信道编码技术的研究

第卷第期桂林电子科技大学学报VolNo.年月JournalofGuilinUniversityofElectronicTechnology.1信道编码技术的研究王广耀桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004摘要：随着科学技术的飞跃发展，信道编码技术逐渐走入人们的视野，对无线信道传输数据的有效性和可靠性的要求也不断提高。无线信道具有衰减性、时变性、干扰大等特点。因此通过信道编码提高传输数据的可靠性实现起来较为困难。大致实现过程为：信道编码在信息码元中插入一些监督码元，使得整体码元具有一定规律。当出现传输错误时，可以通过规律对错误进行检测乃至纠正。编码是为了增强信号在信道中传输的可靠性，也是为了控制码元差错，可以对干扰造成的误码进行检错和纠错。关键字：可靠性；有效性；编码；纠错ResearchonchannelencodingtechnologyWangguangyaoCollegeofinformationandcommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004Abstract:Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,channelencodingtechnologygraduallyintopeople'svision,therequirementforthevalidityandreliabilityofthewirelesschanneltransmissiondataisalsoincreasing.Wirelesschannelhasthecharacteristicsofattenuation,timevariationandinterference,soitisdifficulttoimprovethereliabilityoftransmissiondatathroughthechannelofencoding.Theapproximaterealizationprocessis:thechannelencodinginsertsomesymbolsintheinformationsymbolsinsupervision,thewholesymbolhascertainregularity.Whenatransmissionerroroccurs,theerrorcanbedetectedandcorrectedbytheruleoflaw.Codingistoenhancethereliabilityofsignaltransmissioninthechannel,butalsotocontrolthesymbolerrorcanontheinterferencecausedbytheerrordetectingandcorrectingerrors.Keywods:reliability;validity;encoding;errorcorrection1引言1.1研究意义及发展现状近些年来，随着数字通信的快速不断发展，传统的模拟通信逐渐淡出人们的视野。人们对通信质量的要求也日益苛刻，希望找到一种方法，在保证数据传输一定有效性的情况下，设计出一种方案减小误码率，即提高数据传输的可靠性。因而在系统的设计中差错控制是核心部分。然而，在非理想条件中，总会有不同程度的干扰，如数据在传输过程的自身不断衰减、信道中的白噪声等会导致接收方收到的数据发生了误码。因此，为了确保数据在传输过程中的可靠性，必须在传输过程中增加一种保护措施。差错控制编码就是这样一种应用，在数字通信中保护数据不被噪声干扰，通过添加监督码元来实现对数据的差错控制，以此来降低误码率，从而提高数字通信的质量。信道编码就是通过添加冗余码元来使通信系统具备一定的纠错能力和抗干扰能力，这样便可以极大地降低码元在传输过程中发生误码的可能性。近年来，在信道编码定理的指引下，人们一直致力于寻找能满足现代通信业务要求、性能优越的一种编码方式，并在线性分组码、卷积码、Turbo码经过好长时间的研究终于研究出了许多性能优良的编码方法，如LDPC码、分组-卷积级联码等，在这些编码技术中纠错性能最好的编码方式包括级联码、TCM技术和软判决译码。虽然上述编码技术都对信道编码的设计和发展产生了重大影响，但是其增益与香农理论极限始终都存在一定的差距。20世纪90年代以后。以迭代译码为基础的高效差错控制编码成为主要研究对象，不再将精力放在以代数为基础的代数信道编码技术的研究2码上，而是寻找新的纠错码的编码方式。其中有以Tanner图为基础发展起来的编译码的可视化方法，总之，为实现高效纠错，不是采用级联方式构造随机长码，就是采用迭代译码，或两者均采用，以逼近Shannon限。1.2主要研究主要内容本论文旨在设计出一种信道编码方案，研究的主要内容有：（1）研究、分析数字通信系统的基本框架与原理；（2）研究、分析信道编码的基本理论，结合理论利用Matlab实现其算法的仿真。本文的主要结构如下：（1）绪论。主要介绍课题的研究意义、发展现状。（2）第二章为数字通信系统的基本理论，对数字通信系统和无线信道作简单理论的介绍。（3）第三章介绍信道编码的基本原理，主要介绍信道编码的基本概念及信道编码的分类。（4）第四章主要介绍三种信道编码方法，有线性分组码、卷积码、Turbo码，并利用Matlab仿真及分析其性能。2数字系统的基本理论2.1数字通信系统简介数字通信的基本特征是：具有离散的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题。另外，以下的问题也对通信系统造成了一定干扰：第一，如果传输的信息的安全性很重要，可以在发送端对其进行加密处理，然后在接收端根据一定的规律将源码抽取出来即可，即解密。第二，尽量保证发送端与接收端保持相同的步调，否则很可能会因为不协调而产生误码。第三，数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错是可以通过差错控制编码来控制的。于是，在发送端增加一个编码器，在接收端接一个解码器就显得尤为重要。另外，在数字通信系统中同步问题也不可忽视。图2.1数字通信系统模型图2.2无线信道通信中的无线信道其实是物理媒介，它主要起到一种桥梁的作用，将信源输出的信号发送给信宿，信道的一般组成如图2.2所示图2.2信道的一般组成图3信道编码3.1信道编码简介及其意义信源信源编码加密信道编码调制器信道解调信道译码解密信源译码信宿噪声源编码器调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器信道编码技术的研究3数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续等现象。所以通过信道编码这一环节，对数据进行相应的处理，使系统具有一定的检错纠错能力和抗干扰能力，可最大程度地避免误码的发生。由于信道中的加性干扰不能通过均衡等方法完全消除,因此在通信系统中，必须采取一定的措施来纠正错误，降低系统的误码率。信道编码就是一种非常有效的措施。信道编码的任务就是，在发送端信号中添加一定的监督码元，在接收端通过这些冗余码元来进行检错及纠错。添加监督码元会降低系统的编码效率，但是这些代价是可以接受的。信道编码正是基于此提出并发展起来的。3.2信道编码的分类差错控制的基本方式大概可以分成两大类，第一类是反馈方式，包括自动反馈重发(ARQ)和混合纠错(HEC)等方式，反馈方式比前向纠错要简单得多，但必须有反馈信道。第二类被称为前向纠错（FEC）方式，FEC为单项传输且构造十分复杂。在接收端，FEC方式下译码器能进行自动纠错，但一旦发生错误，则不再请求传输，故其不需要有反馈信道。FEC方式有许多种分类，我们经常适用的有的有分组码和卷积码、线性码和非线性码等。自动反馈重发(ARQ)：发送端经过简单编码后发送出码元，这些码元是在信息码元中添加了少许的冗余码元，利用这些冗余码元能够检查错误，接收端接收这些码元并对它们进行检测，如果检查出错误，就利用反馈信道通知发送端重新发送。这个动作是不断重复的，并一直持续到接收端接收到正确的信息才结束。分析上述过程，因为需要使用反向信道发送反馈应答信号，所以成本和复杂度均会较高，且实时性也较差。混合纠错（HEC）：发送端经过编码后发出的码组具有检错、纠错的能力。在接收端接收到的码组中存在少量错误的时候，混合纠错方式能够自动完成纠错吗，在能检测到错误的前提下，若出现的差错量超出了纠错能力范围，则接收端利用反馈信道发送反馈信息。发送端接收到反馈信息后将重新发送信息。HEC方式可以理解为是FEC方式与ARQ方式的结合。4信道编码方法的研究4.1线性分组码4.1.1线性分组码的特点（n,k）线性分组码就是把信息序列分组，且每组含有k个码元，最后一组的码元不够k个时则补零，每个小段信息在经过编码器编码时，编码器依照某种既定规律使其产生r个监督码元，从而得到长度为n=k+r的码字，对于任一个（n,k）线性分组码，当最小汉明距离为dmin时，其检错、纠错能力很容易求得。4.1.2线性分组码的基本概念差错控制编码在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高传输正确性和有效性的技术。差错控制编码包括差错检测、前向纠错（FEC）和自动请求重发（ARQ）。根据差错性质不同，差错控制编码分为对随机误码的差错控制和对突发误码的差错控制。随机误码指信道误码较均匀地分布在不同的时间间隔上；而突发误码指信道误码集中在一个很短的时间段内。有时把几种差错控制方法混合使用，并且要求对随机误码和突发误码均有一定差错控制能力。一种保证接收的数据完整、准确的方法。为了发现这些错误，发送端调制解调器对即将发送的数据执行一次数学运算，并将运算结果连同数据一起发送出去，接收数据的调制解调器对它接收到的数据执行同样的运算，并将两个结果进行比较。如果数据在传输过程中被破坏，则两个结果就不一致，接收数据的调制解调器就申请发送端重新发送数据。4.1.3线性分组码的基本原理及编码方法实际信号传输由于噪声等干扰因素必然存在传输误差。表征差错程度的主要参数就是差错概率。循环码在编码时，首先需要根据给定循环码的参数（n,k）确定生成多项式g(x)，也就是从x^n+1的因子中选一个（n-k）信道编码技术的研究4次多项式作为g(x)。利用循环码的编码特点，即所以循环码多项式A(x)都可以被g(x)整除，来定义生成多项式g(x)。根据上述原理，可以对给定的信息位进行编码。对于(n,k)循环码，设m(x)表示信息码多项式，根据循环码编码方法，其次数必小于k。而xn-km(x)的次数必小于n,用xn-km(x)除以g(x)，可得余数r(x)，r(x)的次数必小于g(x)的次数（n-k）。将r(x)加到信息位后作监督位，即将r(x)+xn-km(x)就得到了系统循环吗。因此，编码步骤可以归纳为：用xn-k乘以m(x)。这一运算实际上是把信息码后附加（n-k）个“0”。例如，信息码为110，它相当于m(x)=x^2+x。当n-k=4时，xn-km(x)=x^6+x^5，相当于1100000。求r(x)。由于循环码多项式A(x)都可以被g(x)整除，因此，用xn-km(x)除以g(x)，就得到了商Q(x)和余式r(x),这样就得到了r(x)。求A（x）。编码输出系统循环码多项式A(x)为：A(x)=xn-km(x)+r(x)。上述（n,k）循环码的编码过程，在硬件实现时，可以利用除法电路来实现，这里的除法电路采用一些移位寄存器和模2加法器来构成。当信息位输入时，开关位置接“2”，输入的信息码一方面送到除法器进行运算，一方面直接输出：当信息位全部输出后，开关位置接“1”，这时输出端接到移位寄存器的输出，这时出发的余项，也就是监督位依次输出。4.2卷积码4.2.1卷积码编码概述卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此在卷积码的上部采用RS码块，RS码适用于检测和校正那些由解码器产生的突发性错误。所以卷积码