信道编码的实际应用.ppt

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,*,*,*,编码技术,Coding,Techinique,信道编码的实际应用,信道编码在实际通信系统中的应用,一 深空通信与卫星通信,Pioneer 9 solar orbit space mission(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,Viking Mars,号飞船,d,0,=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,.Pioneer 10 Jupiter fly-by mission and the Pioneer 11 Saturn fly-by mission(1972,1973):,(2,1,32),非,系统卷积码,(,Massey&Costello),df,=21,G=6.9dB,4.The Voyager 1 and 2 space missions,were launched in 1977,to explore Jupiter and Saturn.,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=5.1 dB,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=,m=7,卷积码,CCSDS(,深空数据系统咨询委员会,)Telemetry Standard(1987):,采用由,RS,码与卷积码组成的级连码,NASA,用于深空通信的级连码标准,:,外码,(255,223)RS,码,;,内码,:(2,1,7),卷积码,AWGN,信道,为使,P,b,=10E-6,只需,E,b,/N,0,=2.53dB,曾用于航海号,加利略号宇宙飞船中,.,级连码在深空通信的其它应用,:,Voyager missions(1971),:,(6,4)RS,码,+(32,6)RM,码,Voyager missions,:,(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,二 在数据传输中的应用,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.32,中的,TCM,技术,V.34,中的,TCM,技术,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.,ADSL Modem,三 在数据存储中的应用,用于高速计算机内存的纠错码,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,:,SEC/DED,码,(Double,Eorror,Correcting/Double Error Detecting codes):,通常使用截短或扩展汉明码,d,0,=4,SEC/DED/SbED(single-error-correcting/double-error-detecting/single,b-bit byte error-detecting),码,SbEC/DbED,(single-bit byte error correcting/double,-bit byte error-detecting),码,:,采用,RS,码或,BCH,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-ROM,The CD format uses a coding system called CIRC(cross-interleaved RS codes),which is a combination of two shortened,RS codes of minimum distance d,o,=5 over,GF(28).The information sequence is first encoded by a(28,24)code,and then by a(32,28)code.For audio signals,an error,interpolating technique can be used to estimate the original,signal values by interpolating or extrapolating from reliable,values for those errors that cannot be corrected.,计算机数据存储系统采用具有更强纠错能力的码,:,a CRC(cyclic redundancy check)code with 32 check bits and a product of two shortened RS codes with minimum distance d,0,=3,over GF(28)are used in addition to the CIRC.The encoder,for a CD-ROM first appends four check bytes of a CRC to the,user data of 2048 bytes with a 4-byte header and then adds,eight bytes of all zeros for future extension.Alternate bytes are,taken from the resulting sequence to produce two sequences,of length 1032 bytes.Then,after rearranging the bytes,each,sequence is encoded by a product of(26,24)a,nd,(45,43)RS codes to give a codeword of length 1170 bytes.Finally,the two,codewords,are combined and a synchronization pattern of 12 bytes is added to make one sector of a CD-ROM having 2352 bytes,as shown in Fig.9,which is then applied to the CIRC encoder.A decoder for a CD-ROM is depicted in Fig.10.,四 纠错码在数字音频,/,视频传输中的应用,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-compatible punctured,convolutional,(RCPC)coding scheme:,1)Unequal and Adaptive Error Protection with RCPC Codes:,2)The RCPC Coding Scheme for the European DAB System:,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,五 纠错码在移动通信中的应用,1.GSM,数字蜂窝移动通信中的信道编码,GSM,全速率语音的,FEC,方案,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,Prof.Claude,Berrou,Prof.Alien,Glavieux,(2).,编码原理,(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%,）。,解决上述问题的关键是在光纤通信中引入前向纠错（,Eorward,Error-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。,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。,（,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。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，,在接收端再按此方式排成阵列，然后逐行译码，如果在传输过程中连续有,3,列（,24,比特）发生错误，每个接收码组中也只有,3,比特错误，因而译码器可自动加以纠正。可见，经过交织处理后，带内,FEC,可纠正单个接收码组中的任意,3,比特错误，同时可纠正,SDH-16,帧中长度多达,24,比特的突发错误。,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。这两种带外,FEC,方案基本相同，不同点是,G.975,采用的交织技术未形成标准，,G.709,则有统一的标准。所谓带外，是指,FEC,为了实现纠错所增加的冗余校验位不是象带内,FEC,那样插入原有帧格式的空闲位中，而是附加在数据帧之后，需要增加,额外的带宽，即使用带外,FEC,后线路速率会提高。以上两种带外,FEC,均采用,Reed-,Solomob,码,(,简称,RS,码,),。,RS,码是一类具有很强的既能纠随机错误又能纠突发错误的最大距离非二元码，在各种通信及计算机、光盘存储系统中具有广泛应用。,带外,FEC,采用,RS,（,255,，,239,）,码，简称,RS-8,，,即在,k=239,数据字节（每个字节为一个码元符号）后加上,16,个校验字节便构成长为,n=255,字节的码字,其编码效率为,93.7%,。,RS,（,255,，,239,）,码生多项式为：,该码可纠正接收码组中任意,8,字节的随机错误，纠单个突发错误的最大长度为,64,比特。,两种,FEC,方案有各自的应用范围，带内,FEC,适用于,线路速率为,10Gb/s,的,4,路,OC-48/STM-16,，,或单路,OC-192/STM-64,信号，带外,FEC,则适合,DWDM,光传输网（,OTN,）,2.5,、,10,、,40Gb/s,速率以及海底光纤传输系统使用。,