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1、数字通信系统中信道编码技术的研究摘要当今社会，随着科学技术的进步、经济的快速发展，在社会的各个不同领域，现代通信技术的不断发展，其应用领域迅速扩大，对无线信道传输数据的能力要求越来越高。人们对在无线信道中传输多媒体数据(包括语音、数据和图像等)日趋重视。无线信道具有时变性、衰减性、带宽资源有限、干扰很大等特点，因此若想在无线信道中实现多媒体数据的鲁棒性传输是一个具有很大挑战性的工作。要实现上述目标，必须考虑两个问题，第一，即是信源编码问题一目的在于尽量减少信号的冗余，增加系统的有效性;第二，即信道编码问题，与信源编码相反，信道编码是在信息序列中添加适当冗余，使系统能够纠正一定程度上的传输错误，
2、增加系统的可靠性。但是在实际应用中，传输数据的无线信道非常复杂。在传输数字信号的时候，由于信道时变性、衰减性、带宽资源有限、干扰大等特点，以及加性噪声的影响，势必会造成接收端接收到的信号存在一定的差错。为提高无线信道传输数据的质量，应该在保证一定编码效率的情况下将误比特率降到最低。信道编码技术正是降低误比特率、提高通信质量的主要技术手段之一。 本文系统的介绍了数字通信系统的框架及基本原理，回顾了信道编码技术的发展历史，对线性分组码、卷积码、Turbo码做了详细介绍及Matlab仿真，并对仿真结果进行分析比较并得出结论，以使通信能无论在良好的环境还是在相对较复杂的环境下，都能高效、可靠的传输数据
3、。关键词：数字通信, 卷积码, Turbo码 THE RESEARCH AND IMPLEMENTATION ON CHANNEL CODING AND DECODING “TECHNOLOGY IN DIGITAL COMMUNICATION SYSTEMABSTRACT With the rapid development of the new Technology, wireless communication system are widely used in different areas. The requirement of higher capacity of transmit
4、ting data is increasing dramatically for wireless channels.Pay attention to the applications of multimedia data(video,data, image)transmission over the wireless channel. But the wireless channels limited bandwidth resource, time-variation, the severe fading and the high error rates, so that is a big
5、 challenge in order to ensure the reliable multimedia data transmission. We must solve two problems, one is source coding that try to compress the source as to improve the high efficience of the system; the other is channel coding what is contrary to the source coding, try to protect the compressed
6、source through adding some controllable bits in order to enhance the reliability of the system. But the wireless channel is complex in piratical application. Due to the properties of time-varying and damped bandwidth limited, disturbance and noises, there may exist large errors in received signals.
7、In order to reduce bit error rate and improve the quality of communication, channel coding technology is one of the main methods. The paper introduces the system framework and basic principle of digital communication.And then, reviewed the development history of the channel coding technology; introd
8、uced and used Matlab to simulate linear block code、convolution code、 and Turbo code. Analysis the simulation result, and deduce effective coding scheme in order to make communication transmit data efficaciously and reliably whenever the environment is good or relatively complex with it. KEYWORDS: Di
9、gital Communication Convolutional Code, Turbo Code第一章 绪论1.1信道编码研究背景及意义随着现代无线通信技术的迅猛发展，数字信号已经逐渐取代了模拟信号成为主要的传输信号类型，与模拟信号相比较，数字通信具有高抗干扰能力，易于加密提高保密性，可以使用现代数字信号处理技术等优势。通信的目的就是要高速、可靠的把信息从发送端传递到接收端，随着用户对通信质量和实时性等要求的不断提高，通信需要具备更高可靠性、更高速率、更低复杂度等性能。然而，在实际的通信系统中，由于被传输数据无法避免的会受到一定的干扰和噪声等的影响，这就导致接收端接收到的信息和发送端实际发
10、送的信息之间存在一定的差错，信号就存在一定程度的失真。在实际应用中，衡量一个通信系统的优劣，其中的两个指标最为重要，即有效性和可靠性，同时它们也是通信技术设计的重要部分。然而，从信息传输角度来考虑，既要提高通信系统的有效性（即传输速率）又要提高通信系统的可靠性往往是相互矛盾的。为了提高可靠性，可以在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余码元（即监督码元），使他们满足一定的约束关系，以期达到检错和纠错的目的。但是，由于添加了冗余码元(监督码元)，导致传输信息的速率下降；同时，为了提高有效性，信号以简洁、快速的方式传输，这样在遭到干扰和噪声时，其自我保护能力大大下降，从而降低了传输的可靠性。于是
11、，在实际通信的应用中，采比较折中的方式，可在确保可靠性指标达到系统要求的前提下，尽可能的提高传输的速率；抑或在一定有效性的指标下，尽量提高传输的可靠性。通信技术一直致力于提高信息传输的有效性和可靠性，其中保证通信的可靠性是现代数字通信系统需要解决的首要问题。由于信道的特性复杂，当调制好的信号在信道里进行传输的时候，必然要受到信道的影响，信道的影响可以分成以下三个主要方面：第一是信道本身对信号的产生的衰落：由于信道本身频率响应特性不理想，造成对信号的破坏；第二是信道中的各种噪声，如背景噪声，脉冲噪声等等，这些噪声叠加在信号上面，改变信号的幅度、相位和频率，使信号在解调时产生错误；第三，是信号在传
12、输过程中由于反射或沿不同路径传播从而带来的叠加效应，即多径效应，这会带来时间上前后信号互相干扰。总之这三种加性干扰都会导致在接收端信号解调的错误，使系统的误码率大大增加。导致了其在无线信道中传输过程极易受到干扰而使码元波形变坏，所以传输到接收端后可能发生错误判决。 信道的信道编码技术正是用来改善通信可靠性问题的主要技术手段之一。实际应用中，一个通信系统一般包含信道编码和信道译码两个模块。信道编码的主要目的是为了降低误比特率，提高数字通信的可靠性，其方法是在二进制信息序列中添加一些冗余码元（监督码元），与信息码元一起组成被传输的码字。这些冗余码元是以受控的方式引入，它们与信息码元间有着相互制约的
13、关系。当在信道中传输该码字，如果错误发生，信息码元和冗余码元之间相互制约的关系就会被破坏。那么在接收端对接收到的信息序列按照既定的规则校验码字各码元的约束关系，从而达到检错、纠错的目的。通过信道编码这种方法，可以有效的在接收端克服信号在无线信道中传输时受到噪声和干扰产生的影响。信道译码也就是信道编码的逆过程，即接收端将接收信息序列按照既定约束关系，同时去掉比特流在传播过程中混入的噪声干扰和添加的冗余，恢复比较完整、可靠的信息的过程。对于一个无线信道来说，非线性、时变、多普勒频移等信道特征和来自外界的干扰等等因素，会使得数据经无线信道后总会产生一定的差错，因此，信道编码在数字通信中必不可少。信道
14、编码的方式有很多，例如线性分组码、卷积码、Turbo 码等等。在第 3 代移动通信系统中，一般情况下，卷积编码方式多用于实时业务，Turbo 编码方式多用于非实时业务。1.2 信道编码技术的发展历史1948 年香农(Shannon)发表通信的数学理论这篇文章，该文章对信道编码技术的展有着举足轻重的作用，从此信道编码技术的研究方向开始变得明确。在接下来的近五十年，各种新的信道编码方案也不断被研究者们研究出来，且这些编码方案的性能与最佳限（香农最佳极限）逐渐接近。到 1958 年，主要的编码方案有汉明码和格雷码等。Shannon 指出，在信息传输速率 R 小于或等于信道容量 C ，即 R C时，可
15、以通过信道编码的方法来实现可靠通信，可是 Shannon 只提出了这种理论，却未给出具体实现的方法。1950 年 R.Hamming 针对计算机经常出现的问题编写了使计算机能在正常运行的过程中具备检错、纠错性能的解决程序。Hamming 编写的程序主要思想为：将输入的信息比特分组，且每组含有四个比特，然后计算每组四个比特之间的线性组合方程式，并求出三个冗余比特（校验比特）。由此，每组中除了含有四个信息比特，还含有三个冗余比特，它们共同组成待传送的码字。将含有七个比特的码字输入到计算机，计算机利用其中的三个冗余比特，根据某种规则和算法，达到检错和纠错的目的。汉明码是分组码中的一种，它的编码思想也
16、是分组码的编码思想，且这种编码方案后来被称之为汉明码。汉明码是在原编码的基础上附加一部分代码，使其满足纠错码的条件。它属于线性分组码，由于线性码的编码和译码能轻易实现，至今仍是应用最广泛的一类码。汉明码的抗干扰能力较强，但付出的代价也很大，比如 8 比特汉明码有效信息只有总编码长度的一半，可以纠正 1 个差错发现 2 个差错。在实际应用中经常存在各种突发干扰，使连续多位数据发生差错。为了纠正 3 个以上的差错，就要加大码距，使代码冗余度大大增加，通信效率下降。虽然汉明码的思想是比较先进的，但是它也存在许多难以接受的缺点。首先，汉明码的编码效率比较低，它每 4 个比特编码就需要 3个比特的冗余校验比特。另外，在一个码组中只能纠正单个的比特错误。格雷码(Gray Code) 是由法国工程师 Jean-Maurice-EmlleBaudot 提出的一种编码，而因 1953 年 Frank Gray 申请
