第6章信道编码与交织技术

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1、第6章 信道编码与交织技术,1 信道编码原理 2 分组码 3 卷积码 4 编码增益 5 其他信道编码方法 6 交织编码,编码与解码,在发送端, 把经过采样和量化后的模拟信号转变成数字脉冲信号的过程, 称为编码。 以典型的二进制编码为例: 以n位(bit)二进制数的不同排列组合来表示已经量化了的不同的样值。一种排列组合, 即一个二进制数码组, 对应一个量化值, 然后以二值脉冲的形式把这些数码组表示并连接起来, 就形成了数字信息流, 即转变成了数字信号形式。 在接收端, 把数字信号还原为原始模拟信号的过程就叫做解码, 解码是编码的反过程。,通过将模拟信号转换成数字信号的编码过程, 通信系统能够获得

2、如下的益处, 这也是数字通信替代模拟通信的主要原因: (1) 抗干扰能力增强。 (2) 传输距离可以无限延长。 (3) 可以实现各种通信业务的综合传送。 (4) 便于通信和计算机的融合。 (5) 便于实现保密通信。 (6) 便于实现计算机管理;,由于通信信道, 尤其是无线通信信道, 容易受到外界干扰和噪声的影响, 因此导致信息在传输过程中发生改变, 从而在接收端接收不到完全正确的信息。 为了保证通信的可靠性, 必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错。,GSM的源编码与信道编码,GSM移动电话原理框图,CDMA系统移动台简化框图,CDMA系统基站简化框图,信道编码和交织 为了

3、提高数字通信系统性能,信道编码和交织是通常采用的方法.对于衰落信道中的随机错误,可以采用信道编码;对于衰落信道中的突发错误,可以采用交织.实际应用中,通常同时采用信道编码和交织,进一步改善整个系统的性能.,如果系统中信道频域特性比较平缓,均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的, 但系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会, 编码可以采用各种码,如分组码,卷积码等,卷积码的效果要比分组码好.,交织是用来抗瑞利衰落影响的,瑞利衰落是频率选择性衰落,交织扰乱信息的顺序使交织后的突发错误在接收端还原后成为随机错误,这样就比较容易使用纠错编码技术进行纠正.,差错控制方式,信道编码 在数字通信中

4、，根据不同的目的，编码可分为信源编码和信道编码。信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。信道编码是为了降低误码率， 提高数字通信的可靠性而采取的编码。 数字信号在传输过程中，加性噪声、码间串扰等都会产生误码。为了提高系统的抗干扰性能，可以加大发射功率，降低接收设备本身的噪声，以及合理选择调制、解调方法等。此外，还可以采用信道编码技术。,1 信道编码原理 C=Blog2(1S/N),C是可得到的链路速度，B是链路的带宽，S是平均信号功率,N是平均噪声功率 。 香农著名的信道编码定理指出:对于一个给定的有扰信道,若信道容量为C,只要发送端以低于C的速率R发送信息,则

5、一定存在一种编码方法,使编码错误概率P随着码长n的增加,按指数下降到任意小的值.即可以通过增加冗余编码来降低误码率.,信道编码定理指出: 在编码速率小于信道容量的条件下, 通过编码可以使译码错误概率任意小, 从而达到可靠通信。该定理证明: 确实存在一种编码方式, 其误码率随着码长n的增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码, 而且冗余度与误码率存在一定的反比关系。,需要指出的是冗余度越高, 误码率就越小, 系统的可靠性就越高; 但同时, 编码位数就越多, 需要的传输速率就越高, 占用的信道带宽就越宽。 因此, 必须研究编码技术, 在保证系统可靠性的前提下, 尽量降低传输速率, 减小信道带宽。

6、,信道编码的基本思想是按一定规则给数字序列m(称为信息码元)增加一些多余的码元(称为监督码元), 使不具有规律性的信息序列m变换为具有某种规律性的数码序列C; 数码序列中C的信息序列码元m与多余码元之间是相关的。 接收端的译码器利用这种预知的编码规则进行译码, 检验接收到的数字序列R是否符合既定的规则, 从而发现R中是否有错，甚至纠正其中的差错。 根据相关性来发现和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。,信道编码的基本原理,根据一定的规律,在待发送的信息码元中加入一些冗余的码元,以换取信息码元在传输中的可靠性. 称信源待发送的码元为信息码元;称加入的冗余码元为监督(校验)码元. 信道

7、编码的目的是以加入最少的冗余码元为代价,换取提高最大的可靠性.,信道编码的作用 信道编码一般有下列要求： (1)增加尽可能少的数据率而可获得较强的检错和纠错能力，即编码效率高，抗干扰能力强； (2)对数字信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的数字信号内容没有任何限制；,(3)传输信号的频谱特性与传输信道的通频带有最佳的匹配性； (4)编码信号内包含有正确的数据定时信息和帧同步信息，以便接收端准确地解码； (5)编码的数字信号具有适当的电平范围； (6)发生误码时，误码的扩散蔓延小。,其中，最主要的可概括为两点。 其一，附加一些数据信息以实现最大的检错纠错能力，这就涉及到差错控制编码原理和特

8、性。 其二，数据流的频谱特性适应传输通道的通频带特性，以求信号能量经由通道传输时损失最小，因此有利于载波噪声比(载噪比，C/N)高，发生误码的可能性小。,无线通信信道编码框图,广义的信道编码是为特定信道传输而进行的传输信号设计与实现, 常用的信道编码有: 描述编码：用于对特定信号描述, 如NRZ码、ASCII码等。 约束编码：用于对特定信号特性的约束, 如用于减少直流分量的BI码, 用于同步检测的Barker码。 扩频编码：用于扩展信号频谱为近似白噪声谱并满足某些相关特性, 如m序列等。 纠错编码：用于检测与纠正信号传输过程中因噪声干扰导致的差错。 ,纠错编码是应用最广泛的编码, 又可分为如下

9、几类: (1) 按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的编码和纠正突发错误的编码两种。随机错误是指码元间的错误互相独立, 即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否无关; 突发错误是指一个码元的错误往往影响其前后码元的错误概率, 换句话说, 一个码元产生错误, 则后面几个码元都可能发生错误。在移动通信系统中, 既要纠正随机错误, 又要纠正突发错误。 ,(2) 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限于本码组之内, 本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相关; 卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元相关, 而且还与本码组相邻的前n-1个码

10、组的信息码元相关。,(3) 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监督码元之间的关系为线性关系, 即监督码元是线性码元的线性组合, 编码规则可用线性方程来表示; 非线性码的信息码元与监督码元之间不存在线性关系。 (4) 按照码字的结构不同, 可分为系统码和非系统码两种。 系统码是指前k个码元与信息码组一致的编码; 非系统码不具有系统码的特性。 (5) 按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进制码。 二进制码的码元有0和1两个取值, M进制码的码元有M个取值。 二进制码是应用最广泛的编码制式。,根据发送端信道编码的特性, 接收端在解码后采取

11、的差错控制方式有: 前向纠错(FEC)。发送端的信道编码器将信息码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码器对接收码字进行译码, 若传输中产生的差错数目在码的纠错能力之内时, 译码器对差错进行定位并加以纠正。 自动请求重发(ARQ)。用于检测的纠错码在译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的指示, 当有错时按某种协议通过一个反向信道请求发送端重传已发送码字的全部或部分。, 混合纠错(HEC)是FEC与ARQ方式的结合。发端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组, 收端收到码组后, 检查差错情况, 如果差错在码的纠错能力以内, 则自动进行纠正。如果信道干扰很严重, 错误很多, 超过了码的纠错

12、能力, 但能检测出来, 则经反馈信道请求发端重发这组数据。 信息反馈(IRQ)也称回程校验方式。收端把收到的数据, 原封不动地通过反馈信道送回到发端, 发端比较发的数据与反馈来的数据, 从而发现错误, 并且把错误的消息再次传送, 直到发端没有发现错误为止。,纠错码的分类,纠错编码的基本原理首先用一个例子说明纠错编码的基本原理。 现在我们考察由 3 位二进制数字构成的码组，它共有 23=8 种不同的可能组合，若将其全部用来表示天气， 则可以表示 8 种不同的天气情况，如： 000(晴)， 001(云)， 010(阴)，011(雨)， 100(雪)，101(霜)， 110(雾)，111(雹)。其中

13、任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一信息码组。这时， 接收端将无法发现错误。,若在上述 8 种码组中只准许使用 4 种来传送消息， 譬如 000 = 晴011 = 云101 = 阴110 = 雨,分组码例子,1. 分组码分组码一般可用(n,k)表示。其中，k是每组二进制信息码元的数目，n是编码码组的码元总位数，又称为码组长度，简称码长。n-k=r为每个码组中的监督码元数目。简单地说，分组码是对每段k位长的信息组以一定的规则增加r个监督元， 组成长为n的码字。在二进制情况下，共有2k个不同的信息组，相应地可得到2k个不同的码字，称为许用码组。其余 2n-2k个码字未被选用，称为禁用

14、码组。,k,r,n,一般分组码结构如图所示。图中前面 k 位(aN-1ar)为信息位， 后面附加r个监督位(ar-1a0)。,分组码的参数： 码重：码组内“1”的个数 码距：两码组中对应位取值不同的位数，又称汉明距离 最小码距(d0) ：各码组间的最小距离,在分组码中，非零码元的数目称为码字的汉明(Hamming)重量， 简称码重。例如，码字 10110，码重w=3。两个等长码组之间相应位取值不同的数目称为这两个码组的汉明(Hamming)距离， 简称码距。例如 11000 与 10011之间的距离d=3。码组集中任意两个码字之间距离的最小值称为码的最小距离，用d表示。最小码距是码的一个重要参

15、数， 它是衡量码检错、纠错能力的依据。,检错和纠错能力,若分组码码字中的监督元在信息元之后，而且是信息元的简单重复， 则称该分组码为重复码。它是一种简单实用的检错码， 并有一定的纠错能力。例如(2,1)重复码，两个许用码组是 00 与 11，d0=2，收端译码，出现 01、10 禁用码组时，可以发现传输中的一位错误。如果是(3,1)重复码，两个许用码组是 000 与111, d0=3; 当收端出现两个或三个 1 时，判为 1，否则判为 0。此时，可以纠正单个错误，或者该码可以检出两个错误。,码的最小距离d0直接关系着码的检错和纠错能力；任一(n,k)分组码，若要在码字内:(1) 检测e个随机错

16、误，则要求码的最小距离d0e+1;(2) 纠正t个随机错误， 则要求码的最小距离d02t+1;(3) 纠正t个同时检测e(t)个随机错误，则要求码的最小距离d0t+e+1。,t,1,e,A,B,编码效率用差错控制编码提高通信系统的可靠性， 是以降低有效性为代价换来的。我们定义编码效率R来衡量有效性: R=k/n 其中, k是信息元的个数，n为码长。对纠错码的基本要求是: 检错和纠错能力尽量强； 编码效率尽量高；编码规律尽量简单。实际中要根据具体指标要求，保证有一定纠、检错能力和编码效率，并且易于实现。,采用编码降低误码率所付出的代价是带宽的增大 采用编码以节省功率，并保持误码率不变，付出的代价也是带宽增大。 提高传输速率，采用编码以保持误码率不变；付出的代价仍是带宽增大。,编码增益定义：在保持误码率恒定条件下，采用纠错编码所节省的信噪比Eb/n0称为编码增益：式中，(Eb/n0)u 未编码时的信噪比(dB)；(Eb/n0)c 编码后所需的信噪比(dB)。,