呂博云，王玉萍，華宇，董道鵬，金曉臻

?

電話授時系統(tǒng)BCH信道編碼技術研究

呂博云1,2,3，王玉萍4，華宇1,2，董道鵬1,2,3，金曉臻1,2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 鄭州科技學院，鄭州 450064）

根據BCH分組碼原理，設計了BCH(31,16,7)碼的編、解碼算法。通過對該分組碼在電話信道編碼中的MATLAB仿真，驗證了在電話授時系統(tǒng)中，是否需要采用該信道編碼與所處信道的信噪比有直接關系。在信噪比低于4dB時，可以不進行信道編碼；當信噪比高于4dB時，對電話信道進行BCH編碼能較好地起到糾、檢錯作用。此研究為新型電話授時系統(tǒng)的研制提供一種可選的編碼方案。

電話授時；BCH分組碼；編、解碼算法；MATLAB仿真

0 引言

中國科學院國家授時中心于1998年在我國首次建成電話授時系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由時間延遲測量、用戶終端反射器、時間發(fā)送單元、用戶時間終端和調制解調器組成[1]，主要解決通信線路時間延遲的準確測量和特定字符以及時間碼傳送的問題。為了提高授時精度，目前對電話授時正在進行新的技術研究，本文重點研究BCH碼作為新電話授時系統(tǒng)信道編碼技術的可行性。

在數字通信領域，信道編碼是為了減少信息傳輸過程中的各種干擾，而對其人為增加冗余數據，使系統(tǒng)具有自動糾、檢錯能力的編碼處理。常用的信道編碼技術有分組碼和卷積碼，BCH碼屬于分組碼中的一種，它具有嚴格的代數結構，能夠糾正多個隨機錯誤，且構造簡單，在中短碼長情況下性能接近理論最佳值，被廣泛應用于各種移動通信中[2]。

有研究表明，建立通路后的電話信道環(huán)境優(yōu)良，其噪聲主要是隨機噪聲，對數據的正確傳輸影響很小[3]；另外，考慮到所傳輸的時間信息數據量較少的特性，因此選擇BCH碼作為新電話授時系統(tǒng)的信道編碼技術。

1 BCH碼基本原理

2 電話授時系統(tǒng)中BCH碼設計

在電話授時系統(tǒng)中，傳輸的時間信息包括年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒，將各部分十進制信息轉換為二進制，若“年”的最大數按99計，則傳輸的完整時間信息最多為53位。在實際應用中，可將這些信息分為4組，每組16位，不足補零，之后再將64位信息重復20次，即1s傳輸16×4×20= 1280位信息。

結合BCH碼的構造原理及系統(tǒng)設計的復雜性，我們選擇二元本原BCH（31，16，7）碼，即碼長31位、校驗位15位、可糾正的隨機錯誤3個，作為仿真驗證和BCH編、解碼算法設計的參數原型。

2.1 BCH(31,16,7)碼編碼算法設計

注：表中數據用八進制表示。

圖1 BCH（31，16，7）碼的15級除法編碼器結構

編碼器的具體工作過程如下：

4）門1通、門2斷，送入第2組信息組，并重復上述過程。

2.2 BCH(31,16,7)碼譯碼算法設計

圖2 BCH（n，k，d）碼譯碼器組成框圖

BCH（31，16，7）碼譯碼器電路結構設計如下所述。

。 （10）

圖3 計算，和的電路結構圖

圖4 計算，的電路結構圖

圖5 計算的電路結構圖

②計算下式：

對于BCH（31，16，7）碼而言，Chien搜索過程電路原理圖如圖6所示。圖6中電路的工作過程如

圖6 BCH（31，16，7）碼Chien搜索電路原理圖

下所述：

④對其余碼元糾錯過程同于第2步。

3 MATLAB仿真

在MATLAB仿真中[8]，根據電話信道信號傳輸頻率范圍為300~3400Hz[9]，設計符號周期為1s，每個符號周期內傳輸16×4×20=1280位二進制數，故符號頻率為1280Hz[2]，再設計載波頻率為2kHz，因此調制后的信號頻率在720~3280Hz范圍，帶寬為2560Hz，符合條件。此外，采用2-PAM基帶調制，信道噪聲為高斯白噪聲，在每種信噪比環(huán)境下發(fā)送200個符號。未使用信道編碼和使用BCH（31，16，7）碼編碼的信號傳輸誤比特率的仿真結果如圖7所示。

從圖7中可以看到，在低信噪比情況下（Es/No<4dB），未經信道編碼的信息誤比特率好于經 BCH（31，16，7）碼信道編碼的信息誤比特率，而在信噪比較高時，經BCH信道編碼的結果則優(yōu)于未經信道編碼的結果，且其信息誤比特率得到明顯改善。

4 結論

通過MATLAB仿真分析，在電話授時系統(tǒng)中，可根據信道噪聲情況，選擇是否采用信道編碼。當信道信噪比低于4 dB時，可直接傳輸數字信息；當信道信噪比高于4dB時，可采用BCH編碼，從而降低傳輸信息的誤比特率。

文中詳細給出了BCH（31，16，7）碼的編、譯碼算法設計，便于實際應用中硬件FPGA的實現(xiàn)。

[1] 柯熙政, 和康元, 袁海波, 等. 電話授時系統(tǒng)的時間同步準確度研究[J]. 宇航計測技術, 2000, 20(1): 27-31.

[2] 樊昌信, 曹麗娜. 通信原理[M]. 第6版. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009.

[3] 張文超. 基于電話信道的語音識別研究[D]. 河北: 燕山大學, 2007.

[4] 徐宏緯. 一種用FPGA實現(xiàn)BCH(31,21)編/解碼的方法[EB/OL].(2007-03-22)[2014-04-08]http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200703-345.

[5] 趙曉群. 現(xiàn)代編碼理論[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2008.

[6] 劉會杰, 景卓. 一種快速BCH編譯碼算法設計[J]. 通信技術, 2003, (8): 3-6.

[7] 王建華, 鄭坤, 張軍. 基于VC的BCH碼迭代譯碼算法實現(xiàn)[J]. 哈爾濱師范大學學報, 2003, 19(5): 26-30.

[8] 劉學勇. 詳解MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012.

[9] 歐陽迪寶. 電話信道精確時延測量方法研究[D]. 西安: 西安科技大學, 2012.

Study of BCH channel coding technologyused in telephone time service system

Lü Bo-yun1,2,3, WANG Yu-ping4, HUA Yu1,2, DONG Dao-peng1,2,3, JIN Xiao-zhen1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4. Zhengzhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450064, China)

An algorithm of encoding/decoding for BCH(31,16,7) code was designed on the basis of principle of the BCH block code. The MATLAB simulation for the telephone channel coding with BCH(31,16,7) code, verified that whether it is necessary to adopt this coding depends on the SNR of channel in the telephone time service system. The channel coding is not necessary when the SNR is less than 4dB, and the BCH encoding for phone channel can play a fairly good role in correcting and detecting errors when the SNR is more than 4dB. This study provides an optional coding scheme for the development of new-type telephone time service system.

telephone time-service; BCH block code; encoding/decoding algorithm; MATLAB simulation

P127.1

A

1674-0637(2014)03-0151-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2014-03-0151-06

2013-08-30

中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃聯(lián)合學者資助項目（2012LH01）

呂博云，女，碩士，主要從事信道編碼技術研究。