基于VHDL语言的卷积码和Viterbi译码的实现

卷积码是一种广泛应用于现代通信系统的纠错编码技术，它能有效提高通信系统的可靠性。卷积编码具有有限记忆的特性，这意味着编码器的输出不仅与当前输入有关，还依赖于之前的一定数量的输入值。卷积码的一般形式可以表示为(n,k,L)，其中n是编码器的输出位数，k是输入位数，L是约束长度。卷积编码器通常由串/并转换器、存储器、线性组合器和并/串转换器组成。存储器中的每个单元与线性组合器相连接，并根据线性组合系数参与或不参与线性组合计算。在二进制系统中，线性组合系数只能是0或1。图1展示的是一般结构的卷积编码器。对于(2,1,2)的卷积码，编码器结构较为简单，包含两个模2加法器和两个移位寄存器，其生成多项式矩阵为G(D)=[1+D+D^2,1+D^2]。 维特比译码是基于维特比算法的一种最大似然译码方法，适用于卷积码的解码。其核心思想是根据接收到的编码序列以及可能的发送序列，计算汉明距离，选择最小汉明距离的路径作为最佳解码输出。维特比译码器一般包含加比选模块、度量查找表和状态变量存储器等。维特比译码器利用网格图进行译码，网格图展示了一系列可能的状态转移路径。在本设计中，利用卷积码的特定状态转移特征，简化了译码器结构，仅保留了加比选模块。 设计者通过VHDL语言实现了(2,1,2)卷积编码和维特比译码的硬件描述，并在ModelSim平台进行了仿真验证。设计中使用了状态机来处理状态之间的跳变和编码输出。在编码器的VHDL代码中，使用两个时钟信号：一个用于编码时钟clk1，另一个是码输入时钟，为clk1的2倍频。编码过程通过状态机根据当前状态和输入数据来决定下一状态和编码输出。 在维特比译码器的设计中，由于每一步的状态转移依赖的输入码相同，故可以省略度量查找表和路径存储器等模块，只保留加比选模块。该译码器结构利用了状态转移图来实现，其中的“加”指的是计算当前实际编码输入与状态转移编码输出的汉明距离；“比”是指在所有汉明距离中找到最小的值；“选”是依据比的结果选择最佳码字输出。在译码器的VHDL实现中，使用两个时钟周期，一个用于接收16位的卷积码输入，另一个是8倍频的时钟clk1用于完成译码过程中的加、比、选和输出动作。 在ModelSim平台进行仿真时，设计者可以测试不同的输入序列，观察编码器输出和译码器解码的结果，确保设计实现的卷积编码和维特比译码的正确性。ModelSim作为硬件仿真工具，能够提供一个虚拟的仿真环境，使设计者能在没有物理硬件的情况下验证VHDL代码的逻辑功能。通过仿真，可以调整和优化设计，以满足性能和功能要求。此外，根据文章信息，此设计的仿真部分存在一些OCR扫描识别错误，因此在实际理解时需要忽略这些错误，并确保整个描述内容逻辑通顺。