4.3.2 通道編碼 ——卷積碼  

 通道編碼是為了保證通訊系統的傳輸可靠性，克服通道中的噪聲和干擾而專門設計的一類抗干擾技術和方法。它根據一定的監督規律在待發送的資訊碼元中（人為的）加入一些必要的監督碼元，在接收端利用這些監督碼元與資訊碼元之間的監督規律，發現和糾正差錯，以提高資訊碼元傳輸的可靠性。

        其中，稱待發送的碼元為資訊碼元，人為加入的多餘碼元為監督（或校驗）碼元。通道編碼的目的，是以最少的監督碼元為代價，換取最大程度的可靠性提高。

常用的通道編碼有線性分組碼、迴圈碼、BCH碼、RS碼和卷積碼等。

        在IEEE 802.11a中，主要使用了卷積編碼，卷積碼也是分組的，但它的監督碼元不僅與本組的資訊元有關，而且還與前若干組的資訊元有關。這種碼的糾錯能力強，不僅可糾正隨機差錯，而且可糾正突發差錯。卷積碼根據需要，有不同的結構及相應的糾錯能力，但其編碼規律都是相同的。

        下圖以一個約束長度為4、位元速率 R=1/3 的卷積編碼器為例。

        IEEE 802.11a協議中規定卷積編碼使用的生成多項式 g0 = 133（8進位制）和 g1 = 171（8進位制），位元速率為1/2。

        注： Signal 域的卷積編碼是1/2速率，而Data 域的卷積編碼可以根據不同的速率需要進行刪餘，我們選用的是3/4速率。

        摘錄《GB 15629.1101-2006》，關於卷積編碼器的部分：

也許這樣說太空泛了，照例附上程式碼就清楚到底怎麼卷積編碼的了。

`timescale 1ns / 10ps

1/2位元速率的卷積編碼模組，重要的部分是生成表示式：

        來說說刪餘部分，無線通訊基帶訊號處理中，為了提高傳輸效率，在卷積編碼後一般要進行刪餘（puncture）操作，即週期性的刪除一些相對不重要的資料位元，引入了刪餘操作的卷積編碼也稱做刪餘卷積碼。

        在編碼進行了刪餘操作後，需要在譯碼時進行depuncture，即在譯碼之前刪餘位元位置加以填充。

刪餘編碼規則：

R = 3/4

R = 2/3

本工程採用的是signal域 1/2卷積編碼，data域 3/4編碼，所以整體為多速率的卷積編碼，可以有速率選擇。

模組結構框圖：

模組有二個時鐘，一個是輸入時鐘，一個是輸出時鐘（按照所得速率不同而不同）。

signal域，輸入時鐘（20M），輸出時鐘（40M）。

data域， 輸入時鐘（60M），輸出時鐘（80M）。

模組思想是：首先生成1/2位元速率的卷積碼，然後快取起來，根據不同的速率要求，給予不同的輸出方式。

verilog程式碼：

`timescale 1ns / 10ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Create Date: 15:57:29 10/08/2014
// Design Name: convolution
// Module Name: data_conv_encoder
// Project Name: OFDM base on Xilinx KC705
// Description: OFDM 卷積模組，符合IEEE 802.11a 標準，多位元速率卷積輸出。本工程輸出是1/2和3/4位元速率。
// 3/4位元速率由1/2位元速率刪餘處理得到。
// Revision: 1.0
// Copyright： 《基於xlinx FPGA的OFDM通訊系統基帶設計》
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

module data_conv_encoder (DCONV_DIN, DCONV_ND, RATE_CON, DCONV_RST, DCONV_CLK_I,
DCONV_CLK_O, DCONV_DOUT, DCONV_INDEX, DCONV_RDY);

input DCONV_DIN; // 輸入資料
input DCONV_ND; // 輸入有效訊號
input [3:0] RATE_CON; // 由Signal域得到的編碼速率，決定截斷方式
input DCONV_RST; // 復位訊號，低電平有效
input DCONV_CLK_I; // 卷積碼輸入時鐘（60Mhz）
input DCONV_CLK_O; // 卷積碼輸出時鐘，根據截斷方式不同，分別為輸入時鐘的3/4倍或2/3倍。（這裡是80Mhz，資料的4/3倍）
output DCONV_DOUT; // 輸出資料
output [8:0] DCONV_INDEX; // 輸出資料計數
output DCONV_RDY; // 輸出資料有效訊號

wire [1:0] DATA_OUT_V;
wire RDY;
reg BUF_RDY;
reg [1:0] i;
reg [2:0] j;
reg [1:0] Puncture_BUF_12;
reg [5:0] Puncture_BUF_34;
reg [3:0] Puncture_BUF_23;
reg [9:0] INDEX_TEMP;
reg DCONV_DOUT;
reg [8:0] DCONV_INDEX;
reg DCONV_RDY;

conv_encoder conv_base(
.data_in(DCONV_DIN),
.nd(DCONV_ND),
.clk(DCONV_CLK_I),
.aclr(DCONV_RST), // 非同步復位，低電平有效
.data_out_v(DATA_OUT_V),
.rdy(RDY)
);

always @ ( negedge DCONV_RST or posedge DCONV_CLK_I ) // 將產生的卷積資料存入buff中
begin
if(!DCONV_RST)
begin
Puncture_BUF_12 <= 2'd0;
Puncture_BUF_34 <= 6'd0;
Puncture_BUF_23 <= 4'd0;
i <= 2'd0;
end

else
begin
if(RDY)
case(RATE_CON)
4'b1101,4'b0101,4'b1001: // Rate is 1/2 .
begin
Puncture_BUF_12 <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
end

4'b1111,4'b0111,4'b1011,4'b0011: // Rate is 3/4 .
begin
case(i)
2'b00:
begin
Puncture_BUF_34 [1:0] <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
i <= i + 2'd1;
end
2'b01:
begin
Puncture_BUF_34 [3:2] <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
i <= i + 2'd1;
end
2'b10:
begin
Puncture_BUF_34 [5:4] <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
i <= 2'd0;
end
default:
begin
Puncture_BUF_34 <= 6'd0;
BUF_RDY <= 0;
i <= 2'd0;
end
endcase
end

4'b0001: // Rate is 2/3 .
begin
case(i)
2'b00:
begin
Puncture_BUF_23 [1:0] <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
i <= i + 2'd1;
end
2'b01:
begin
Puncture_BUF_23 [3:2] <= DATA_OUT_V;
BUF_RDY <= 1;
i <= 2'd0 ;
end
default:
begin
Puncture_BUF_23 <= 4'd0;
BUF_RDY <= 0;
i <= 2'd0 ;
end
endcase
end
endcase
else
begin
BUF_RDY <= 0;
Puncture_BUF_12 <= 2'd0;
Puncture_BUF_34 <= 6'd0;
Puncture_BUF_23 <= 4'd0;
i <= 2'd0;
end
end
end

always @ ( negedge DCONV_RST or posedge DCONV_CLK_O ) // 刪餘，即從buff中取對應的資料輸出
begin
if(!DCONV_RST)
begin
DCONV_DOUT <= 0 ;
DCONV_RDY <= 0;
j <= 3'b000;
end

else
begin
if(BUF_RDY)
case(RATE_CON)
4'b1101,4'b0101,4'b1001: // Rate is 1/2 .
begin
case(j)
3'b000:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_12 [j] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= j +1 ;
end
3'b001:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_12 [j] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= 3'b000 ;
end
default:
begin
DCONV_DOUT <= 0 ;
DCONV_RDY <= 0;
j <= 3'b000 ;
end
endcase
end

4'b1111,4'b0111,4'b1011,4'b0011: // Rate is 3/4 .
begin
case(j)
3'b000,3'b001,3'b010:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_34 [j] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= j + 1 ;
end
3'b011:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_34 [j+2] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= 3'b000 ;
end
default:
begin
DCONV_DOUT <= 0;
DCONV_RDY <= 0;
j <= 0;
end
endcase
end

4'b0001: // Rate is 2/3 .
begin
case(j)
3'b000,3'b001:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_23 [j] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= j + 1 ;
end
3'b010:
begin
DCONV_DOUT <= Puncture_BUF_23 [j] ;
DCONV_RDY <= 1;
j <= 3'b000 ;
end
default:
begin
DCONV_DOUT <= 0 ;
DCONV_RDY <= 0 ;
j <= 0 ;
end
endcase
end
endcase
else
begin
DCONV_DOUT <= 0 ;
DCONV_RDY <= 0 ;
end
end
end

always @ ( negedge DCONV_RST or posedge DCONV_CLK_O ) // 有效資料的個數
begin
if(!DCONV_RST)
begin
DCONV_INDEX <= 0 ;
INDEX_TEMP <= 0;
end
else
begin
if(BUF_RDY)
case(RATE_CON)
4'b1101,4'b1111:
begin
if(INDEX_TEMP < 47)
begin
INDEX_TEMP <= INDEX_TEMP + 1 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
else
begin
INDEX_TEMP <= 0 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
end
4'b0101,4'b0111:
begin
if(INDEX_TEMP < 95)
begin
INDEX_TEMP <= INDEX_TEMP + 1 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
else
begin
INDEX_TEMP <= 0 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
end
4'b1001,4'b1011:
begin
if(INDEX_TEMP < 191)
begin
INDEX_TEMP <= INDEX_TEMP + 1 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
else
begin
INDEX_TEMP <= 0 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
end
4'b0001,4'b0011:
begin
if(INDEX_TEMP < 287)
begin
INDEX_TEMP <= INDEX_TEMP + 1 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
else
begin
INDEX_TEMP <= 0 ;
DCONV_INDEX <= INDEX_TEMP ;
end
end
endcase
else
DCONV_INDEX <= 0 ;
end
end

endmodule