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43.数字通信系统数据纠检错方法研究,毕业设计

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数字通信数据纠检错研究 一 研究背景 本课题主要根据电力线载波通信系统这一工程背景对信道纠检错编码进行性能分析 ， 电力线载波通信技术出现于本世纪二十年代初期。它以电力线路为传输通道，具有通道可靠性高、投资少见效快、与电网建设同步等电力部门得天独厚的优点。在我国，四十年代已有日本生产的载波机在东北运行，做为长距离调度的通信手段。经过几十年的发展，目前已具相当的规模和水平。但是也出现了一定的问题 ,其中比较束手的问题就是数据传输的可靠性问题。电 力线通信是继电信、电话、无线通讯、卫星通讯之后的又一通信网 .电力线载波通 讯就是以电力网作为信道 ,实现数据传递和信息交换 .因为电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介 ,所以利用电力线实现数据通信有着很大的经济效益和应用前景 .由于低压范围内电力线网络的非规则性、传输距离的随意性、以及电力线上负载变化的多样性 ,使得干扰问题成为制约低压电力线载波通信发展和普及的主要障碍 2.因此对于电力线载波通信信道中纠检错编码的研究显得由为重要 . 正如文献 1中所说， 近年来，由于各种通信方式在白动抄表系统中的成功应用，特别是电力载波方式 (无须另设通信电缆，尤其适合于现有居民电表的 改造 )，使自动抄表系统得到迅速发展。随着我国“三金工程”的发展，“个人银行帐户制”将开始实行，银行对电、水、煤气等费用的全面托收，一旦自动抄表系统进入银行计算机网络，则直接可以通过银行完成收费，大大地提高了经济效率和社会效 率 。 二 纠检错编码的国内外发展状况 纠错编码的发展大致可分为以下几个主要阶段 : 50年代至 60年代初，主要研究各种有效的编、译码方法，奠定了线性分组码的理论基础 ;提出了著名的 BCH码编、译码方法以及卷积码的序列译码 ;给出了纠错编码的基本码限 ;还出版了纠错编码的 第一本专著。这是纠错编码从无 到有得到迅速发展的年代 3。 60年代至 70年代，不仅提出了许多有效的编译码方法，如门限译码、迭代译码、软判决译码和卷积码的维特比 (Viterbi)译码等，而且注意到了纠 错编码的实用化问题，讨论了与实用有关的各种问题，如码的重量分布、译码错误概率和nts不可检错误概率的计算、信道的模型化等，所有这些问题的研究为纠错编码的实用打下了坚实基础。在此期间，以代数方法特别以有限域理论为基础的线性分组码理论己日趋成熟。这个时期，是纠错码发展过程中最为活跃的时期 3。 70年代初至 80年代，这是纠错编码发展史上具有极其重 要的时期。在理论上以戈帕 (Goppa)为首的一派学者，构 造了一类子码能达到香农在信道编码定理中所提出的码 香农码所能达到的性能，这在纠错编码历史上具有划时代的意义3。 三 通信系统纠检错编码分析 3.1 编码与非编码通信系统性能比较 将编码引入任意的系统设计，其主要目的在于降低其他组件的成本。可靠的通信通常可以通过简单而昂贵的方法实现，例如增加功率。设计良好的编码方案应当降低总的系统成本，并使整个系统的性能和原来一样，甚至更好 6。 采用纠错编码技术可以大大降低误码率。但是信息率降低了。 信息传输的可靠性是用降低信息率来换取的。香农曾证明过一个定理。定理指出：对于有干扰的信道，存在一定的信道容量 c，只要信息传输速度不超过信道容量 c，就一定存在一种编码方法，使误码率任意小 5。 3.2 码性能和编码增益 编码引入了额外的比特，所以我们要么增加发送每条给定信息的时间，要么必须增加带宽（通过更快的传输来实现）。二者都会增加消息所承载的总噪声；前者是因为传输时间加长而使噪声增加，后者是因为更多的噪声落在频带内。若码率为 50%，如果保持传输的比特率和功率不变，单位比特信息的能量会加倍，若码提供真正的 增益就必须克服这增加的 3db能量 6。所谓编码增益就是在编码之前，若要达到某一误比特率，就要使单位比特信息能量与噪声能量谱密度的比值为某一值，而在编码之后该值所减少的值。 3.3 检错与纠错的比较 检错与纠错没有谁更好的问题，纠错技术通常要求终端有更好的软硬兼件开销，这种技术用于错误很少的场合并不总是合理的，这时候要求重发通常更经济，错误频繁发生时，由于不断增加的传输而导致的额外开销就会成为问题，这种情形下包含附加的额外比特可能比大量的冗余传输更为经济 8。 3.4 常用检错码 nts 在文献 4中介绍了 几种常用的检错码： （ 1） 奇偶监督码。这种码是最简单的检错码，由于容易实现，所以应用广泛和久远。一般电报、微机系统中应用甚为普遍。 （ 2） 水平一致监督码。这种编码方式的编码率 R和奇偶监督码相同，只是抗干扰能力得到加强，其编译码设备要复杂些。 （ 3） 等比码。等比码是从长度相等的所有各种二进制数字序列中挑选出 1的数目相同的序列作为码字，其他的序列作为禁用码。国际上通用的 ARQ电报通信系统中则采用 7位 3： 4码。 在文献 5中有补充了一种重复码。以上介绍的各种检错码，一般不能纠错，检错能力也有限，之间的关系很少，很难用统一的方法分析。 3.5 常用纠错码及其编译码方法 （ 1） 汉明码。汉明码是一种二元线性分组码，也是循环码。其特点是在能纠正一个错误的诸多二元线性分组码中，它的信息率最大。既然汉明码是一种线性分组码，那么所有适合线性分组码的编译码方法皆适合此码，在文献6中列出可以用奇偶校验矩阵编解码，还可以用标准阵列解码， Dorsch解码算法，这种算法采用软判决解码方法。在文献 4中提到，对于二元对称信道中存在随机干扰来说，最大 似然译码是一个最好的译码方法。此外在文献 2中提到了软件编译码实现。 （ 2） BCH码。 BCH码是一种能够纠正多个随机错误的循环码，是目前发现的一类很好的线性纠错码类，它的纠错能力很强，特别在中短码长下，其性能接近理论值，并且编码方便，构造简单，具有严格的代数结构，是目前为止研究的最为详尽，分析最为透彻的码之一 9。 BCH 码是由任意的伽罗华域的元素构成， BCH码的译码主要有两类。第一种是基于熟知的梅森算法，第二种是欧几里德算法 1。 （ 3） 卷积码。 和分组码不同，卷积码是把信源输出的信息序列，以 ko个 (ko通 常小于 k)码元分为一段，通过编码器输出长为 no(_ k ,)的一段码段。但是该码段的 no- ko 个监督元不仅与本组信息元有关，而且也与其前加段的信息元有关，称 m为编码存贮 。 卷积码己知有三种比较好的译码方法，如下 : . 门限译码 . 序 列译码 . V it erbi译码算法 其中，由 Andrew. J . V iterbi提出的 Viterbi译码算法，是基于码的栅格 (tr ellis)图基础上的一种最大似然译码算法，是一种最佳的概率译码方法 10。 nts预计存在的问题及解决方案 在仿真的问题上预计采用 matlab数学软件来进行模拟，针对不同的纠检错方案，在不同的模拟的带有干扰噪声的情况下进行分析各种纠检错方案的性能，找到一种较适合于电力线载波通信系统的方案。但是在有限的可利用的资源上应该不太容易实现，要反复进行测试才行。 在硬件的实现上采用单片机实现，采用异步串行通信，经济实用，传送和接收不用严格保持同步，在串行通信中可采用奇偶校验法和循环冗余校验法，但是不能检错，如果采用汉明码则可以检一个错误和纠一个错误，但是不能同时纠和检，因此本人希望找到一种既可以纠有可以同时检的码即循环冗余校验和纠错结合起来， 可以使通信的可靠性和有效性同时提高。 总结 将纠检错编码技术应用于电力线载波通信技术中不仅可以提高整个数据传输的可靠性，而且可以大大降低整个系统的成本， 因此，可以预料，随着数字化时代的到来，随着科学的进步和实际的需要，纠检错编码理论必将进一步发展，应用范围也必将进一步扩大。 不仅在电力线载波通信中得到应用，而且在其他的领域也是一个很好的借鉴。 nts参考文献 1电力线载波通信技术研究 ；吕高焕； 中国工程物理研究院 ； 20010119 2低压电力线载波通信系统及抗 干扰问题的研究 ；高宇；广东工业大学； 20040526 3 信道纠错编码的理论研究及其 DSP实现 ；何翠侠；南京理工大学； 20040701 4纠错编码技术；陈宗杰 左孝彪编；人民邮电出版社； 1986.4 5ARQ编码通信；王仲文 编著；机械工业出版社； 1990.8 6差错控制编码； Peter Sweeney著；清华大学出版社； 20