摘  要： 基于AVR單片機Atmega16采用（12,8,4）漢明碼和交織技術(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計了一套FEC編解碼方案，并在實際的工業(yè)環(huán)境中進行了測試。測試結(jié)果表明，經(jīng)過FEC信道編碼的通信系統(tǒng)可以有效地提高無線通信系統(tǒng)的可靠通信距離。
關(guān)鍵詞： AVR單片機；漢明碼；交織；FEC；通信距離

　對于工業(yè)級通信系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制命令傳輸?shù)臏蚀_性顯得尤為重要。尤其是某些重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)(例如煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)等)，原則上要求達到100%的準確率，但在實際通信中這是不可能做到的，通常只能要求誤碼率在10-6或更低，這就要求系統(tǒng)具有高效的糾錯功能[1]。本文基于Atmel公司的MEGA系列高性能單片機Atmega16，通過采用（12,8,4）漢明碼與交織技術(shù)相結(jié)合的方法實現(xiàn)了前向糾錯編碼（FEC）方案，并利用TI公司的CC1100芯片構(gòu)建無線通信平臺，在實際工業(yè)環(huán)境中進行了測試。在不加任何FEC編碼的情況下，調(diào)制方式為GMSK，發(fā)射功率為-30 dBm，接收靈敏度為-105 dBm，通信波特率為9.6 kb/s，可靠通信距離為10 m；加入FEC編碼方案，其他條件不變的情況下，可靠通信距離提高到12 m，可見經(jīng)過FEC信道編碼的通信系統(tǒng)可以有效提高無線信號可靠傳輸?shù)木嚯x。
1 漢明碼與交織技術(shù)
    漢明碼（Hamming Code）由Richard Hamming于1950年提出，它屬于線性分組編碼方式。設(shè)原代碼的碼長為k bit，附加糾錯編碼部分為r bit，當碼字長度n=2r-1，r=n-k，r=1，2，…時就稱這種線性分組碼為漢明碼[2-3]。其基本原理是將信息碼元與監(jiān)督碼元通過線性方程式聯(lián)系起來，每一個監(jiān)督位被編在傳輸碼字的特定比特位置上。系統(tǒng)對于錯誤的數(shù)位無論是原有信息位中的，還是附加監(jiān)督位中的都能把它分離出來[4]。
    信息傳輸中，信道噪聲干擾不僅使原代碼的每一位可能出錯，而且附加糾錯位也可能出錯，故具有“一個差錯”的情況共有k+r種，加上“正確”狀態(tài)共有k+r+1種狀態(tài)，而r比特附加糾錯位要能分辨這k+r+1種狀態(tài)。
    對k位碼字的漢明碼進行編碼，所需步驟如下：
    (1)確定最小的監(jiān)督位數(shù)r，將它們記成D1，D2，…，Dr，每個監(jiān)督位符合不同的奇偶測試規(guī)定；
    (2)原有信息和r個監(jiān)督位一起編成長為r+k位的新碼字，選擇r監(jiān)督位（0或1）以滿足必要的奇偶條件；
    (3)對所接收的信息作所需的r個奇偶檢查；
    (4)如果所有的奇偶檢查結(jié)果均正確，則認為信息無誤；如果發(fā)現(xiàn)有一個或多個錯了，則錯誤的位由這些檢查的結(jié)果來唯一地確定。
    漢明碼是一種能糾一位錯的線性分組碼， 由于它的編譯碼簡單，在數(shù)據(jù)通信和計算機存儲系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。然而漢明碼只能糾正一個錯誤，因此，為了使糾錯碼能更好地抵抗由噪聲和干擾引起的突發(fā)錯誤，避免突發(fā)的長干擾或者深衰落，在實際應(yīng)用中往往結(jié)合數(shù)據(jù)交織技術(shù)。交織技術(shù)是指一個數(shù)據(jù)序列在一一對應(yīng)的條件下進行數(shù)據(jù)的位置重排過程。它可以使信道中的突發(fā)錯誤分散開來，將原來屬于突發(fā)錯誤的信道改成獨立的隨機差錯信道，從而充分發(fā)揮糾錯編碼的作用，交織技術(shù)實際上是一種信道改造技術(shù)。本文所采用的交織技術(shù)，其交織度達到400 bit。
2 通信系統(tǒng)平臺設(shè)計
    本文采用ATmega16芯片與一款基于CC1100的無線模塊構(gòu)建無線通信系統(tǒng)的硬件平臺，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    如圖1所示，Atmega16通過串口RS232與CC1100無線模塊進行數(shù)據(jù)交互，無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。實現(xiàn)方案如圖2所示。在發(fā)送端，Atmega16實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包，利用C語言實現(xiàn)FEC編碼和數(shù)據(jù)的交織處理，并通過RS232發(fā)送到CC1100無線模塊，然后經(jīng)過GMSK調(diào)制方式經(jīng)天線將信號發(fā)射出去；在接收端，經(jīng)天線首先通過GMSK解調(diào)信號，然后對數(shù)據(jù)包進行解交織和FEC解碼，然后進行數(shù)據(jù)解包。

3 FEC編碼方案及測試
3.1 FEC編解碼
    FEC接收端不僅能在收到的信碼中發(fā)現(xiàn)錯誤，還能糾正錯誤。對于二進制系統(tǒng)，如果能夠確定錯碼的位置，就能實現(xiàn)糾正。這種方法不需要反向信道（傳遞重發(fā)指令），也不會由于反復重發(fā)而延誤時間，實時性很好。在使用FEC編碼方式時，糾正的錯誤個數(shù)應(yīng)根據(jù)具體情況而定。本文采用了（12，8，4）漢明碼，能糾正一位錯誤。
    在發(fā)送方，根據(jù)式(1)的編碼邏輯，可以將數(shù)據(jù)進行FEC編碼：
  
    接收方將FEC編碼接收進來，并根據(jù)式(2)的編碼邏輯形成接收端的FEC編碼，
    
    然后再對接收的數(shù)據(jù)進行FEC譯碼，譯碼表如表1所示。

3.2 交織方案
    考慮到實際的通信環(huán)境中會存在電火花等瞬間的強干擾，而且有時持續(xù)時間較長，因此在進行交織編碼時采用較長的交織深度，這樣能避免上述情況造成的不利影響。設(shè)計方案為：以400 B為一組，并對其進行FEC后得到200 B，再將這400+200=600 B進行交織并發(fā)送出去，如表2所示。

3.3 測試結(jié)果與分析
    為了驗證FEC編碼的實際效果，對該系統(tǒng)在某工廠車間內(nèi)進行了測試。在未加任何FEC編碼的情況下，調(diào)制方式為GMSK，發(fā)射功率為-30 dBm，接收靈敏度為-105 dBm，通信波特率為9.6 kb/s，可靠通信距離為10 m；加入FEC編碼方案，其他條件不變的情況下，可靠通信距離提高到12 m，可見經(jīng)過FEC信道編碼的通信系統(tǒng)，可以有效地提高無線通信系統(tǒng)的可靠通信距離。
參考文獻
[1] 閻英，劉伯紅，張林.第二代數(shù)字廣播電視系統(tǒng)前向糾錯 編碼硬件實現(xiàn)研究[J]，電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（10）：74-77.
[2] SHU Lin，COSTELLO D J.差錯控制編碼[M].晏堅，何元智，潘亞漢，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[3] 王新梅，肖國鎮(zhèn)，糾錯碼—原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，1991.
[4] 甘家寶.漢明碼校驗原理解析[J].微型電腦應(yīng)用，2007，23（1）：58-64.