代碼的碼長(zhǎng)為k bit，附加糾錯(cuò)編碼部分為r bit，當(dāng)碼字長(zhǎng)度n=2r-1，r=n-k，r=1，2，…時(shí)就稱(chēng)這種線(xiàn)性分組碼為漢明碼[2-3]。其基本原理是將信息碼元與監(jiān)督碼元通過(guò)線(xiàn)性方程式聯(lián)系起來(lái)，每一個(gè)監(jiān)督位被編在傳輸碼字的特定比特位置上。系統(tǒng)對(duì)于錯(cuò)誤的數(shù)位無(wú)論是原有信息位中的，還是附加監(jiān)督位中的都能把它分離出來(lái)[4]。

信息傳輸中，信道噪聲干擾不僅使原代碼的每一位可能出錯(cuò)，而且附加糾錯(cuò)位也可能出錯(cuò)，故具有“一個(gè)差錯(cuò)”的情況共有k+r種，加上“正確”狀態(tài)共有k+r+1種狀態(tài)，而r比特附加糾錯(cuò)位要能分辨這k+r+1種狀態(tài)。

對(duì)k位碼字的漢明碼進(jìn)行編碼，所需步驟如下：
(1)確定最小的監(jiān)督位數(shù)r，將它們記成D1，D2，…，Dr，每個(gè)監(jiān)督位符合不同的奇偶測(cè)試規(guī)定；
(2)原有信息和r個(gè)監(jiān)督位一起編成長(zhǎng)為r+k位的新碼字，選擇r監(jiān)督位（0或1）以滿(mǎn)足必要的奇偶條件；
(3)對(duì)所接收的信息作所需的r個(gè)奇偶檢查；
(4)如果所有的奇偶檢查結(jié)果均正確，則認(rèn)為信息無(wú)誤；如果發(fā)現(xiàn)有一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)了，則錯(cuò)誤的位由這些檢查的結(jié)果來(lái)唯一地確定。

漢明碼是一種能糾一位錯(cuò)的線(xiàn)性分組碼， 由于它的編譯碼簡(jiǎn)單，在數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。然而漢明碼只能糾正一個(gè)錯(cuò)誤，因此，為了使糾錯(cuò)碼能更好地抵抗由噪聲和干擾引起的突發(fā)錯(cuò)誤，避免突發(fā)的長(zhǎng)干擾或者深衰落，在實(shí)際應(yīng)用中往往結(jié)合數(shù)據(jù)交織技術(shù)。交織技術(shù)是指一個(gè)數(shù)據(jù)序列在一一對(duì)應(yīng)的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的位置重排過(guò)程。它可以使信道中的突發(fā)錯(cuò)誤分散開(kāi)來(lái)，將原來(lái)屬于突發(fā)錯(cuò)誤的信道改成獨(dú)立的隨機(jī)差錯(cuò)信道，從而充分發(fā)揮糾錯(cuò)編碼的作用，交織技術(shù)實(shí)際上是一種信道改造技術(shù)。本文所采用的交織技術(shù)，其交織度達(dá)到400 bit。

2 通信系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文采用ATmega16芯片與一款基于CC1100的無(wú)線(xiàn)模塊構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

如圖1所示，Atmega16通過(guò)串口RS232與CC1100無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。在發(fā)送端，Atmega16實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包，利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)FEC編碼和數(shù)據(jù)的交織處理，并通過(guò)RS232發(fā)送到CC1100無(wú)線(xiàn)模塊，然后經(jīng)過(guò)GMSK調(diào)制方式經(jīng)天線(xiàn)將信號(hào)發(fā)射出去；在接收端，經(jīng)天線(xiàn)首先通過(guò)GMSK解調(diào)信號(hào)，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解交織和FEC解碼，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解包。


3 FEC編碼方案及測(cè)試

3.1 FEC編解碼

FEC接收端不僅能在收到的信碼中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，還能糾正錯(cuò)誤。對(duì)于二進(jìn)制系統(tǒng)，如果能夠確定錯(cuò)碼的位置，就能實(shí)現(xiàn)糾正。這種方法不需要反向信道（傳遞重發(fā)指令），也不會(huì)由于反復(fù)重發(fā)而延誤時(shí)間，實(shí)時(shí)性很好。在使用FEC編碼方式時(shí)，糾正的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。本文采用了（12，8，4）漢明碼，能糾正一位錯(cuò)誤。
在發(fā)送方，根據(jù)式(1)的編碼邏輯，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC編碼：

接收方將FEC編碼接收進(jìn)來(lái)，并根據(jù)式(2)的編碼邏輯形成接收端的FEC編碼，

然后再對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC譯碼，譯碼表如表1所示。


3.2 交織方案

考慮到實(shí)際的通信環(huán)境中會(huì)存在電火花等瞬間的強(qiáng)干擾，而且有時(shí)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此在進(jìn)行交織編碼時(shí)采用較長(zhǎng)的交織深度，這樣能避免上述情況造成的不利影響。設(shè)計(jì)方案為：以400 B為一組，并對(duì)其進(jìn)行FEC后得到200 B，再將這400+200=600 B進(jìn)行交織并發(fā)送出去，如表2所示。

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