《通信原理》信道编码.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第11章 信道编码,11.1 信道编码基础知识,11.1.1 信道编码概述,在信息码元中插入一些冗余码元（监督码元），使得整体码元含有一定规律。,当出现传输错误时，能够经过规律，对错误进行检测乃至纠正。,信道编码译码示意图,1/33,11.1.2 信道编码检错纠错原理,2/33,3/33,4/33,11.1.3 几个相关概念,码率：Rk/n=k/(k+r)。,编码增益：采取信道编码，对系统信噪比要求要低一些，这个倍数称为编码增益。,许用码组和禁用码组：即正当码组和非法码组。一旦接收方出现非法码组，说明传输过程中出现了误码。即使出现正当码组，也不能排除误码可能。,码组长度：码组中码元总位数。,码组重量：码组中码元“1”个数。,汉明距离：两个等长码组，彼此之间对应位数不相同码元个数。,最小汉明距离：某一个编码方式下，全部许用码组，其彼此之间汉明距离最小值。,最小汉明距离与检错、纠错能力关系：,5/33,最大似然译码：对于接收到编码序列y，计算发送方发送哪一个码组xi时，接收到y概率最大。即依据似然函数P(y/xi)确定。,6/33,11.2 信道编码分类,11.2.1 差错控制方法,差错控制方法，分为检错重发（ARQ），前向纠错（FEC）和混合方式三种。,检错重发系统（ARQ），又分为停发等候重发，返回重发和选择重发三种。,系统仅能检错，不能纠错。检犯错误则要求重发。,相关概念：反向信道，确认信息（ACK），否定信息（NAK），缓冲存放器。,停发等候重发：发送端每发送一个码组，等候到接收端确实认信息后再发送下一个，等候到否定信息则重发。原理简单，缓存量小，惯用于计算机通信。但等候时间长，不利于高速传输和两地延时较长传输。,检错重发通信模型,7/33,返回重发：发送端无需确认信息，不停发送码组。直到取得接收端否定信息，则从犯错码组开始重发。其码元速率比停发等候重发快得多。但因每次失误均要重发犯错码组之后全部码组，故当误码较为频繁时，重发太多，影响效率。,选择重发：当接收方检测到某一组码元犯错，仅仅通知发送方重发该组码元。该系统重发效率高，但接收方和发送方均需要缓存，且还必须将重发码组插入正确位置，故系统较为复杂，价格昂贵。,ARQ特点：编码译码器较为简单，适应性较广，漏检概率小。需要反向信道和缓存。,8/33,前向纠错（FEC）：接收端检测到错误，无须重发，直接对其纠错恢复原信号。,优点：无须传输反向信号和重发，故码元速率固定，译码延迟少，无须反向信道。,缺点：纠错编码须增加监督码位数，减小传输效率。误码较多时纠错轻易失误。,FEC/ARQ混合方式：在ARQ系统中嵌入FEC系统，能纠则先纠，不能纠正则重发。,综合了二者优点，提升整个通信系统效率。,向前纠错模型,混合系统模型,9/33,11.2.2 信道编码分类,按照不一样功效分为检错码、纠错码和纠删码。检错码只具备检验码组错误功效；纠错码还能对部分错误进行纠正。纠删码对超出纠错范围误码能将其删除。,按照纠正错误类型不一样，分为纠正随机错误码和纠正突发错误码。随机错误误码从统计上是彼此独立，同一个码组内发生若干个码元错误概率远远低于只有一两个码元错误概率。这意味着信道编码哪怕只纠正每个码组内一两个码元错误，也可使得整个系统误码率大幅度下降。但有时信道中出现强度大，连续时间长脉冲噪声，使连串码元受到干扰，称为突发错误。比如连续若干位0变成1。这时必须用专门针对突发错误信道编码方式。,按照信息码元和监督码元之间制约规则不一样，分为分组码和卷积码。分组码是指在每一组码元（k位信息码元和r位附加监督码元）中，全部监督码元取值，仅仅与这一组k位信息码元相关，而与其它组信息码元无关。分组码编码器属于无记忆系统。而卷积码则是指r位附加监督码元不但与本码组内k位信息码元相关，还与之前其它码组若干位码值相关。卷积码编码器含有记忆功效。,10/33,按照信息码元和监督码元之间检验关系，可分为线性码和非线性码。线性码中，监督码元取值是由信息码元经过线性叠加得到。,按照信息码元在编码之后是否保持原来结构不变，可分为系统码和非系统码。系统码中，信息位k位码元保持编码前数值，仅仅在前面或者后面附加了r位监督码元。非系统码编码后码组中k位信息码组已经不是原先那个信息码组了。非系统码能够转换为系统码。,按照每个码元取值不一样可分为二进制码和多进制码。,11/33,11.3 线性分组码,12/33,13/33,14/33,15/33,11.3.2 常见线性分组码,重复码：（n,1）分组码，只有两个准用码组，码率为1/n，纠错能力很强。,奇偶校验码：(n,n-1)分组码。只有1位是监督码，分为奇校验码和偶校验码两种。奇校验码要求码组内全部码元含有奇数个“1”；偶校验码要求码组内含偶数个“1”。最终一位监督码调整码组中“1”个数。,能够检出奇数个误码，不能检出偶数个误码。不具备纠错功效。但其码率很大，到达(n-1)/n。该编码结构简单，易于实现，在信道干扰不大，误码率较低场所很实用。很多计算机数据传输系统都应用了此编码。,二维奇偶校验码：又称方阵码、矩阵码、行列监督码。它编排方式是将码组内信息码元排列成方阵，对每一行每一列都进行一次奇偶校验。它能检验出偶数个误码，还有一定纠错能力。不过，当信息码元方阵中组成矩形四个角四个码元同时犯错，则系统检测不到。,16/33,恒比码：指确定长度为n，且全部许用码组中“1”和“0”个数保持定值编码方式。在检测时，只要判断码组中“0”和“1”个数是否正确，即可判定传输是否出现误码。不具备纠错能力，但结构简单，适合用于电传机或其它键盘设备产生字符。,我国邮电部门国内通信采取恒比码，每个码组有3个“1”和2个“0”。10种码组恰好能表示10个阿拉伯数字。,17/33,11.4 循环码,11.4.1 循环码概述,18/33,19/33,11.4.2 循环码生成多项式与编码,20/33,21/33,22/33,23/33,24/33,25/33,11.4.3 循环码译码,26/33,27/33,28/33,11.5 其它信道编码,11.5.1 卷积码,卷积码与分组码不一样之处，在于卷积码每个码组长度n=k+r中，r位监督码取值不但与本码组内k位信息码相关，还同之前m个码组中一些信息码相关。为计算出当前码组监督码，系统还必须存放前面m个码组内信息码，即累计用Nm+1个码组信息码进行运算。,m称为编码存放长度，N=m+1称为编码约束度，nN称为编码约束长度。,卷积码编码器示例,29/33,图示卷积码编码器，每一位信息码元a(i)后面，都跟了一位监督码b(i)，而b(i)则等于当前码元a(i)，及之前a(i-3),a(i-4),a(i-5)模二加取得，每个码组表示式为,a(i)，a(i)a(i-3)a(i-4)a(i-5)其中 n=2，m=5，N6，r1，k1。,特点：充分利用了各组之间相关性，且普通情况下k和n较小，性能优于分组码，设备简单，纠错能力也较强。不足之处于于其数学理论基础尚不如线性码完整。,译码主要有两类方式，一类是代数译码，即基于码代数结构（生成矩阵和监督矩阵），进行大数译码或门限译码，主要用于系统卷积码译码。一类是概率译码，经过信道统计特征研究而不依赖于编码代数运算来实现译码，主要用于非系统卷积码。当前概率译码为主要方法，最主要有维特比(Viterbi)译码和序列译码等。,30/33,12.5.2 交织码,当信道中噪声是完全随机发生，则信道编码只要能对同一码组内少数误码检错、纠错即可。有时信道中会出现强度大、连续时间长脉冲噪声。一旦出现，会造成连续误码。假如整个码组内大多数码元错误，则信道译码也无法消除这种“突发性错误”。,交织编码：为消除突发性错误。在发射端将编码后码元，在较长序列内搅乱。总序列长度应该是可能发生噪声脉冲宽度若干倍。将搅乱后码元序列送入信道传输，接收之后重新交织组合，然后进行译码纠错。,即使发生了突发性噪声，因为之前进行了交织编码，误码实际上分散到了各个码组中。接收端重新交织组合后，每个码组内误码较少，可经过信道译码检错纠错。,31/33,12.5.3 网格编码调制,网格编码调制（TCM），简称格码调制，是一个将多电平调制与信道编码结合新技术。信道编码经过增加冗余码来检错、纠错，若要保持信息传输速率，则系统码元传输速率就必定提升。造成系统带宽增大。若要保持带宽不变，则信息传输速率又要降低。为处理矛盾，增加一位码元携带信息量来提供冗余度。这么既不会增加带宽，又防止了信息传输速率因为纠错检错编码原因而降低。,设系统带宽不变，传输四相相移键控（QPSK）信号。若信道编码效率为2/3，为保持带宽且不降低信息传输速率，只能将四进制调制信号改为八进制调制信号，采取八相相移键控（8PSK）。因八进制信号点数较多，单个码元误码率会提升。为使信道编码真正有效，必须使编码信噪比增益到达一定值。,TCM技术将卷积码与调制相结合，用相对简单编码取得较大编码增益，从而填补信号进制增加造成单个传输误码率提升损失。,TCM技术广泛应用于高速话音频带信道，卫星、地面微波和移动通信，还开始应用于扩频通信领域。,32/33,本章小结,信道编码是指对数字通信系统中将发送信息码元按照一定规则进行分组并插入冗余监督码，使之含有一定规律然后再发送。,信道编码有各种分类方法，其中较为主要一类信道编码时线性分组码。,33/33,