一種應用於多媒體傳感網的並行信道編碼裝置的製作方法

2023-05-31 04:58:11 1

專利名稱：一種應用於多媒體傳感網的並行信道編碼裝置的製作方法
一種應用於多媒體傳感網的並行信填編碼裝置駄領^本發明涉及一種基於OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分 復用)體制的無線多媒體傳感網絡的傳輸節點，尤其涉及其中的信道編碼裝置。
背景技術：
隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、 計算能力和通信能力的無線傳感器節點開始出現，並且引起了人們的極大關注。這種無線傳 感器節點構成無線傳感網能夠協調地感知、採集和處理網絡覆蓋區域內的各種環境或監測對 象信息，並發布給需要這些信息的用戶。無線傳感網將邏輯上的信息世界與真實的物理世界 融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式；可以廣泛地應用於軍事、工農業控制、生 物醫療、環境監測等諸多領域。目前，感器網絡研究的一個重要方面是在能量嚴重受限的微型節點上如何實現簡單的環 境數據(如溫度、溼度、光強等)採集、傳輸與處理。然而，隨著監測環境的日趨複雜多變，由 這些傳統傳感器網絡所獲取的簡單數據愈加不能滿足人們對環境監測的全面需求，迫切需要 將信息量豐富的圖像、音頻、視頻等媒體引入到以傳感器網絡為基礎的環境監測活動中來， 實現細粒度、精準信息的環境監測。由此，多媒體傳感器網絡應運而生。在大多數的無線傳感器節點的布設環境中都存在著各種各樣的噪聲、幹擾等，對無線信 道中傳輸的信號造成損傷，降低無線通信系統的性能。因此，在無線通信系統中，都需要加 入信道編碼裝置，對信源給出的數據按照預定的格式進行封裝，並加入一些冗餘的信息，配 合上接收端的信道解碼裝置可以有效地對抗無線信道中的幹擾和噪聲等造成的損傷，從畸變 的信號中提取出正確的數據。在己有的多媒體傳感器節點中，對信道編碼裝置包括巻積編碼器，打孔器和交織器三個 部分。在巻積編碼器部分，由一個移位寄存器組成，將信源部分送入的數據串行地輸入移位 寄存器中。再根據選定的生成多項式，從移位寄存器中取出特定的比特送入加法器。加法器 的數目根據選定的碼率來確定，對於1/2碼率的巻積編碼器則需要兩個加法器。巻積編碼器的 數據再送入打孔器，打孔器根據預先確定的碼率對應的打孔方式，對加法器輸出的碼流進行選通並作並串變換。打孔器的設置是為了在信道質量相對較好的情況下，可以靈活的去掉巻 積編碼器編碼的碼流中不必要的冗餘數據，改變巻積編碼的碼率，以提高系統的頻譜效率。由於巻積編碼得到的碼流是具有很強的相關性的，解碼時就是利用這種相關性來糾正碼流中 一些突發的誤碼。當碼流遭遇到持續較長時間的幹擾和噪聲時，會導致較長序列的誤碼，以 致於解碼器無法恢復，因此需要在巻積編碼器後設置一個交織器，將巻積編碼的碼流打散， 從而分散持續時間較長的誤碼序列。交織器本質是大小預先確定的一個寄存器矩陣，碼流按 行寫入後再按列讀出。在實現時通常用一個RAM來構造這個寄存器矩陣，由一個寫地址產生 器來計算碼字寫入的地址，並由一個讀地址產生器來計算碼字讀出的地址。參見圖l。在無線多媒體傳感器網絡中，為了支持對實時視頻，語音等的傳輸，需要信道編碼器能夠 具備較高的數據吞吐率。傳統的傳感器節點中都是通過提高編碼器的工作時鐘來實現，這種 做法一方面需要編碼器工作在較高的時鐘上，導致造成較大的能耗(因為在集成電路中能耗 與工作時鐘的平方成正比)；另一方面，這種方式在實現時需要嚴格約束路徑的延時，增加設 計上的困難。發明內容本發明的目的設計出一種一種應用於無線多媒體傳感網絡的並行信道編碼裝置。 本發明要解決的是現有多媒體傳感器節點中的信道編碼器工作時鐘較高的問題。 為了達到上述目的，本發明至少包括 一個串並變換器， 一個並行巻積編碼器， 一個打 孔器和一個並行交織器。所述的串並變換器將信源輸入的數據按序號奇偶拆分成兩路並行的數據，奇序號作為第 一路，偶序號作為第二路。所述的並行巻積編碼器與串並變換起相連，它由一個移位寄存器和若干個位異或器組成。 移位寄存器的長度根據所選擇的生成多項式而定。位異或器的數目與所選擇的碼率對應，若 選擇1/2的碼率，則需要兩個位異或器。根據選定的生成多項式，位異或器讀取移位寄存器某 些元素的值進行處理，得到兩路並行的巻積編碼碼流。移位寄存器的每個存儲單元都由兩位 存儲空間，分別存放串並變換器輸出的兩個比特。位異或運算器根據位異或運算法則對移位 寄存器中讀出的數據進行異或處理。所述的打孔器包括一個並串變換器和一個數據有效指示信號發生器，串並變換器將兩個 位異或運算器的輸出和成一路，第一位異或運算器的輸出在前，第二位異或運算器的輸出在 後。數據有效指示信號發生器根據所選擇的碼率來確定打孔的圖案，並給出一個與並串變換 器的輸出對應的數據有效指示信號，高電平對應保留的碼字，低電平對應去掉的碼字，從而 去掉不必要的冗餘碼字，以提高系統的頻譜效率。所述的並行交織器與打孔器相連，對並行巻積編碼器編碼產生的兩路並行碼流進行交織， 並輸出交織後的碼流。它包括一個寫地址產生器， 一個RAM， 一個讀地址產生器和一個位選 擇器。
寫地址產生器根據輸入碼字的序號和打孔器給出的有效數據指示信號來產生一個寫 RAM的地址和RAM的寫使能信號。
讀地址產生器根據要讀取碼字的序號和交織表的格式來產生讀RAM的地址和讀使能信 號，位指示信號。
RAM是一個與交織表同樣大小的存儲器，存儲器的每個元素有兩個比特，分別存放並行 輸入的兩路碼流，與寫地址產生器和讀地址產生器配合實現一個按行輸入按列讀出的操作。
位選擇器則根據讀地址產生器給出的位指示信號來選擇從RAM中讀出的元素的高位或 者低位輸出。
本發明的並行信道編碼裝置中在巻積編碼器，打孔器和交織器部分都釆用兩路並行的方 式進行處理，與傳統的信道編碼裝置相比，在相同的工作時鐘條件下，本發明的信道編碼裝 置通過略增加一倍的巻積編碼器中移位寄存器存儲空間的方式，將數據的吞吐率提高了一倍； 在相同的數據速率的條件下，本發明的信道編碼裝置的工作時鐘可以降低一半，根據集成電 路的能耗計算公式，本發明的信道編碼裝置的工作能耗只有傳統的信道編碼裝置的1/4。


圖1為現有的信道編碼裝置結構圖。
圖2是本發明的應用於多媒體傳感網的並行信道編碼裝置。 圖3是本發明的並行巻積編碼器結構圖。 圖4是本發明的並行交織器結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明；
如圖2、圖3和圖4所示，本發明至少包括串並變換器，並行巻積編碼器，打孔器和並行 交織器。
所述的串並變換器與信源編碼器的輸出埠相連，根據輸入數據的序號將數據拆分成兩 路序列，奇數序號數據給第一路，偶數序號數據給第二路。經過串並變換後，輸出的數據時鐘降為輸入數據時鐘的一半。
所述的並行巻積編碼器由一組移位寄存器和若干個位異或運算器組成。移位寄存器與串 並變換器相連，它的每個元素都由兩比特的存儲空間，分別用於存放輸入的兩路數據位；它 的元素的數目則由選定的巻積編碼的格式來確定。移位寄存器由與輸入數據相同頻率的時鐘 驅動，沒個周期向右移動一位。根據所選定的編碼格式和生成多項式，移位寄存器的某些元 素被送入位異或器進行位異或運算，位異或運算的結果即位並行巻積編碼器的輸出。我們以 格式為(2, 1, 7)的巻積編碼為例，它的移位寄存器中就需要7個存儲空間，需要兩個位異或器。 另外，對於(2，1，7)的巻積編碼，它的生成多項式為
C1 = S7 + S6 + S5 + S4 + S1
C2 = S7 + S5 +++ Sl
於是，第一位異或器讀取移位寄存器的第7、 6、 5、 4、 1個元素中的值進行位異或運算，第 二位異或器讀取移位寄存器的第7、 5、 4、 2、 1個元素中的值進行位異或運算，對應於移位 寄存器的每次移位操作，兩個位異或運算器分別輸出一個兩比特的碼字。
所述的打孔器包括一個並串變換器和一個數據有效指示信號發生器。並串變換器與並行巻 積編碼器中的兩個位異或器相連，按照第一位異或運算器的輸出在前，第二位異或運算器的 輸出在後的順序，依次串行輸出巻積編碼的碼流。數據有效指示信號發生器根據預先設定的 碼率來選擇打孔的圖案，給出一個與並串變換器的輸出對應的數據有效指示信號，高電平對 應保留的碼字，低電平對應去掉的碼字，從而去掉不必要的冗餘碼字，以提高系統的頻譜效 率。
所述的並行交織器與打孔器相連，對並行巻積編碼器編碼產生的兩路並行碼流進行交織， 並輸出交織後的碼流。它包括一個寫地址產生器， 一個RAM， 一個讀地址產生器和一個位選 擇器。
寫地址產生器受打孔器輸出的數據有效指示信號控制，當數據有效指示信號為高電平時， 寫地址產生器將輸出的地址加l，並將RAM寫使能信號置高。當數據有效指示信號為低電平 時，寫地址產生器保持輸出的地址不變，並將RAM的寫使能信號置低。
讀地址產生器根據交織表的格式來產生讀RAM的地址，同時給出讀使能信號和位選擇信
號。以N+M的交織表為例，產生的讀地址為fld^=Z*7V+_/，其中0^z、M,0《j、7V，同時每
讀取一個碼字，z'的值加l，當z'記到M時重新清零，同時/的值加l。當j記到N時清零，並將位選擇信號取反。讀地址產生器在輸出讀地址的同時，將讀使能信號置高；其他時候讀 使能信號置低。
RAM是一個與交織表同樣大小的2比特存儲空間，它的寫使能埠與寫地址產生器輸出 的RAM寫使能信號相連，寫地址埠與寫地址產生器輸出的地址相連，寫數據埠與打孔器 的輸出埠相連。由寫地址產生器控制巻積輸出碼字寫入的位置，並對碼字進行篩選，去除 不必要的冗餘碼字。RAM的讀地址埠與讀地址產生器輸出的地址相連，讀使能信號與讀地 址產生器的讀使能信號相連，在讀地址產生器的控制下輸出特定地址上的數據。
位選擇器由一個選擇器組成，它的控制信號埠與讀地址產生器的位選擇信號相連，它的 數據輸入埠分別與RAM的數據輸出埠相連，兩個數據輸入埠分別對應輸出數據的兩個 比特。第一數據輸入埠對應於數據的地位，第二數據輸入埠對應於數據的高位。當位選 擇信號為低時，選通第一數據輸入埠，當位選擇信號為高時，選通第二數據輸入埠。
綜上所述，本發明的應用與多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，採用將串行的數據拆分成 兩路並行數據進行信道編碼操作的方式，與傳統的信道編碼裝置相比，在相同的工作時鐘條 件下，本發明的信道編碼裝置通過略增加一倍的巻積編碼器中移位寄存器存儲空間的方式， 將數據的吞吐率提高了一倍；在相同的數據速率的條件下，本發明的信道編碼裝置的工作時 鍾可以降低一半，根據集成電路的能耗計算公式，本發明的信道編碼裝置的工作能耗只有傳 統的信道編碼裝置的1/4。
權利要求
1.一種應用於無線多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，其特徵在於該裝置包括一個串並變換器，一個並行卷積編碼器，一個打孔器和一個並行交織器所述的並行卷積編碼器包括一個移位寄存器和若干個位異或運算器；打孔器包括一個並串變換器和一個數據有效指示信號發生器；並行交織器包括一個寫地址發生器，一個讀地址發生器，一個RAM和一個位選擇器；串並變換器將輸入的數據拆分成兩路並行的數據；移位寄存器接收串並變換器的輸入，並在時鐘控制下進行移位操作；位異或運算器將移位寄存器中的特定元素值讀出並進行位異或運算；並串變換器將各個位異或運算器輸出的並行碼流和為一路；數據有效指示信號發生器給出一個與並串變換器的輸出對應的數據有效指示信號；寫地址產生器產生一個寫RAM的地址和RAM的寫使能信號；RAM用於構建交織表；讀地址產生器產生讀RAM的地址和讀使能信號；位選擇器選擇從RAM中讀出的元素的高位或者低位輸出。
2. 如權力要求1所述的一種應用於無線多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，其特徵在 於所述的串並變換器將輸入的數據流拆分成兩路，並行進行編碼處理。
3. 如權力要求1所述的一種應用於無線多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，其特徵在 於所述的並行巻積編碼器中移位寄存器每一個元素有兩個比特，位異或運算器對從移位寄存 器中讀取的元素中的兩個比特進行兩比特的異或運算，同時得到兩個比特的編碼輸出。
4. 如權力要求1所述的一種應用於無線多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，其特徵在 於所述的打孔器中的並串變換器將多個位異或運算器輸出的碼流轉換成一路輸出，同時數據 有效指示信號發生器根據打孔的圖案給出一個信號，指示當前輸出的數據是否有效。
5. 如權力要求1所述的一種應用於無線多媒體傳感網的並行信道編碼裝置，其特徵在 於所述的並行交織器中的寫地址發生器，根據打孔器給出的數據有效指示信號來控制給出的 RAM數據寫地址和寫使能信號;位選擇器根據讀地址發生器中給出的位選擇信號來選擇RAM 中輸出數據的高位或者低位輸出。
全文摘要
本發明公開了一種應用於無線多媒體傳感網絡的並行信道編碼裝置，包括一個串並變換器，一個並行卷積編碼器，一個打孔器和一個並行交織器。本發明採用將串行的數據拆分成兩路並行數據進行信道編碼操作，它與傳統的信道編碼裝置相比，在相同的工作時鐘條件下，本發明的信道編碼裝置通過略增加一倍的卷積編碼器中移位寄存器存儲空間的方式，將數據的吞吐率提高了一倍；在相同的數據速率的條件下，本發明的信道編碼裝置的工作時鐘可以降低一半，根據集成電路的能耗計算公式本發明的信道編碼裝置的工作能耗只有傳統的信道編碼裝置的1/4，能有效緩解無線多媒體傳感網能量受限的問題。
文檔編號H03M13/00GK101286816SQ20081005995
公開日2008年10月15日 申請日期2008年3月5日 優先權日2008年3月5日
發明者萬溢萍, 劉海濤, 華 姜, 建 姜, 施玉松, 晨 陳 申請人:中科院嘉興中心微系統所分中心