电话授时系统BCH信道编码技术研究

吕博云，王玉萍，华宇，董道鹏，金晓臻



电话授时系统BCH信道编码技术研究

吕博云1,2,3，王玉萍4，华宇1,2，董道鹏1,2,3，金晓臻1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049；4. 郑州科技学院，郑州 450064）

根据BCH分组码原理，设计了BCH(31,16,7)码的编、解码算法。通过对该分组码在电话信道编码中的MATLAB仿真，验证了在电话授时系统中，是否需要采用该信道编码与所处信道的信噪比有直接关系。在信噪比低于4dB时，可以不进行信道编码；当信噪比高于4dB时，对电话信道进行BCH编码能较好地起到纠、检错作用。此研究为新型电话授时系统的研制提供一种可选的编码方案。

电话授时；BCH分组码；编、解码算法；MATLAB仿真

0 引言

中国科学院国家授时中心于1998年在我国首次建成电话授时系统。该系统主要由时间延迟测量、用户终端反射器、时间发送单元、用户时间终端和调制解调器组成[1]，主要解决通信线路时间延迟的准确测量和特定字符以及时间码传送的问题。为了提高授时精度，目前对电话授时正在进行新的技术研究，本文重点研究BCH码作为新电话授时系统信道编码技术的可行性。

在数字通信领域，信道编码是为了减少信息传输过程中的各种干扰，而对其人为增加冗余数据，使系统具有自动纠、检错能力的编码处理。常用的信道编码技术有分组码和卷积码，BCH码属于分组码中的一种，它具有严格的代数结构，能够纠正多个随机错误，且构造简单，在中短码长情况下性能接近理论最佳值，被广泛应用于各种移动通信中[2]。

有研究表明，建立通路后的电话信道环境优良，其噪声主要是随机噪声，对数据的正确传输影响很小[3]；另外，考虑到所传输的时间信息数据量较少的特性，因此选择BCH码作为新电话授时系统的信道编码技术。

1 BCH码基本原理

2 电话授时系统中BCH码设计

在电话授时系统中，传输的时间信息包括年、月、日、时、分、秒、毫秒、微秒，将各部分十进制信息转换为二进制，若“年”的最大数按99计，则传输的完整时间信息最多为53位。在实际应用中，可将这些信息分为4组，每组16位，不足补零，之后再将64位信息重复20次，即1s传输16×4×20= 1280位信息。

结合BCH码的构造原理及系统设计的复杂性，我们选择二元本原BCH（31，16，7）码，即码长31位、校验位15位、可纠正的随机错误3个，作为仿真验证和BCH编、解码算法设计的参数原型。

2.1 BCH(31,16,7)码编码算法设计

注：表中数据用八进制表示。

图1 BCH（31，16，7）码的15级除法编码器结构

编码器的具体工作过程如下：

4）门1通、门2断，送入第2组信息组，并重复上述过程。

2.2 BCH(31,16,7)码译码算法设计

图2 BCH（n，k，d）码译码器组成框图

BCH（31，16，7）码译码器电路结构设计如下所述。

。 （10）

图3 计算，和的电路结构图

图4 计算，的电路结构图

图5 计算的电路结构图

②计算下式：

对于BCH（31，16，7）码而言，Chien搜索过程电路原理图如图6所示。图6中电路的工作过程如

图6 BCH（31，16，7）码Chien搜索电路原理图

下所述：

④对其余码元纠错过程同于第2步。

3 MATLAB仿真

在MATLAB仿真中[8]，根据电话信道信号传输频率范围为300~3400Hz[9]，设计符号周期为1s，每个符号周期内传输16×4×20=1280位二进制数，故符号频率为1280Hz[2]，再设计载波频率为2kHz，因此调制后的信号频率在720~3280Hz范围，带宽为2560Hz，符合条件。此外，采用2-PAM基带调制，信道噪声为高斯白噪声，在每种信噪比环境下发送200个符号。未使用信道编码和使用BCH（31，16，7）码编码的信号传输误比特率的仿真结果如图7所示。

从图7中可以看到，在低信噪比情况下（Es/No<4dB），未经信道编码的信息误比特率好于经 BCH（31，16，7）码信道编码的信息误比特率，而在信噪比较高时，经BCH信道编码的结果则优于未经信道编码的结果，且其信息误比特率得到明显改善。

4 结论

通过MATLAB仿真分析，在电话授时系统中，可根据信道噪声情况，选择是否采用信道编码。当信道信噪比低于4 dB时，可直接传输数字信息；当信道信噪比高于4dB时，可采用BCH编码，从而降低传输信息的误比特率。

文中详细给出了BCH（31，16，7）码的编、译码算法设计，便于实际应用中硬件FPGA的实现。

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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

中国科学院“西部之光”人才培养计划联合学者资助项目（2012LH01）

吕博云，女，硕士，主要从事信道编码技术研究。