软件无线电原理与应用第3版 课件 【ch06】信道编译码技术

软件无线电原理与应用（第三版）信道编译码技术第六章高等学校电子信息类精品教材01信道编译码基础信道编译码基础01现代通信飞速发展的一个重要原因是模拟信号的数字化，数字通信具有模拟通信无法比拟的特殊优点，如抗干扰能力强、便于实现保密、通信质量不受距离影响、能适应各种业务、电路易于集成化等。信道编译码基础01那么到底什么是信道编码呢?广义的信道编码是指从信源编码信息到信道波形的映射，因此复接、代数编码、调制、成形滤波、扩频、上下变频等都可归于广义的信道编码范畴，如图6.1所示。02信道编码概述信道编码概述02在通信加扰中，从扰码序列是否独立于用于加扰的伪随机序列来看，扰码可分为自同步扰码和同步扰码两种，伪随机序列一般由一个或多个线性反馈移位寄存器(LFSR)来产生。扰码关系如图6.2所示。扰码信道编码概述02扰码信道编码概述02扰码信道编码概述02纠错码及交织纠错码按功能可分为检错码和纠错码，按对信源序列进行的不同处理方式可分为分组码、卷积码及级联码，按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变，又可分为系统码与非系统码。信道编码概述02信道编码的应用及性能在对信道编码半个多世纪的研究中，能够更加逼近Shannon限的编译码方法不断出现，Shannon限已基本达到。从汉明码、BCH码、RS码，到卷积码、级联码，以及Turbo码、LDPC码，所能达到的性能与Shannon限的距离正在不断缩小。这些先进的信道编码技术已经在数字通信领域大放异彩，与人们的生活息息相关，如卫星通信、深空通信、地面移动通信、网络传输、数字电视等。表6-3列出了一些信道编码的使用情况。信道编码概述02信道编码的应用及性能信道编码概述02信道编码的应用及性能在AWGN信道，不同调制方式下对码率为1/2的(171,133)卷积码进行性能比较，性能曲线如图6.13所示。信道编码概述02信道编码的应用及性能图6.15所示是DVB-T、DVB-C、DVB-S及DVB-S2的信道编码方案。03几种简单的检纠错码几种简单的检纠错码03线性分组码是信道编码中最基本的一类码，它有明显的数学结构，是讨论各类码的基础。一般把信道编码中非0码元的个数称为码组重量(简称码重),如0001码组的码重为1,定义码距为两个码组中对应位上不同码元的个数。几种简单的检纠错码03一般情况下，对于分组码存在以下结论：几种简单的检纠错码031.奇偶校验码奇偶校验码是一种非常简单的编码方式，在计算机通信中得到广泛应用，奇偶校验码中无论信息位有多少位，校验位都只有1位，一般插入在一组码的末尾，码率等于k/(k+1)。几种简单的检纠错码032.恒比码恒比码中每个码组均含有相同数目的“1"或"0”。在检测时，只要计算接收码组中的“1'的数目是否对，就知道有无错误。恒比码编码简单，适用于传输字母和符号，对二进制随机数字序列不适用。几种简单的检纠错码033.正反码正反码是一种简单的能够纠错的编码。正反码中编码的校验位数目与信息位数目相同，校验位内容为信息位的重复或取反，具体由信息码中"1"的个数而定，如可定义“1”的个数为奇数时校验位重复信息位，“1”的个数为偶数时校验位为信息位的反码。如0101的正反码为01011010,0111的正反码为01110111。几种简单的检纠错码034.群计数码群计数码是将k位信息元经分组之后，计算出每个信息码组中“1”的数目，然后将这个数目用r位二进制表示，并作为校验码元附加在信息码元后面一起传输，组成(k+r,l)码。如1101001共有4个“1”,用二进制100表示十进制的4,则传输码组变为1101001100。几种简单的检纠错码035.汉明码汉明码的发现时间其实早于Shannon论文的发表时间，由于技术专利的原因导致其直到1950年才发表。汉明码是一种能纠正单个错误而且编码效率较高的一种线性分组码。它不仅性能好而且编译码电路非常简单，易于工程实现，是工程中常用的一种纠错码。04RS码的编译码RS码的编译码04RS码是一类非二进制BCH码，其编码系统建立在符号的基础上，而不是单个的0和1,这使得它特别适合处理突发错误。在(n,k)RS码中，输入的信息分成mk比特一组，每组包括k个符号，每个符号由m比特组成。RS码的编码RS码的编译码04RS码的编码RS码的编译码04其工作过程如下：(1)编码器复位于零初态，第一个信息码元到来时，计数器开始计数，每来一个信息码元计数器加1,后端的选择器选择1端作为输出，并反馈回移位寄存器。(2)当计数器记录到200时，最后一个信息码元输入完成，计数器计到201产生控制信息sel,此时MUX开始选择2端即反馈移位寄存器的输出端作为校验码元输出，并反馈回寄存器，由于此时最右端加法器的输出端相同，根据有限域加法器的特点，加法器输出端此时输出为零。(3)当计数器计数到216时，16个校验码元最后一个开始输出，一次编码完成，在下个时钟周期sel控制信息取消，所有的寄存器，计数器，选择器回到初始状态，可以进行下一次编码。RS码的编码RS码的编译码04RS码的译码通常纠错码的译码要比编码复杂得多，因此译码方法实现的难易程度往往是这种编码能否得到应用的关键。RS编码后的码字多项式c(x)在有噪信道中传输，噪声e(x)叠加到c(x)上并传送到接收端，接收端接收到的码字多项式r(x)=c(x)+e(x)。RS码的编译码04RS码的译码RS码的译码算法主要有两种：时域译码法和变换域译码算法。由于变换域译码算法在实现上需要更多的硬件开销，实际应用中常采用时域译码算法。RS码的编译码04RS码的译码1.伴随式的计算；2.错误位置多项式的求解；3.利用钱搜索法计算错误位置；4.Forney法计算错误值；5.码字纠错；RS时域译码法分成五个步骤：05卷积码的编译码卷积码的编译码05卷积码的编码一般卷积码的纠错能力随约束长度的增加而增强，差错率则随着约束长度增加而呈指数下降。卷积码的编码形式较为简单，如常用的(2,1,6)卷积码编码器生成多项式：卷积码的编译码05卷积码的编码约束长度不大时的(2,1,2)卷积码编码器框图如图6.20所示。卷积码的编译码05卷积码的编码表6-8列出了(2,1,2)卷积码的输入和输出比特关系的所有可能。卷积码的编译码05卷积码的编码图6.22所示栅格图中，栅格图中的节点是长方形格子，右边为无限。卷积码的编译码05Viterbi译码法卷积码主要有三种译码方法：序列译码、门限译码和Viterbi最大似然译码，其中门限译码是一种代数译码法，序列译码和Viterbi最大似然译码都是概率译码法。代数译码利用编码本身的代数结构进行译码，并不考虑信道的统计特性，其主要特点是算法简单，易于实现，但是它的误码性能要比概率译码差，目前应用较多的是Viterbi译码法。卷积码的编译码05Viterbi译码法Viterbi译码算法的步骤如下：(1)初始化；(2)度量更新；(3)回溯；卷积码的编译码05Viterbi译码法卷积码的编译码05误码率检测实际工程应用中通过误码率检测功能，可以很好地估计Viterbi译码器的性能。在误码检测功能模块中，一方面对译码的输出进行再编码，另一方面利用译码输出的再编码数据与译码输入延时后的数据进行比较。误码率检测的功能框图如图6.26所示。卷积码的编译码05误码率检测06Turbo码的编译码Turbo码的编译码06Turbo码的编码Turbo码由两个递归循环卷积编码(RSC)并行级联而成，卷积编码器之间用交织器相连，Turbo码的一般编码结构如图6.27所示。Turbo码的编译码06Turbo码的编码Turbo码的编译码06Turbo码的译码Turbo码的译码器主要由两个软输入软输出