信道编码讲述

信道，信道编码及作用信道（channel）和通信电路并不等同，用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互方式看有三个基本方式：单工，半双工，全双工通信从信道上传送的信号分为基带（baseband）和宽带（broadband）信号.基带信号：就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上传输。宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而达到发现和纠正错误的目的。为什么要进行信道编码？信息通过信道传输，由于物理介质的干扰和无法避免噪声，信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关系，在做出唯一判决的情况下将无法避免差错，其差错概率完全取决于信道特性。因此，一个完整、实用的通信系统通常包括信道编译码模块。视频信号在传输前都会经过高度压缩以降低码率，传输错误会对最后的图像恢复产生极大的影响，因此信道编码尤为重要。信道编码的作用一是使码流的频谱特性适应通道的频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性；二是增加纠错能力，使得即便出现差错也能得到纠正。信息与通信系统的编码有4种形式：信源编码、信道编码、密码编码和多址编码。信源编码解决了通信系统的有效性问题，通过压缩信源冗余信息来提高通信的效率；信道编码是通过增加冗余位来达到保证通信系统的可靠性（通过牺牲带宽或传输速率来换取可靠性）；密码编码则是保证了系统的安全性；多址编码主要是解决多用户通信问题2.信道编码的基本思想根据一定的规律在待发送的信息码中加入一些多余的码元，以保证传输过程的可靠性。信道编码的任务就是构造出以最小多余度代价换取最大抗干扰性能的“好码”信道编码就是一如冗余度，即在传输的信息码元后增加一些多余的码元（称为校验元，也叫监督元），使受损或出错的信息仍能在接收端恢复。2.信道编码的基本分类1）按码组功能分类：检错码和纠错码检错码能够自动检查接收码字是否错误纠错码能够自动纠正接收码字的错误2）按监督码与信息码元的关系分类：线性码和非线性码线性码是指监督码元与信息码元之间的关系是线性关系，即一组线性代数方程非线性码是指二者具有非线性关系。3）按照信息码元的处理方法分类：分组码和卷积码分组码是将K个信息码元划分为1组，在后面附加r个监督码元，组成长度n=k+r的码组，一般用符号（n,k）表示，其中监督码元仅监督本码组的信息码元。分组码可进一步分为：循环码和非循环码。卷积码也有监督码元和信息码元，但是监督码元不仅与本码组的信息码元有关，而且还与前面若干组信息码元有关，即不是分组监督，而是每个监督码元对它的前后码元都实行监督，前后相连，因此有时称为连环码按照4）按照纠正错误类型分类：纠正随机错误码，纠正突发错误码，纠正混合错误码，纠正同步错误码5）按照码元取值分类：二元码和多元码6）按照编码后信息码元是否保持形式不变：系统码和非系统码系统码的信息码元在编码后保持不变，非系统码的信息码元在编码后发生变化非系统码很少应用，系统码具有广泛应用。最小汉明距离在一种编码中，任意两个许用码字间距离的最小值。以』心表示最小汉明距离dmin与码率R是码的两个最主要的参数dmin表示了码的纠错能力。（n,k,d）表示距离为d,码率为R=k/n纠错码的基本任务之一就是构造出R一定且dmin尽可能大的码，或dmin一定且R尽可能大的码最小汉明距离的性质1）线性分组码的最小距离等于码中码字的最小重量2）（n,k,d）线性分组码有最小距离dmin=d的充要条件是H矩阵中任意d-1列线

性无关，存在d列线性相关。(n,k,d)线性分组码的最小距离d.<=n-k+1若系统码的最小距离d.=n-k+1,则称此码为极大最小距离可分码，简称MDS码汉明码是一种特殊的(n,k,d)线性分组码它是一种能纠正单个错误的线性分组码M元汉明码的n,k,d等参数分别是：mn-k—1码长:n码长:m—1/士白H工了mn—k—1信息位数：k=—rm—1监督位数：r=n-k最小码距dm.n=3BCH码：纠正多个随机错误的循环码若t=1，BCH码就退化成为汉明码实际信道一般都是有噪信道，存在噪声和干扰，使发送的码字与信道传输后所接收的码字之间存在差异信道编码的目的是为了减小差错，以改善通信系统的传输质量有噪信道的三种类型：独立差错信道，突发差错信道，混合信道。独立差错信道：噪声独立随机地影响每一个传输码元，在接收的码元序列中的错误是独立随机出现的以高斯白噪声为主体的信道太空信道、卫星信道、同轴电缆、光缆信道以及大多数视距微波接力信道突发差错信道：噪声、干扰的影响往往是前后相关的，错误是成串出现的实际的衰落信道、码间干扰信道型的有短波信道、移动通信信道、散射信道以及受大的脉冲干扰和串话影响的明线和电缆信道，甚至还包括在磁记录中，划痕、涂层缺损将造成成串的差错混合信道：既有独立随机信道差错也有突发性成串差错信道编码的应用信道编码的应用领域主要包括深空通信、卫星通信、数据传输、移动通信、文件传输和数字音频/视频传输等卷积编码作为信道编码方式中最重要一种，被广泛使用于卫星通信、无人机测控、，深空通信、移动通信、水声通信等数字通信系统，甚至被采纳到某些无线通信的标准之中，如GSM、IS-95和CDMA2000的标准。如：在无人机测控中，与传统的信道改善控制指令传输误码的方式比较，利用卷积码对无人机遥控信道进行编码，在一定信道条件下，其控制指令传输误码有明显下降。在3G系统中，卷积码也得到了广泛的应用。目前常用的信道编码体制有BCH码、RS码、卷积码、Turbo码和LDPC码等BCH码和RS码都属于线性分组码的范畴，在较短和中长码下，具有良好的纠错性能；卷积码在编码过程中引入了寄存器，增加了码元之间的相关性，在相同复杂度下可以获得比线性分组码更高的编码增益；Turbo码和LDPC码在码长较大时性能优异，能极大地逼近Shannon理论极限。在第二代移动通信中应用卷积码和交织，对保证话音和低速数据业务的业务质量（QoS）有很好的效果。第三代系统在第二代的基础上，所需提供的业务种类大大增加，这就对信道编码提出了更高的要求，设计信道编码方案，不仅要从用户业务的要求考虑，如信息的准确度、允许的时延等，也应从提高系统增益的全局第三代移动通信与第二代移动通信在信道编码技术上的重要区别是第三代移动通信采用了高性能的Turbo码10.Turbo码又称并行级联卷积码，将卷积码和随机交织器结合在一起的。由于Turbo码译码算法复杂，译码延时长，所以对于时延要求高的数据业务应用受限。因而低复杂度译码器的设计成为Turbo码译码算法设计的焦点。为了换取复杂度的简化，允许次优性能译码的存在。许Turbo码的译码比标准MAP算法有ldB的增益损失。Turbo码的主要缺点是译码时延长，不适应对实时性要求较高的业务（如视频点播，IP电话），对硬件设备的处理速度要求高，以及由较低的自由距导致的高信噪比时较弱的性能，即“地板效应”等。随着Turbo码的研究发展，在3G移动通信系统设计中，Turbo码以及Turb。思想越来越多地被用于和其他技术的结合上。例如，Turbo码与交织技术相结合、与调制技术相结合、与ARQ相结合等等将成为未来移动通信技术中的热点问题。11.低密度奇偶校验码LDPC-LowDensityParityCheck它是一种特殊的线性分组码，相对于Turbo码,LDPC还有以下优点:（1）不需要深度交织就能获得更好的误码性能;（2）具有更好的分组误码特性;（3）误码平台处误码率相对较低。因此，在最近几年,LDPC成为公认的最佳编码不仅有逼近Shannon限的良好性能，而且译码复杂度较低，结构灵活，是近年信道编码领域的研究热点，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。LDPC码已成为第四代通信系统（4G）强有力的竞争者，而基于LDPC码的编码方案已经被下一代卫星数字视频广播标准DVB-S2采纳。Turbo码尽管在3G通信中获得了主导地位，但与Turbo码相比，LDPC码有以下几点优势：较为系统的优化设计方法，强大的纠错能力，并行译码算法，便于硬件实现，延时远小于Turbo码的串行迭代译码算法，码本身具抗突发差错特性，不需要引入交织器。这些优点使得LDPC码在下一代（