第六章 信道编码与调制技术基础VIP

2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30651 第六章 信道编码与调制技术第六章 信道编码与调制技术 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30652 信道编码概述信道编码概述 信源编码目的：信源编码目的： 降低数据率，提高信息量效率，实现了传输的可能性；提高传输效率。实现了传输的可能性；提高传输效率。 信道编码目的信道编码目的: 提高系统的抗干扰能力，保证传输的可靠性；保证传输的可靠性； 数字电视广播系统组成方框图数字电视广播系统组成方框图 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30653 信道中的噪声分类信道中的噪声分类 加性噪声：加性噪声： 它与信号的有无及大小无关，即使信号为零，它也存在。这类噪 声有无线电、工频、雷电、火花、电脉冲干扰等。 它与信号的有无及大小无关，即使信号为零，它也存在。这类噪 声有无线电、工频、雷电、火花、电脉冲干扰等。 乘性噪声乘性噪声： 乘性噪声对有用信号调幅，信号为零时，噪声干扰影响也就不存 在了。 乘性噪声对有用信号调幅，信号为零时，噪声干扰影响也就不存 在了。 这类噪声有线性失真、交调干扰、码间干扰以及信号的多径时变干扰 等。 由于噪声不确定， 因此只能用随机信号或随机过程的理论来研究 它们的统计特性。 这类噪声有线性失真、交调干扰、码间干扰以及信号的多径时变干扰 等。 由于噪声不确定， 因此只能用随机信号或随机过程的理论来研究 它们的统计特性。 高斯信道、莱斯信道和瑞利信道 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30654 信道分类信道分类 1) 随机差错信道： 信道中，码元出现差错与其前、 后码元是否出现差错无关，每个 码元独立地按一定的概率产生差错。从统计规律看， 可以认为这 种随机差错是由加性高斯白噪声 信道中，码元出现差错与其前、 后码元是否出现差错无关，每个 码元独立地按一定的概率产生差错。从统计规律看， 可以认为这 种随机差错是由加性高斯白噪声AWGN(Additive White Gaussian Noise)引起的。引起的。 2) 突发差错信道：突发差错信道： 道中差错成片出现时，一片差错称为一个突发差错。道中差错成片出现时，一片差错称为一个突发差错。 通信系统中的突发差错是由突发噪声通信系统中的突发差错是由突发噪声(比如雷电、 强脉冲、 时变信道 的衰落等 比如雷电、 强脉冲、 时变信道 的衰落等)引起的。引起的。 存储系统中，磁带、磁盘物理介质的缺陷或读写头的接触不良等造成 的差错均为突发差错。 存储系统中，磁带、磁盘物理介质的缺陷或读写头的接触不良等造成 的差错均为突发差错。 3）混合信道）混合信道: 实际信道中往往既存在随机差错又存在突发差错。实际信道中往往既存在随机差错又存在突发差错。 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30655 频谱效率（频谱效率（bit/（s.Hz） 又称频带利用率：单位传输带宽上每秒可传比特数。 信噪比（信噪比（S/N）、载噪比（）、载噪比（C/N）与）与Eb /N0 信噪比（S/N）：传输信号的平均功率与加性噪声的平均功率比。 载噪比（C/N）：已调制信号的平均功率与加性噪声的平均功率比。 Eb /N0 ：Eb 表示每传输1bit信息所需能量；N0 表示高斯白噪声的单 边功率谱密度 香农限：香农限： 编码增益：编码增益： 在给定误码率下，信息序列经信道编码后传输与不经过信道编码 传输相比，节约的Eb /N0 值称为编码增益 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30656 提高数字通信可靠性的途径 1、适当增大发送信号的功率 2匹配滤波接收 3合理地选择调制、解调方式 4进行误差控制编码编码 正交编码（TCM） （在第五章讨论，常与调制方法结 合在一起） 纠错编码信号受干扰而出错之后，译码判决能自 动纠错。 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30657 对信道编码的要求 1）编码效率高，抗干扰能力强 2）对信号有良好的透明性，也即传输通道对于传输的信号内容不加限制； 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。 信道编码具体的两个措施： 1） 增加纠错能力） 增加纠错能力即使出现差错，也能自动纠正；即使出现差错，也能自动纠正； 采用采用差错控制差错控制技术；技术； 即在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； 2）减少发生差错的可能性）减少发生差错的可能性使数据流的频谱特性适应传输通道的频谱特 性，以求信号能量经由通道传输时损失最小； 使数据流的频谱特性适应传输通道的频谱特 性，以求信号能量经由通道传输时损失最小； 做到这一点需应用到数字信号序列的频谱形成技术，也即涉及到传输码型的选区和 转换。（采用采用频谱成型频谱成型技术，技术，主要对基带信号进行处理）主要对基带信号进行处理） 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30658 纠错编码的一些基本概念纠错编码的一些基本概念 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh30659 常用的差错控制方式 差错控制方式差错控制方式 1 ARQ方式:自动请求重发方式） 2FEC方式（前向纠错方式）:需要纠错编码，设备复杂； 3、HEC方式（混合纠错方式） 综合ARQ方式和FEC方式 发端 纠错码 收端 前向纠错 FEC 发端 检错码 收端 检错重发 ARQ 判决信号 发端 检错和纠错码 收端 混合纠错 HEC 判决信号 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306510 误码控制（纠错编码）分类误码控制（纠错编码）分类 1、按照基本功能、 检错码：检错码：只能检错不能纠错； 纠错码：纠错码：既能检错又能纠错； 纠删码：纠删码：不仅具备纠错码的能力，而且当误码数量超过纠错能力时， 可将无法纠错的该部分信息删除，或者再配合以掩错措施。 2、按照误码产生的原因 随机误码的纠错编码随机误码的纠错编码：主要针对产生偶发性误码的信道，如高斯信道 等； 突发误码的纠错编码突发误码的纠错编码：主要针对产生短暂误码的场合，如瞬时脉冲干 扰或瞬间信号丢失等情况。 3、按照信息码组与附加数据之间的运算关系 线性码：线性码：两者之间具有线性关系，即满足一组线性方程； 非线性码：非线性码：两者之间不具有线性关系。目前使用较多的编码方式都是 线性码 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306511 4、按照信息数据与附加数据之间约束关系、按照信息数据与附加数据之间约束关系 分组码：每组的监督码元仅与本组内的信息码元之间有确定的检 验关系，而与其它组的信息码元无关； 在分组码中，编码后的码元序列每n位为一组，其中k位是信息码元，r 位是附加的监督码元，r=n-k， 通常记为(n，k)。 分组码的监督码元只 与本码组的信息码元有关。 卷积码：其监督码元数据值不仅与本组的信息码元有关，而且还 与其前面的若干组信息码元之间有约束关系。 卷积码的监督码元不仅与本码组的信息码元有关，还与前面几个码组 有约束关系。 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306512 5.按按信息码元和监督码元位置关系信息码元和监督码元位置关系 系统码；非系统码 概念：在编码后的码组中，信息码元和监督码元通常都有确定的位 置，一般信息码元集中在码组的前k位，而监督码元位于后r=n-k位。 如果编码后信息码元保持原样不变，则称为系统码； 反之称为非系统 码。 系统码： 把信息码元集中安排的编码形式，通常把信息码元集中放在码组的前部，监 督码元集中在码组的后部； 非系统码： 信息位与监督位交替安排 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306513 图 纠错编码的分类 误码控制编 码 突发 错误 检纠 编码 的 随机 错误 检纠 编码 的 分 组 码卷 积 码 线性码 非线性码 系统卷积码 非系统卷积码 循环码 非循环码 CRC码 RS码 奇偶监督码 汉明码 分 组 码 交 织 码 图4-30 纠错编码的分类 按误码产 生的原因 按信息码元与附 加的监督码元之 间的检验关系 按信息码元与附 加的监督码元之 间的约束方式不 同 按信息码元在编 码之后是否保持 原来的形式不变 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306514 kr n 纠错编码中的几个基本概念纠错编码中的几个基本概念 1.信息码元和监督码元 信息码元信息码元:（又称信息序列或信息位）信源编码后得到的被传送的 信息数据比特；通常用k表示。 监督码元监督码元:（监督位或附加数据比特）为检错和纠错而在信道编码 时加入的判断数据位，通常用r表示。 信道编码后的总码元数（码字长度）n = r + k 经过分组编码后的码又称（n，k）码，表示：n 位总码长；k 位信 息码长 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306515 许用码组、禁用码组和编码效率 信道编码后总码长为n的不同码组有2n个。其中，发送的信息码组 有2k个，称之为许用码组，其余的(2n-2k)个码组不予传送，称之为 禁用码组。 许用码组许用码组被传送的2k个信息码组； 禁用码组禁用码组不传送的其余（ 2n-2k ）个码组。 编码效率编码效率：R = k/n = k/（k+r） 编码效率是衡量信道编码性能的一个重要指标。一般地，监督码元越多,检 错纠错能力越强，但编码效率相应地降低。 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306516 码间距离码间距离d及检、纠错能力及检、纠错能力（分组码）（分组码） 1）、码长）、码长：码组或码字中编码的总位数称为码组的长度， 简称码长； 2）、码重：）、码重：码组中非零码元的数目称为码组的重量，简称码重。例如“11010” 的码长为5， 码重为3。 3）码距：）码距：两个等长码组中对应码位上具有不同码元的位数称为汉明 汉明 (Hamming)距离，距离，简称码距。 例如，“11010”和 “01101”有4个码位上的码元不同，它们之间的汉明距离是4。 d（Ci，Cj）= （Cip + Cjp） d（000，110）= 2， d（111，000）= 3 4）、最小汉明距离：）、最小汉明距离： 在由多个等长码组构成的码组集合中，定义任意两个码组之间距离的最小值为 最小码距或最小汉明距离。 对于（n,k）分码组，许用码组为2k个，各码组之间的码距的最小值称为最小码距， 通常记作d0。 它是衡量一种编码方案纠错和检错能力的重要依据。 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306517 5）、最小距离d0与纠错能力的关系 A、在一个码组内为了检测e个误码，要求最小码距： d0 e + 1 (如:000 110 011 101 d0 =2) B、在一个码组内为了纠正t个误码，要求最小码距： d0 2t + 1 C、在一个码组内为了纠正t个误码，同时能检测e个误码，要求最小码距： d0 e + t + 1 2009-12-30A.2.1 传媒学院zlh306518 最大似然译码：最大似然译码： 晴阴检错.纠错能力晴阴检错.纠错能力 a 10不能发现和纠正错误(所有接收的码都为预先约好的 码) 10不能发现和纠正错误(所有接收的码