七信道编码地实际应用

编码技术

信道编码的实际应用一、深空通信与卫星通信1Pioneer9solarorbitspacemission(1968):

•r=1/2的系统卷积码+序列译码(Lin&Lyne);2(32,6)RM(Reed-Muller)码:

•1969年用于Mariner号,后来又用于VikingMars号飞船，d0=16,BPSK,G=3.2dB(无编码信噪须9.6dB,用编码后为7.5dB),1dB当时相当于可节省1百万美元。3

Pioneer10Jupiterfly-bymissionandthePioneer11Saturnfly-bymission(1972,1973):

(2,1,32)非系统卷积码(Massey&Costello),df=21,G=6.9dB信道编码在实际通信系统中的应用4TheVoyager1and2spacemissionswerelaunchedin1977toexploreJupiterandSaturn.

•采用(2,1,7)非系统卷积码,df=10,以及(3,1,7)码,df=15,Viterbi软判决译码.G=5.1dB,R=100Mb/s。在卫星通信中的应用(80年代):•Globalstar系统:

(2,1,9)卷积码•

Iridium系统:r=¾,m=7卷积码CCSDS(深空数据系统咨询委员会)TelemetryStandard(1987):采用由RS码与卷积码组成的级连码外码—(255,223)RS码；内码—(2,1,7)卷积码AWGN信道,为使Pb≤10E-6,只需Eb/N0=2.53dB曾用于航海号,加利略号宇宙飞船中。NASA用于深空通信的级连码标准:图1-1标准级联码系统图1-2级连码性能曲线级连码在深空通信的其它应用:•Voyagermissions(1971):(6,4)RS码+(32,6)RM码•Voyagermissions:(24,12)扩展Golay码+(2,1,7)卷积码•(255,223)RS码+(4,1,15)卷积码Turbo码在深空通信与卫星通信中具有广阔的应用前景

(1)ITU国际标准(用于模拟电话线的高速数据传输):Modem标准•V.32标准(1986):该TCM采用2个未编码比特和32点星座图,与同样数据传输速率(9.6kb/s)但不用TCM的V.29相比,可获得3.5dB的编码增益,与未编码的16QAM相比,在10^-5BER时可获得3.6dB编码增益。•V.33标准:采用4个未编码比特,128点星座图,数据速率14.4kb/s,与64QAM相比,编码增益为3.6dB.•V.34标准:该TCM采用16状态(3,2,5)Wei码,以及其它新技术,最高速率达33.6kb/s.（以卷积码为基础与多进制调幅相结合的技术）二、在数据传输中的应用(2)ADSLModemV.32中的TCM技术(a)非线性卷积编码器(b)信号星座图V.34中的TCM技术(a)卷积编码器(b)信号星座图2-116状态(3,2,5)线性四维码原理性方框图1.用于高速计算机内存的纠错码三、在数据存储中的应用•SEC/DED码(DoubleEorrorCorrecting/DoubleErrorDetectingcodes):通常使用截短或扩展汉明码,d0=4•SEC/DED/SbED(single-error-correcting/double-error-detecting/singleb-bitbyteerror-detecting)码•SbEC/DbED(single-bitbyteerrorcorrecting/double-bitbyteerror-detecting)码:采用RS码或BCH码.特殊要求:•必须能快速编译码:用组合逻辑电路,而不是用线性反馈移位寄存器实现并行编译码;•

产生错误不同,通常是m-bit字节错误;•

冗余度要小。内存纠错所用的纠错码:2.用于磁盘/光盘纠错的纠错码:•法尔(Fire)码(60年代)•RS码(自80年代起):用于CD及CD-ROMTheCDformatusesacodingsystemcalledCIRC(cross-interleavedRScodes),whichisacombinationoftwoshortenedRScodesofminimumdistancedo=5over

GF(2^8).Theinfor-mationsequenceisfirstencodedbya(28,24)codeandthenbya(32,28)code.Foraudiosignals,anerrorinterpolatingtechniquecanbeusedtoestimatetheoriginalsignalvaluesbyinterpolatingorextrapolatingfromreliablevaluesforthoseerrorsthatcannotbecorrected.计算机数据存储系统采用具有更强纠错能力的码:ACRC(cyclicredundancycheck)codewith32checkbitsandaproductoftwoshortenedRScodeswithminimumdistanced0=3overGF(2^8)areusedinadditiontotheCIRC.TheencoderforaCD-ROMfirstappendsfourcheckbytesofaCRCtotheuserdataof2048byteswitha4-byteheaderandthenaddseightbytesofallzerosforfutureextension.Alternatebytesaretakenfromtheresultingsequencetoproducetwosequencesoflength1032bytes.Then,afterrearrangingthebytes,eachsequenceisencodedbyaproductof(26,24)and(45,43)RScodestogiveacodewordoflength1170bytes.Finally,thetwocodewordsarecombinedandasynchronizationpatternof12bytesisaddedtomakeonesectorofaCD-ROMhaving2352bytes,asshowninFig.9,whichisthenappliedtotheCIRCencoder.AdecoderforaCD-ROMisdepictedinFig.10.1数字音频广播(DAB):•在FM多路复用DAB中采用(n,k,d)=(273,191,18)循环码,传文本文件时用(273,190)码.•欧洲DAB标准:采用rate-compatiblepuncturedconvolutional(RCPC)codingscheme:

1)UnequalandAdaptiveErrorProtectionwithRCPCCodes:2)TheRCPCCodingSchemefortheEuropeanDABSystem:

四、纠错码在数字音频/视频传输中的应用2数字视频广播(DVB):•第一个标准(90年代):(514,493)BCH码,d=6•采用级连码:(204,188)RS码+(2,1,7)卷积码•欧洲最近的DVB标准(2005):BCH+LDPC码组成的级连码1.GSM数字蜂窝移动通信中的信道编码五、纠错码在移动通信中的应用图5-1GSM编译码器方框图GSM全速率语音的FEC方案图5-2信道编码和交织工作流程图图5-3译码和去交织码工作流程图图5-4全速率话音信道分组循环编码电路图5-5全速率话音(2,1,4)卷积码编码器图5-6全速率话音信道编码与交织流程图2.Turbo码在第三代移动通信中的应用(1)香农信道编码定理的证明:随机编码;码长趋于无穷;最大后验概率译码Turbo码，又称并行级连卷积码（PCCC），是由C.Berrou等在ICC’93会议上提出的[24]。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想，同时，采用软输入迭代译码逼近最大似然译码。文[24]中的模拟结果表明，如果采用大小为65535的随机交织器，并且进行18次迭代，则在Eb/No

≥0.7dB时，码率为1/2的turbo码在AWGN信道上的误比特率(BER)≤10-5，达到了近Shannon限的性能(1/2码率的Shannon限是0dB)。因此，这一超乎寻常的优异性能，立即引起信息与编码理论界的轰动。Prof.ClaudeBerrouProf.AlienGlavieux(2)编码原理图5-7Turbo码编码器框图由两个递归系统卷积(RSC)编码器和一个随机交织器组成，长度为N的信息序列{uk}一方面直接进入第一个分量编码器RSC1，另一方面经过随机交织变为长度相同但比特位置经重新排列的交织序列{u1k}，其中交织器由I=(I1,I2,…,Ik,…IN)刻画。这样就产生了两个不同的校验序列x1p和x2p。为了提高turbo码的码率，除可以选用高码率的分量码外，还可以采用删余(puncturing)技术从这两个校验序列中周期的删除一些校验位，然后再与未编码序列xk复用在一起进行调制。例如，假定图5-7中两个分量编码器的码率均是1/2，为了得到1/2码率的turbo码，可以采用这样的删余矩阵:P=[10,01]，即删去来自RSC1的校验序列x1p的偶数位置比特与来自RSC2的校验序列x2p的奇数位置比特。(3)3G数字移动通信中的Turbo码编码器结构六、纠错码在光纤通信中的应用

纠错码是提高数字通信系统的可靠性,降低误码率的主要技术,在深空通信，卫星通信，移动通信及计算机网络中已得到广泛应用。纠错码在光纤通信中的应用是近年来才提出的,基本原因在于，一是光纤本身有较强的抗干扰能力，二是在光纤通信初期对速率的要求不高，一条光纤只须传输一个波长的信号。随着Internet的普及与迅速发展，通信业务量大增，因而需要采用波分复用(WDM),甚至密集波分复用(DWDM)技术。在长距离或超长距离、大容量DWDM光纤通信系统中，光纤的色散、长距离传输引起的信号衰减、信道噪声以及一根光纤中多个波长之间的干扰会使系统的性能大大下降，为此，在光纤干线上每隔大约80公里就必须进行一次光中继，每隔400公里左右则必须进行一次电信号的再生，从而使建网和运营的成本剧增（中继设备与维护的费用约占网络总成本的70-80%）。1.带内FEC方案带内FEC方案是ITU-T在2000年10月通过的G.707建议中提出的。所谓带内，是指将FEC的冗余监督位置于SONET/SDH原有帧格式开销中的未定义位上，无须增加额外的带宽。该方案适用于4路OC-48/STM-16，或单路OC-192/STM-64信号，线路速率为10Gb/s，速率低于OC-48/STM-16时不使用FEC，高于此速率时须在此方案基础上加上交织技术。该方案的优点是，加上FEC后不会影响SONET/SDH原有的帧格式，线路速率保持不变，而且与不采用用FEC的网络兼容。解决上述问题的关键是在光纤通信中引入前向纠错（EorwardError-Correction,简称为FEC）编码技术[1]。采用FEC所获得的编码增益，可用于降低误码率、以提高通信的可靠性，也可用于增大传输距离，还可用于减小所需的发射功率，或综合加以运用。（n,k）BCH码是一类可纠正多个随机错误的线性分组码。带内FEC方案采用可纠3个比特错误的二元（4359,4320）BCH码（简称为BCH-3），该码是本原（8119，8152）BCH码的一种缩短码,其生成多项式为按照SDH-16帧结构，取比特用户数据，加上39个冗余监督元，便构成的一个码长为n=4359的（4359,4320）BCH码的码字，其最小距离为7，故最多可纠正3比特错误。这39个冗余监督元充填于SDH-16帧结构开销中未定义的空闲比特位中，所以，采用带内FEC既不影响原来的帧格式，也不改变线路的传输速率。由于SDH-16帧结构由9行组成，每行有字节（每字节8比特），于是每行可编成8个BCH（4320，4359）码的码字。每个BCH（4320，4359）码的码字可纠正3个比特错误。2.带外FEC方案带内FEC的优点是不用改变SONET/SDH的帧格式、无须提高线路速率，但其纠错能力非常有限，已不能满足更高速率的远程网络的质量要求。因而ITU-T在2001年制定的G.709标准中便提出了适合DWDM光传输网（OTN）2.5、10、40Gb/s速率的带外FEC方案,而G.795提出的带外FEC方案则主要用于2.5Gb/s以及更高的速率海底光纤传输网络。这两种若采用交织技术，即将8个码字排成一个阵列，每行一个码字（4320比特），共有8行、4320列，传输时按顺序逐列传输