卷积交织和解交织原理简介
卷积交织器原理及fpga实现
卷积交织器原理及fpga实现卷积交织器是一种用于数字信号处理的算法，它可以将输入信号与卷积核进行卷积运算，并输出卷积结果。
卷积交织器的原理是将输入信号分成多个子信号，每个子信号与卷积核进行卷积运算，然后将所有子信号的卷积结果交织在一起，得到最终的卷积结果。
卷积交织器的实现可以使用FPGA（Field Programmable Gate Array）技术。
FPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据需要进行编程，实现各种数字电路。
使用FPGA实现卷积交织器可以提高运算速度和效率，同时也可以减少功耗和成本。
在FPGA实现卷积交织器时，需要进行以下步骤：1. 设计卷积交织器的电路结构。
根据卷积交织器的原理，设计出合适的电路结构，包括输入信号的分割、卷积核的存储、卷积运算和结果交织等模块。
2. 编写卷积交织器的Verilog代码。
Verilog是一种硬件描述语言，可以描述数字电路的行为和结构。
根据电路结构设计，编写Verilog代码实现卷积交织器的功能。
3. 进行仿真和验证。
使用仿真工具对Verilog代码进行仿真，验证卷积交织器的正确性和性能。
4. 进行综合和布局布线。
综合是将Verilog代码转换为FPGA可识别的逻辑网表，布局布线是将逻辑网表映射到FPGA芯片上的物理位置和连接关系。
5. 下载到FPGA芯片上运行。
将综合和布局布线后的设计文件下载到FPGA芯片上，进行实际运行测试。
使用FPGA实现卷积交织器可以提高运算速度和效率，同时也可以减少功耗和成本。
在实际应用中，卷积交织器可以用于图像处理、语音识别、信号处理等领域，具有广泛的应用前景。
卷积交织原理(二)
卷积交织原理(二)卷积交织原理什么是卷积交织原理？卷积交织原理是一种常见的信号处理技术，广泛应用于图像处理、音频处理和视频处理等领域。
它基于卷积运算和交织操作，通过对输入信号进行多次卷积和交织，从而实现信号的分析和处理。
卷积运算卷积是信号处理中的一种重要运算方式，其基本思想是将输入信号与一个卷积核进行计算，得到输出信号。
卷积核可以看作是一个包含了特定权值的窗口，它在输入信号上滑动，并将窗口内的值与卷积核的权值进行相乘，然后求和得到输出信号的对应位置的值。
交织操作交织是一种对信号进行重排的操作，可以将输入信号按照一定规则重新排列，从而改变信号的分布和结构。
交织操作可以分为水平交织和垂直交织两种方式，分别对应着对输入信号的行和列进行重排。
卷积交织原理的应用卷积交织原理在图像处理中的应用尤为广泛。
通过卷积运算，可以实现图像的平滑、锐化和边缘检测等功能。
而通过交织操作，可以改变图像的分辨率和大小，实现图像的缩放和裁剪。
在音频处理和视频处理领域，卷积交织原理同样发挥着重要作用。
通过对音频信号进行卷积运算，可以实现音频的降噪和均衡处理。
而对视频信号进行卷积交织操作，则可以实现视频的去抖动和运动补偿等功能。
实例分析：卷积交织在图像超分辨率重建中的应用图像超分辨率重建是一种通过对低分辨率图像进行处理，从而得到高分辨率图像的方法。
其中，卷积交织原理被广泛应用于图像超分辨率重建算法中。
具体而言，图像超分辨率重建算法首先通过卷积运算对低分辨率图像进行特征提取，然后利用交织操作将提取到的特征进行重新排列，从而得到更丰富的图像特征。
最后，通过进一步的卷积运算，结合先前提取到的特征，可以重建出高分辨率的图像。
总结卷积交织原理是一种重要的信号处理技术，通过卷积运算和交织操作，可以实现对信号的分析和处理。
在图像处理、音频处理和视频处理领域，卷积交织原理发挥着重要作用。
通过不断探索和研究，相信卷积交织原理在未来会有更广泛的应用和发展。
卷积码 交织 网格编码
C1 1 0 1 ， C2 1 0 0 1 C1 0 ， C2 1 C1 0 ， C2 0
11
10
3 4 5 6 7 8 9
0 1 1 1 0 0 0
01 00 10 01 10 11 00
01 10 11 11 01 00 00
4
C1 1 ， C2 0
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（2）卷积译码 卷积码的译码方式基本上分为两大类：代数译码和概率 译码。此处主要介绍概率译码，它是实际应用中最常采 用的译码方法。 Viterbi 引入了一种卷积码的译码算法，就是 1967年， 著名的 Viterbi 算法，之后被证明此算法等价于通过一个 加权图的最短路径问题的动态规划解，实际上就是卷积 码的最大似然译码算法。即译码器的输出总是能给出对 数似然函数值为最大码的码字。 依照上文的思想，论述 Viterbi 译码过程。假设输入 序列 U 1011100 ，输出码字 C 11,10,00,01,10,01,11 ， 经过信道传输之后出现了两个误码，送到译码器的序列 变为 R 10,10,00,01,11,01,11 ，下面就用 Viterbi 算法 来纠正错误。
8
从初始状态 S0 开始接收第一个码元，栅格图往后延 伸到下一个节点时有两条路径，输入0到 S1 和输入1 到 S0 ，然后比较接受到的码元序列与状态转移时的估 S0 到 S0 状态的估计序列是00， 计序列，本例中接收到10， S0 到 S1 的估计序列是11，然后求出两个序列的最小汉 明距离 d ，保留一条具有最大似然值的路径。如果到 达同一节点的两条路径具有相同的最大似然值，则选择 任意一条路径均可，不影响最后的译码。第一个码元译 码结束后开始比较第二个码元，同样按照“比较-保留舍弃”的算法找出最优路径，依次接收完毕全部码元信 息。如图 1-4 所示，展示了译码的完整过程。
卷积码(或者Turbo码)的交织与解交织的仿真编程和仿真实验
卷积码（或者Turbo码）的交织与解交织的仿真编程和仿真实验一、实验目的实现卷积码（或者Turbo码）的交织与解交织的仿真编程和仿真实验，观察交织编码分别在白噪声信道和衰落信道下系统误码率的影响，分析原因。
二、实验原理信道编码中采用交织技术，可打乱码字比特之间的相关性，将信道中传输过程中的成群突发错误转换为随机错误，从而提高整个通信系统的可靠性。
交织编码根据交织方式的不同，可分为线性交织、卷积交织和伪随机交织。
其中线性交织编码是一种比较常见的形式。
所谓线性交织编码器，是指把纠错编码器输出信号均匀分成m个码组，每个码组由n段数据构成，这样就构成一个n×m的矩阵。
这里把这个矩阵称为交织矩阵。
如图1所示，数据以a11，a12，…，a1n，a21，a22，…，a2n，…，aij，…，am1，am2，…，amn(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)的顺序进入交织矩阵，交织处理后以a11，n21，…，am1，a12，a22，…，am2，…，a1n，a2n，…，amn的顺序从交织矩阵中送出，这样就完成对数据的交织编码，如图1所示。
还可以按照其他顺序从交织矩阵中读出数据，不管采用哪种方式，其最终目的都是把输入数据的次序打乱。
如果aij只包含1个数据比特，称为按比特交织;如果aij包含多个数据比特，则称为按字交织。
接收端的交织译码同交织编码过程相类似。
图 1 交织编码矩阵一般来说，如果有n个(m，k)码，排成，n×m矩阵，按列交织后存储或传送，读出或接收时恢复原来的排列，若(m，k)码能纠t个错误，那么交织后就可纠m个错误。
对纠正信道传输过程中出现的突发错误效果明显，如图2所示。
图2 交织编码示例GSM中使用这种比特交织器。
其交织方式为将信道编码后的每20ms的数据块m=456b拆分到8组中，每组57b，然后这每组57 b分配到不同的Burst中三、实验流程卷积交织解卷积交织四、源程序1、交织程序1）卷积交织function [aa]=jiaozhi(bb,n)%jiaozhi.m 卷积交织函数n=28; %分组长度%bb 卷积交织前原分组序列%aa 卷积交织后分组序列%序号重排方式：cc=[ 1 23 17 11 5 17 21; 8 2 24 18 12 6 28; 15 9 3 25 19 13 7; 22 16 10 4 26 20 14 ];%交织矩阵bb=[ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28];for i=1:naa(i)=bb(cc(i));end（2）循环等差交织function [aa]=jiaozhi_nocnv(bb,n)%jiaozhi_nocnv.m 循环等差交织函数n=28; %分组长度%bb 循环等差交织前原分组序列%aa 循环等差交织后还原分组序列%序号重排方式：bb=[ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 ]; j=1;for i=1:nj=rem(j+5-1,n)+1; %序号重排方式迭代算法aa(n+1-i)=bb(j);end2、解交织程序（1）解卷积交织function [bb]=jiejiaozhi(aa,n)%jiejiaozhi.m 解卷积交织函数n=28;% 分组长度%aa 解卷积交织前原分组序列%bb 解卷积交织后分组序列%序号重排方式：cc=[ 1 23 17 11 5 27 21; 8 2 24 18 12 6 28; 15 9 3 25 19 13 7 ;22 16 10 4 26 20 14 ]; aa=[ 1 8 15 22 23 2 9 16 17 24 3 10 11 18 25 4 5 12 19 26 27 6 13 20 21 28 7 14 ]; for i=1:nbb(cc(i))=aa(i);end（2）解循环等差交织function [bb]=jiejiaozhi_nocnv(aa,n)%jiaozhi_nocnv.m 解循环等差交织函数n=28;% 分组长度%aa 解循环等差交织前原分组序列%bb 解循环等差交织后还原分组序列%序号重排方式：aa=[ 1 24 19 14 9 4 27 22 17 12 7 2 25 20 15 10 5 28 23 18 13 8 3 26 21 16 11 6];j=1;for i=1:nj=rem(j+5-1,n)+1; %序号重排方式迭代算法bb(j)=aa(n+1-i);End交织码通常表示为（M，N），分组长度L=MN，交织方式用M行N列的交织矩阵表示。
实验三 扰码、卷积编码及交织
卷积编码技术简介（续）
y3(x)= m(x)g2(x) =(1+x+x3+x4+x5)(1+x+x2) = 1+x+x3+x4+x5+ x+x2+x4+x5+x6+ x2+x3+x5+x6+ x7 =1+ x5 + x7
卷积编码技术简介（续）
y1=1 1 0 1 1 1 0 0 y2=1 1 1 0 1 0 0 1 y3=1 0 0 0 0 1 0 1
S(x) x7 x4 1
为了进行正确有效的解扰，加扰发送数据和解扰接收数据使 用同一个扰码器。发送时，加扰器初始状态设置为伪随机非 0态。为了能估计接收端解扰器的初始状态，在加扰前， SERVI CE字段的7个低有效比特置0，这样在接收端解扰时 就可以以7个0被扰后的结果作为收端扰码器的初始状态， 从而进行有效正确的解扰。
总的输出序列为 Y=[y11,y21,y31,y12,y22,y32, …
= 1 1 1, 1 1 0, 0 1 0, 1 0 0, 1 1 0, 1 0 1, 0 0 0, 0 1 1, …
卷积编码技术简介（续）
由SERVICE，PSDU、尾比特及填充比特组成的 DATA字段按照要求的数据速率，以R=1/2、2/3或 3/4的编码率进行卷积编码。
信息有关。常将N称为约束长度；把卷积码记为：（n，k，N）
其编码效率为：k/n
卷积编码技术简介（续）
卷积码编码器的实例方框图：
(n, k, N) =（3, 1, 3）
循环,卷积,交织编码理论概述
Ik
检错 编码
存储
发
收
ˆ Ik
检错 译码
收
发
3. 前向纠错（FEC） 前向纠错（ ）
不需要双向信道 不会引入停顿 靠纠错编码
9.1.2 差错控制编码的基本原理
如用三位二进制编码来代表八个字母
000 001 010 011 A B C D 100 101 110 111 E F G H
不管哪一位发生错误，都会使传输字母错误 不管哪一位发生错误， 如用三位字母传四个字母
循环码例子
码组
A(D) = a6 D6 + a5 D5 +⋯a1D + a0
左移 3 位 D3 A(D) = a6 D9 + a5 D8 +⋯a1D4 + a0 D3 去除 D7 −1 得余式
a3 D + a2 D +⋯a5 D + a4
上界： 汉明界， 上界： 汉明界， 普洛特金界 下界： 下界： 吉尔伯特界 问题： 给定码长与编码效率， 问题： 给定码长与编码效率，寻找 dmin 码长=63 的分组码设计 例： dmin=5, 码长
从汉明界得， 从汉明界得， r = 2n−k ≥ 2 Ci (d = 5,纠 个 误 2 2 错 ) ∑ 63 min
码多项式表示
A = (an−1−i an−2−i ⋯an+1−i an−i ) 码组 码多项式 A(D) = (a D + a D +⋯+ a D + a ) A = (1011100) 码组 A(D) = D6 + D4 + D3 + D2 码多项式 A = (a a ⋯ a ) a 左移一位
n−1 n−1 n−2 n−2 1 0
交织与解解交织
交织与解解交织
我们知道编码的意义是通过加入冗余位信息的方法，从而在接收端能够发现和纠正由于信道影响而产生的随机错码。
那么如果信码在信道中传输时由于信道或者认为的影响而使一段连续的码元产生大量错误，由于编码长度的有限，通过编码的方法是无法达到纠错的功能的，这就需要我们通过其它方法来解决。
目前比较常用的方法是交织（In terleav e）。
交织本质上是一个将数据序列“扰乱”的过程，这里的“扰乱”实际上是按照一定的人为方式进行重新排列，交织主要由交织器完成。
它的逆过程就是解交织，将重排过的序列恢复到原来的序列顺序。
可以理解的是通过交织以后，原来可能出现的大量连续错误被分散开，成为随机错误，而随机错误我们可以通过编码来解决。
交织器/解交织器的加入将大大提高系统的纠错能力。
但是随之而来的是增加了传输延时，降低了信码的传输效率。
这是因为信号的打乱一般是通过矩阵的读入和读出采用不同的方式而实现的，这样必然带来时间上的损失，而且不同的交织方法对信号的“扰乱”程度是不同的，如果“扰乱”的程度不够的话将得不到很好的交织效果。
所以，高“扰乱”低硬件复杂度和低延时成为设计交织器的关键。
这里我们介绍两种比较常用的交织器的设计。
块交织及解交织实验精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版实验五、块交织及解交织实验一、实验目的通过本实验掌握块交织的特性、产生原理及方法，掌握块交织对译码性能的影响。
二、实验内容1、观察经交织后的卷积编码信号。
2、观察随机差错经解交织后的差错分布，观察突发差错经解交织后的差错分布。
3、观察交织对卷积编码突发差错信号纠错的性能改善。
三、基本原理当移动通信信道出现深衰落时，数字信号的传输可能出现成串的突发差错。
一般的差错编码（如卷积码）只能纠正有限个错误，对于大量的突发误码无能为力。
通信系统采用交织编码和卷积码结合的方式来纠正突发差错。
交织的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，使得纠错编码技术更容易纠正。
常用的交织技术主要有两类：块交织和卷积交织。
块交织通常在数据分块分帧的情况下使用，卷积交织对连续的数据流来说比较使用。
在码分多址系统中，基于数据分帧的情况采用了块交织的形式，所以这里我们仅介绍块交织的有关内容。
描述交织器性能的几个参数如下：①突发长度：突发错误的长度，用B表示。
②最小间隔：突发连续错误分布的最小距离，用S表示。
③交织时延：由于交织和解交织引起的编码时延，用D表示。
④存储要求：交织或解交织过程需要的存储单元的大小，用M表示交织器的性能通常用S/D以及S/M来描述，最小间隔S越大越好，交织时延D和存储要求M越小越好交织器的实现框图如图18-1所示图18-1 分组（块）交织器实现框图由图18-1可见，交织、解交织由如下几步构成： ⑴若发送数据（块）U 经信道编码后为：()112325X x x x x =；⑵发送端交织存储器为一个行列交织矩阵存储器1A ，它按列写入，按行读出，即16111621271217223813182349141924510152025x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(18-1)⑶交织器输出后并送入突发信道的信号为()216111621222525,,,X x x x x x x x x x =(18-2)⑷假设在突发信道中受到两个突发干扰：第一个突发干扰影响5位，即产生于1x 至21x ；第二个突发干扰影响4位，即产生于13x 至4x 。
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卷积交织和解交织原理简介
在DVB-C系统当中，实际信道中的突发错误往往是由脉冲干扰、多径衰落引起的，在统计上是相关的，所以一旦出现不能纠正的错误时，这种错误将连续存在。
因此在DVB-C系统里，采用了卷积交织来解决这种问题。
它以一定规律扰乱源符号数据的时间顺序，使其相关性减弱，然后将其送入信道，解交织器按相反规律恢复出源符号数据。
DVB-C的卷积交织和解交织原理为：交织由I=12(I为交织深度)个分支构成。
每个分支的延时逐渐递增，递增的单元数M=n/I=204/12=17(M为交织基数)。
这里的数据单位为字节。
0支路无延时，1支路延时17个符号周期，11支路则延时l7×11个符号周期。
输入端有一开关随着时间推移依次连接各个延时支路，输出端有一开关与输入端一一对应，同步连接各延时支路。
图1 解交织器的实现框图
图2 解交织器的Modelsim仿真图
解交织器的实现
解交织器的FPGA实现原理
本文采用RAM分区循环移位法来实现，因为RAM里面暂存一位数据，只需要用一个逻辑门大小的资源，比基本寄存器暂存一位数据需要12个逻辑门大小的资源要优化很多。
用RAM分区循环移位法来实现解交织器，就是把RAM
分成11个区。
每个区的大小为(单位为字节)：
Ni=M*(I-i－1)(i=0，1,2, …,(I-1))
这里i为RAM所分区的区号。
因为11支路不需要延时，所以 RAM的11分区大小即N11为0。
本文在RAM前面设置一个地址控制器，这是解交织器关键的一步。
RAM每区有一个首地址和区内偏移地址，分别用一个寄存器来存储。
在地址控制器里产生每区的首地址和区内偏移地址，从而进一步产生RAM的读写地址。
解交织器的FPGA实现
把解交织器的深度I和基数M设成参数，以增强程序的通用性。
如果以后设计的解交织器的系数I和M需要改动，只要把参数值重新设置一下就可以了，不需要改动程序。
由前面的计算可知，解交织器总共需要延时的比特数，也就是RAM的大小应该为8976比特。
可以用下面一段程序实现首地址的初始化：
FirstAddr[0]=0;
for(i=1;i<(I-1);i=i+1)
FirstAddr[i]=(I-i)*M+FirstAddr[i-1];
也就是说0~11支路的首地址在RAM中分别为0，187，357，510，646，765，867，952，1020，1071，1105。
RAM每区的字节数可以由参数来表示，即为(I-i-1)*M，i为分支号。
每区内偏移地址SectAddr[i]初始化为0，每写入一个数据，递增1并与由参数表示的每区的字节数进行比较，若两数相等，则SectAddr[i]重新设为零，保证区内偏移地址在每区内循环移动。
由上可知，RAM每区的读写地址为：FirstAddr[i]＋SectAddr[i](i 为RAM分区号)
图1所示的就是由Altera MegaWizard工具配置的双口RAM。
RAM 每区的读写地址相同，也就是先读出给定地址单元的数据后，再写入新的数据。
这里要同时发生读写操作，所以要使用双口RAM。
每隔一个时钟周期，RAM读写指针就跳到下一个RAM区，这样读写指针在RAM的11个区循环移动，实现解交织。
图2为解交织器在Mentor公司的Modelsim SE环境下的逻辑仿真图。
Clk为时钟信号，Reset为异步复位信号，ClkEn为时钟使能信号，高电平有效，FrameFirstIn为帧同步信号，高电平有效。
DeinterleaverIn为输入数据。
设计时要注意数据同步问题，要不然会造成数据错位，导致设计的失败。
DeinterleaverIn为了在selector模块输入时和RAM的输出数据q保持同步，要作相应的延时，同步延时后DataIn4，同理，对应地RAM的输入数据DataIn1，
selector模块的使能信号ClkEn4等也是经过同步处理得到。
Flag为selector 模块的选择控制信号，当Flag信号为0~10时，选择RAM的输出数据q作为输出，而当Flag=11时，则选择DeinterleaverIn经过同步处理后的数据DataIn4作为输出，从而保证在解交织器的11支路实现无延时输出。
在解交织器的最前面输出的字节有些是无效的，加一个DataEffect模块是为了等全部字节都有效时，才把FrameFirstOut信号置高，告诉后面的模块数据开始全部有效。
从资源利用方面考虑，使用RAM分区循环移位法来实现DVB-C解交织器比全部用基本寄存器或用配置FIFO的方法来实现要优化得多。
为了更好地验证，本文把设计在synopsys 公司的synplify pro 软件环境下进行综合，选用Altera公司的Cyclone EP1C12Q240C8器件。
因为使用了软核IP，所以再把生成的*.vqm文件导入synopsys公司的QuartusII 软件进行再综合，选择同样的器件类型和型号，结果说明采用双口RAM设计所使用的逻辑单元较少，而且使用的8976比特RAM资源占用了Cyclone器件中的3个M4K，只有全部存储资源的3%。
结语
虽然采用卷积交织会在刚开始传输数据的时候输出一些无效数据，在系统中引入一定的延时，但是它能把突发干扰造成的突发错误分散成随机错误，利于RS纠错，这样一权衡，有延时也是很值得的。
本文利用EDA工具完成解交织器的设计，并且采用Verilog和原理图协同输入的设计方法，大大提高了设计效率。
这里设计的解交织器具有通用性，如果要用不同深度I和基数M的解交织器，只要重设程序里的参数值就可以了，非常方便。