【粗解】【通信编码】卷积编码器的简单实现

卷积编码器的简单实现

前言

一周前，通信编码老师布置下一个任务——用C/C++实现卷积编码器，于是乎经过一个星期断断续续的思考和码字，也是成功的在linux下实现了。下面我将一些思路及关键点进行阐述和讲解，望各位看客获益。

在开始讲解前，先申明几点：

如有通信编码课老师刚好是系主任刚好姓丁刚好也布置了这个作业的同学，别慌！自己人！

本程序难度不大，适合C++青铜段的同学们

本文只贴出了部分代码，仅提供思路，“…”处为省略

小弟学识浅薄，纰漏之处敬请指正

思路

由于卷积的计算可以转化为矩阵的计算，因此卷积编码计算的思路大致为：

选定单位脉冲响应（设为gxy,代表第x个输入的第y个输出的单位脉冲响应）

根据输入序列长度（设为seqLen）构建出矩阵（设为gMat）

输入序列（设为seq）与gMat做矩阵乘法得到输出序列

可以看到，不同的卷积编码仅区别于gxy与序列长度。既然序列长度是根据每次输入所改变的，那么只要改变gxy便可以改变卷积编码的类型。因此，我们将gxy及相关参数保存为文件，想要实现不同的卷积编码仅需载入不同的文件即可

部分源码解析

首先是头文件

convCode.h

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <string.h>
#include <fstream>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>

#define MAXLINE 64
#define OUTMAX 36

using namespace std;

class Encoder {//Encoder类，代表编码器

public://图方便将所有成员设为公共，更加严谨的方法是仅留几个函数接口为公共

int m; //准确的说这里因该是v，既是单位脉冲响应作用长度
int num_in;//输入端数量
int num_out;//输出端数量

int g[MAXLINE][MAXLINE];
//此即为gxy，每个gxy为行向量，纵向排列，采用的是二维数组。这里阿婆主为了省事用了静态数组且将大小分配为MAXLINE。更加准确的做法应该是用动态数组方法（如STL中的vector类）

int gMat[MAXLINE][MAXLINE];
//此即为根据输入序列长度确定出来的gMat

int gMatCol;
//此即为gMat的列数

Encoder();
Encoder(int _m, int _num_in, int _num_out);//同上，皆为构造函数

int save(const char *filename);//以filename保存编码器，此处的const表明filename不可被该函数更改
int load(const char* filename);//载入filename保存的编码器

int driveGMat(int seqLen);//根据seqLen导出gMat

int produce(int *u, int seqLen, int *v);//进行矩阵乘法运算。u为输入序列，与对象中的gMat相乘，得到的结果返回给v。这里注意不能将函数中得到的结果序列指针赋予v，因为函数结束后会释放函数中定义的内存块。
};
void help(); //用于显示帮助信息
int load(const char* filename,bool detail); //作为main函数中加载编码器的接口
int save(const char* filename); //作为main函数中保存编码器的接口

头文件包含了所有函数的声明。通过浏览头文件便可对整个程序的脉络有所了解。接下来我们以调用关系出发，分析一下整个程序。

main.cpp

main.cpp中只有main函数。main函数的主要作用为分析输入参数，从而选择调用load(),save()还是help()。这段代码没什么可贴的。

options.cpp

options.cpp中定义了help(),load()和save()函数。

int load(const char* filename, bool detail) {

Encoder encoder; //此处首先定义一个Encoder对象
char buf[MAXLINE]; //缓冲区
int seq[MAXLINE]; //输入序列
int v[MAXLINE]; //输出序列
int seqLen = 0; //序列长度
...
encoder.load(filename); //调用encoder的load()函数，将filename中的内容转载进encoder
...
fgets(buf, MAXLINE, stdin); //从标准输入中得到字符串
...
seq[seqLen++] = buf[i]-'0'; //将buf中的内容送入输入序列。注意空格和空字符串
...
encoder.driveGMat(seqLen); //调用encoder的driveGMat函数，依照序列长度制作出gMat,保存在encoder.gMat中
...
encoder.produce(seq, seqLen, v); //同样是调用成员函数，将输入序列seq与encoder.gMat做矩阵乘法，结果保存在v中
...
//剩下的工作便是输出v了
}

int save(const char* filename) {

char buf[MAXLINE];
Encoder encoder = Encoder();
...
//通过标准输入为encoder中各个成员赋值
...
encoder.save(filename) //调用encoder的save()函数，将encoder的内容保存为filename
}

void help(){
...
//输出帮助信息
...
}

看到这里，我们发现整个代码的关键在于encoder中的成员函数。作者将成员函数的定义统一放在了

Encoder.cpp

Encoder::Encoder() {
...
//为g和gMat初始化为0
...
}

int Encoder::save(const char *filename) {
ofstream out; //定义stream
out.open(filename, ios::out | ios::trunc); //打开stream
if (out.is_open()) {
...
//如果out成功打开，则将encoder中的成员按某种规律保存在filename文件中。注意gMat与输入序列长度有关，因此不能也不用保存
...
}
...
out.close(); //关闭stream
return 1;
}

int Encoder::load(const char *filename) {

ifstream in;
char buf[MAXLINE];
in.open(filename, ios::in);
if (in.is_open()) {
...
in.getline(buf, MAXLINE); //读取文件中的数据，并赋给encoder中的成员
...
}

int Encoder::driveGMat(int seqLen) {

int rowMax = seqLen;
int colMax = (m+ seqLen/num_in - 1)*num_out; //确定rowMax和colMax
int head = 0, tail = m*num_out-1; //head和tail之外的单元全部为零
int ptr[OUTMAX];

memset(ptr, 0, sizeof(ptr));

int trig = 0, trigIn = 0; //这两个变量决定改填入哪个值，trig决定是一个输入中的哪个，而trigIn决定是哪个输入

for (int row = 0; row < rowMax; row++) {
for (int col = 0; col < colMax; col++) {

if (col >= head&&col <= tail) {
gMat[row][col] = g[trig][ptr[trig]];
ptr[trig]++;
if ((++trig)==(trigIn+1)*num_out) trig = trigIn*num_out;

}
else gMat[row][col] = 0;

}

memset(ptr, 0, sizeof(ptr));

if (++trigIn== num_in) {
trigIn = 0;
head += num_out;
tail += num_out;
}
trig = trigIn*num_out;

if (tail >=colMax) break;
}

gMatCol = colMax;

return 1;

}
int Encoder::produce(int *u,int seqLen,int *v) {
int sum = 0;

for (int col = 0; col < gMatCol; col++) {
for (int row = 0; row<seqLen; row++) {

sum = (sum + u[row] * gMat[row][col]) == 1 ? 1 : 0; //在相城中实现半加
}
v[col] = sum;
sum = 0;

}
return 1;

}

结语

到这里，部分源码已经讲解完了，其中“…”处不属于核心代码因此省略。

因特殊原因不能将源码完整的贴出，如需完整源码可以评论表明用途并附上邮箱地址