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1、第8章 信道编码技术,信号源,信源编码,信道编码,载波调制,载波解调,信源解码,显示装置,信道解码,数字声音,附加数据,传输通道,加性噪声 干扰、多径,数字声音,附加数据,通信系统的基本构成,信道,通信系统主要性能指标,通信系统性能指标涉及要素 有效性：传输信息的速度，传输一定信息所占资源（带宽和时间）； 可靠性：通信传输质量； 适应性：使用的环境条件； 经济性：系统的成本； 标准性； 维修性、工艺性、保密性。 从信息传输的角度看，有效性和可靠性是矛盾的主要方面。,通信系统主要性能指标,模拟通信系统的性能指标 有效性度量： 系统的频带利用率 可靠性指标： 接收端最终输出信噪比 数字通信系统的性
2、能指标 传输速率和频带利用率 传输速率可分为码元传输速率和信息传输速率两种。,通信系统主要性能指标,码元传输速率 (RB) 又叫符号速率，它表示单位时间(每秒)内 传输的码元(符号)的数目。其单位为波特，常 用B表示。简称波特率。 码元速率、数码率、传码率、波特率、波 形速率、调制速率。,例：某数字通信系统2s内传送3600个码元， 其码元速率为1800B。,通信系统主要性能指标,码元宽度或码元周期TB 相邻两个码元发送的时间间隔 TB=1/RB 信息传输速率(Rb) 又叫信息速率，它表示单位时间(每秒)内传送数据信息的比特数。其单位为比特/秒，记为bit/s，或bps。 信息传输速率与码元速
3、率的关系： 若采用N进制传输，则信息速率与码元速率之间的关系为: Rb=RBlog2N （b/s）,通信系统主要性能指标,频带利用率 单位频带的传输速率,例：某数字通信系统在3s内输出3600个码元， 采用4进制传输，则信息速率为2400bps.,通信系统主要性能指标,误码率 在传输过程中错误接收的码元数与传输的总码元数之比。,误信率（误比特率） 在传输过程中错误接收的比特数与传输的总比特数之比。,对于二进制数字通信系统，,信道,信道的定义： 以传输媒介为基础的信号通道 狭义信道的定义和分类： 仅指信号传输媒介的信道称为狭义信道； 分类： 无线信道 有线信道 广义信道 包含有关的“转换器” ，
4、如天线，调制器、解调器等。,信道,广义信道的分类 调制信道：从调制器的输出端到解调器的输入端 编码信道：从编码器的输出端到译码器的输入端,狭义信道 有线或无线传输媒介,调制信道,编码信道,信道,1、对称电缆（双绞线）,对称电缆结构图,有线信道,2、同轴电缆,同轴电缆结构图,信道,信道,3、光纤 光纤传输原理 全反射原理 多模光纤（MMF）和单模光纤（SMF） 光源 LED（Light Emitted Dioxide） 激光 光纤中的色散 限制了光纤的无中继传输距离,第三传输窗口,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB
5、/km),波长 (nm),光纤损耗谱特性,OH离子吸收峰,光纤带宽： 1300nm窗口约100nm， 1550nm窗口约100nm， 共200nm，约30THz,信道,信道,无线信道,电磁波传播特性 影响电磁波传播的因素 大气：电离层、雨雪、空气粒子等 地面：良导体、地面弯曲等 地波传播 电磁波波长与电离层距离地面的高度相比拟，形同波导； ELF、VLF、LF、MF主要使用的传播方式 ELF具有一定的海水穿透能力。,1969年，威斯康辛州建WTF台，十字型天线，各长22.5公里，300A；,1981年，密歇根州又建MTF台，天线各长45公里，150A；,1986年，WTF/MTF台正式投入使用
6、，共指挥161艘潜艇。,美国超长波对潜通信系统,威斯康辛州,密歇根州,信道,天波传播 HF使用的主要传播方式； 主要特点：电离层随机扰动、多径效应。,Multi hop,single hop,信道,视距传播 天线高度与传输距离之间的关系,平坦地面条件下，收发天线高度分别为50m，则视线距离为50km。,信道,对流层散射,无线光传输 红外光、紫外光、激光,信道,微波中继信道,信道,卫星中继信道,信道,陆地移动信道 1）传播衰减：移动信道中自由空间传播损耗,信道,2）反射波与散射波 移动信道的传播路径和平滑表面反射,信道,短波电离层反射信道,短波电离层反射信道是利用地面发射的无线电波在电离层，或电
7、离层与地面之间的一次反射或多次反射所形成的信道。 电离层离地面60600km。当频率范围为330MHz（波长为10100m）的短波（或称为高频）无线电波射入电离层时，由于折射现象会使电波发生反射，返回地面。,信道,电离层反射示意图,信道,多径形式示意图,信道,调制信道的主要特性 绝大部分信道是线性的，即满足叠加原理； 信号通过信道需要经过一定的延时； 信道对信号有损耗（固定或时变损耗）； 有一对或多对输入端，必然有一对或多对输出端； 即使没有信号输入，接收端仍有信号输出（噪声），通常称为加性噪声或加性干扰。,信道,信道对信号的影响：,1、乘性干扰k(t)的影响 2、加性干扰n(t)的影响,二对
8、端的调制信道模型：,把f()设想成一个信号与干扰相乘的形式,信道,乘性干扰k(t) 包含的因素：线性失真、非线性失真、时间延迟以及衰减等； 随时间变化的特性； 调制信道的分类 恒参信道：k(t)不随时间变化或变化极为缓慢；有线信道通常可以看成恒参信道。 随参信道：k(t)随时间t随机变化；移动无线信道为随参信道。,信道,信道模型 （1）加性噪声恒参信道,信道,（2）具有加性噪声的线性滤波信道,信道,（3）加性噪声线性时变滤波信道模型,信道,编码信道包括调制器、解调器和传输媒介 调制信道使调制信号发生波形变化 编码信道对信号的影响是数字序列的变换 与调制信道的关系 解调发生的差错 编码信道模型
9、采用数字信号的转移概率来描述,信道,信道,信道容量：是指信道中信息能够无差错传输的最大速率。 说明：本节讨论的是调制信道（或称波形信道，它是指从发射机调制器输出端到接收机解调器输入端之间的信道）的信道容量。,信道,香农公式 对于带宽有限，平均功率有限的高斯白噪声连续信道，设信道带宽为B (Hz)，信道输出信号功率为S (W)，输出加性高斯噪声功率为N (W)，则可以证明该信道的信道容量为,令加性高斯噪声的单边功率谱密度为 ，则,信道,例：已知黑白电视图像信号每帧有30万个像素，每个像素有8个亮度电平，各电平独立等概出现，图像每秒发送25帧，若要求接收图像信噪比达到30dB，求所需最小带宽。 解
10、：首先计算每个像素的信息量： 每帧图像的信息量为 每秒传输25帧所需传输速率,信道,信道容量必须不小于所要求的信息传输速率。代入信道容量公式得到 得到所需最小带宽,(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；,8.1 信道编码概述,(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。,8.1 信道编码概述,其中，最主
11、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。,8.1 信道编码概述,8.1 信道编码概述,随机信道是指数据流在其中传输时会受到随机噪声的干扰，使高低电平的码元在信道输出端产生电平失真，导致接收端解码时发生码元值的误判决，形成误码。,(1) 随机信道,信道模型,传输通道中常有一些瞬间出现的短脉冲干扰，它们引起的不是单个码元误码，而往往是一串码元内存在大量误码，前后码元的误码之间表现为有一定的相关性
12、。,(2) 突发信道,信道模型,实际的传输通道通常不是单纯的随机信道或突发信道，而是二者兼有，或者以某个信道属性为主。,(3) 混合信道,信道模型,ARQ 方式是：发送端发出能够发现错误的码(检错码)，接收端译码器收到后，判断在传输中有无错误产生，并通过反馈信道把检测结果告诉发送端。发送端把接收端认为有错的消息再次传送，直到接收端认为正确接收为止。 应用ARQ方式必须有一条从收端至发端的反馈信道。,(1) 反馈重发(ARQ，自动重发请求)方式,差错控制编码方式,FEC 方式是发送端发送有纠错能力的码（纠错码），接收端收到这些码后，通过纠错译码器自动地纠正传输中的错误。 优点是不需要反馈信道；能
13、进行一个用户对多个用户的同时通信，特别适合于移动通信；译码实时性较好，控制电路也比较简单。 缺点是译码设备较复杂；编码效率较低。,(2) 前向纠错(FEC)方式,差错控制编码方式,HEC 方式是上述两种方式的结合。发端发送的码既能检错、又有一定的纠错能力。收端译码时若发现错误个数在码的纠错能力以内，则自动进行纠错；若错误个数超过了码的纠错能力，但能检测出来，则通过反馈信道告知发方重发。这种方式在一定程度上避免了FEC方式译码设备复杂和ARQ方式信息连贯性差的缺点。,(3) 混合纠错(HEC)方式,差错控制编码方式,纠错码,随机误码纠错码,突发误码纠错码,分组码,卷积码,分组码,交织码,线性码,
14、非线性码,系统卷积码,非系统卷积码,比特交织码,字节交织码,循环码,非循环码,BCH码,RS码,奇偶校验码,汉明码,纠错码分类,纠错码分类,纠错码分类,信道编码的基本原理,香农的信道编码定理指出：对于一个给定的有扰信道，如果信道容量为C，只要发送端以低于C的信息速率R发送信息，则一定存在一种编码方法，使译码差错概率随着码长的增加，按指数规律下降到任意小的值。这就是说，通过信道编码可以使通信过程不发生差错，或者使差错控制在允许的数值之下。,信道编码的检错和纠错能力,信道编码的检错和纠错能力是通过信息量的冗余度来换取的。为了便于理解，先通过一个简单的例子来说明。例如，要传送A和B两个消息，可以用一
15、个二进制码元来表示一个消息，比如“0” 码代表A， “1”码表示B。在这种情况下，若传输中产生错码，即“0”错成“1”，或“1”错成“0”，接收端将无法检测到差错，因此，这种编码没有检错和纠错能力。,如果用两个二进制码元来表示一个消息，有4种可能的码字，即“00”、 “01”、“10”和“11”。比如规定“00”表示消息A， “11”表示消息B。码字“01”或“10”不允许使用，称为禁用码字，对应地，用来表示消息的码字称为许用码字。如果在传输消息的过程中发生一位错码，则变成禁用码字“01”或“10”，译码器就可判决为有错。这表明在信息码元后面附加一位监督码元以后，当只发生一位错码时，码字具有检
16、错能力。但由于不能判决是哪一位发生了错码，所以没有纠错能力。,编码中的几个定义,纠错码按照检错纠错功能的不同分类，可分为检错码、纠错码和纠删码三种。 纠错码按照误码产生原因的不同，可分为纠随机误码的纠错码和纠突发误码的纠错码两种。前者应用于主要产生独立性随机误码的信道，后者应用于易产生突发性局部误码的信道。,纠错码分类,1.奇偶校验码,9.低密度校验码(LDPC),8.Turbo码,7.分组交织和卷积交织,2.线性分组码,3.循环码,4.BCH码,5.RS码,6.卷积码和维特比(Viterbi)译码,信道编码技术种类,编码定理,香农第二定理阐述了当信息传输率小于信道容量时，通过增加码长可以降低平均错误概率，并且根据随机编码思想对定理进行了证明，但是并没有给出构造好码的具体方法，而随机编码面临编码和译码的困难。,主要编码技术,线性分组码：概念比较简单，但十分重要，特别是有关生成矩阵和校验矩阵的表示和相互之间的关系，以及校验矩阵与纠错能力之间的关系尤其重要。 卷积码，卷积码的码字之间具有相关性，可以利用这种相关性进行译码，
