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差错控制系统的组成与作用原理

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2020年5月29日
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差错控制是在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制,以提高数字消息传输的准确性。
简介
一种保证接收的数据完整、准确的方法。因为实际电话线总是不完美的。数据在传输过程中可能变得紊乱或丢失。为了捕捉这些错误,发送端调制解调器对即将发送的数据执行一次数学运算,并将运算结果连同数据一起发送出去,接收数据的调制解调器对它接收到的数据执行同样的运算,并将两个结果进行比较。如果数据在传输过程中被破坏,则两个结果就不一致,接收数据的调制解调器就请发送端重新发送数据 。
差错分类
　　通信过程中的差错大致可分为两类:一类是由热噪声引起的随机错误;另一类是由冲突噪声引起的突发错误。突发性错误影晌局部,而随机性错误影响全局。
应付传输差错的办法
　　1、肯定应答。接收器对收到的帧校验无误后送回肯定应答信号ACK,发送器收到肯定应答信号后可继续发送后续帧。
　　2、否定应答重发。接收器收到一个帧后经较验发现错误,则送回一个否定应答信号NAK。发送器必须重新发送出错帧。
　　3、超时重发。发送器发送一个帧时就开始计时。在一定时间间隔内没有收到关于该帧的应答信号,则认为该帧丢失并重新发送。
　　自动请示重发ARQ和前向纠错FEC是进行差错控制的两种方法。
　　在ARQ方式中,接收端检测出有差错时,就设法通知发送端重发,直到正确的码字收到为止。ARQ方式使用检错码,但必须有双向信道才可能将差错信息反馈到发送端。同时,发送方要设置数据缓冲区,用以存放已发出的数据以务重发出错的数据。
　　在FEC方式中,接收端不但能发现差错,而且能确定二进制码元发生错误的位置,从而加以纠正。FEC方式使用纠错码,不需要反向信道来传递请示重发的信息,发送端也不需要存放以务重发的数据缓冲区。但编码效率低,纠错设备也比较复杂。
　　差错控制编码又可分为检错码和纠错码。
　　检错码只能检查出传输中出现的差错,发送方只有重传数据才能纠正差错;而纠错码不但能检查出差错而且能自动纠正差错,避免了重传。
演播的检错码有:奇偶校验码、循环冗余码。
差错控制系统的组成及其作用原理
　　差错控制系统的组成及其作用原理如图。

差错控制
图中虚线内的部分就是数字通信中的差错控制系统。当没有差错控制时,信源输出的数字(也称符号或码元)序列将直接送住信道。由于信道中存在干扰,信道的输出将发生差错。数字在传输中发生差错的概率(误码率)是传输准确性的一个主要指标。在数字通信中信道给定以后,如果误码率不能满足要求,就要采取差错控制。按具体实现方法的不同,差错控制能够分为前向纠错法、反馈重传法和混合法三种类型。 差错控制
　　前向纠错法 差错控制系统只包含信道编码器和译码器。从信源输出的数字序列在信道编码器中被编码(见信道编码),然后送往信道。由于信道编码器使用的是纠错码,译码器能够纠正传输中带来的大部分差错而使信宿得到比较正确的序列。
　　反馈重传法 只利用检错码以发现传输中带来的差错,同时在发现差错以后经过反向信道通知发信端重新传输相应的一组数字,以此来提高传输的准确性。根据重传控制方法的不同,反馈重传法还能够分成若干种实现方式。其中最简单的一种称为等待重传方式。采用这种方式时发信端每送出一组数字就停下来等待收信端的回答。这时信道译码器如未发现差错便经过收信端重传控制器和反向信道向发信端发出表示正确的回答。发信端收到后经过发信端重传控制器控制信源传输下一组数字,否则信源会重新传输原先那组数字。
　　上述两种方法的主要差别是:①前向纠错不需要反向信道,而反馈重传必须有反向信道。②前向纠错利用纠错码,而反馈重传利用检错码。一般来讲,纠错码的实现比较复杂,可纠正的差错少,而检错码的实现比较容易,可发现的差错也多。③前向纠错带来的消息延迟是固定的,传输消息的速率也是固定的,而反馈重传中的消息延迟和消息的传输速率都会随重传频度的变化而变化。④前向纠错不要求对信源控制,而反馈重传要求信源可控。⑤经前向纠错的被传消息的准确性依然会随着信道干扰的变化而发生很大变化,而经反馈重传的被传消息的准确性比较稳定,一般不随干扰的变化而变化。因此,两者的适用场合很不相同。
　　混合法 在信道干扰较大时,单用反馈重传会因不断重传而使消息的传输速率下降过多,而仅用前向纠错又不能保证足够的准确性,这时两者兼用比较有利,这就是混合法。此法所用的信道编码是一种既能纠正部分差错又能发现大部分差错的码。信道译码器首先纠正那些能够纠正的差错,只对那些不能纠正但能发现的差错才要求重传,这会大大降低重传的次数。同时,由于码的检错能力很强,最后得到的数字消息的准确性是比较高的。
　　差错控制已经成功地应用于卫星通信和数据通信。在卫星通信中一般用卷积码或级连码进行前向纠错,而在数据通信中一般用分组码进行反馈重传。另外,差错控制技术也广泛应用于计算机,其具体实现方法大致有两种:①利用纠错码由硬件自动纠正产生的差错;②利用检错码在发现差错后经过指令的重复执行或程序的部分返回以消除差错。
差错控制功能
通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力,并采取措施纠正之,使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内,这就是差错控制过程,也是数据链路层的主要功能之一。
接收方经过对差错编码(奇偶校验码或CRC码)的检查,能够判定一帧在传输过程中是否发生了差错。一旦发现差错,一般能够采用反馈重发的方法来纠正。这就要求接受方收完一帧后,向发送方反柜一个接收是否正确的信息,使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。发送方仅当收到接收方以正确接收的反馈信号后才能认为该帧已经正确发送完毕,否则需要重发直至正确为止。
物理信道的突发噪声可能完全”淹没”一帧,即使得整个数据帧或反馈信息帧丢失,这将导致发送方永远收不到接受方发来的信息,从而使传输过程停滞。为了避免出现这种情况,一般引入计时器(Timer)来限定接收方发回方反柜消息的时间间隔,当发送方发送一帧的同时也启动计时器,若在限定时间间隔内未能收到接收方的反柜信息,即计时器超时(Timeout),则可认为传出的帧以出错或丢失,就要重新发送。
由于同一帧数据可能被重复发送多次,就可能引起接收方多次收到同一帧并将其递交给网络层的危险。为了防止防止发生这种危险,能够采用对发送的帧编号的方法,即赋予每帧一个序号,从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接受但又重发来的帧,以此来确定要不要将接收到的帧递交给网络层。数据链路层经过使用计数器和序号来保证每帧最终都能被正确地递交给目标网络层一次。

差错控制

用以使发送方确认接收方是否正确收到了由它发送的数据信息的方法称为反馈差错控制。一般采用反馈检测和自动重发请求(ARQ)两种基本方法来实现。

1.反馈检测法
反馈检测法也称回送校检法或”回声”法,主要用于面向字符的异步传输中,如终端与远程计算机间的通信。这是一种无须使用任何特殊代码的差错检测法。双方进行数据传输时,接收方将接收到的数据(能够是一个字符,也能够是一帧)重新发回发送方,由发送方检查是否与原始数据完全相符。若不相符,则发送方发送一个控制字符(如 DEL)通知接收方删去出错的数据,并重新发送该数据;若相符,则发送下一个数据。
反馈检测法原理简单,实现容易,也有较高的可靠性。但每个数据均被传输两次,信道利用率很低。这种差错控制方法一般用于面向字符的异步传输中,因为这种场合下信道效率并不是主要矛盾。

2.自动重发请求法(ARQ法)
实用的差错控制方法,既要传达室输可靠性高,又要信道利用率高。为此可使发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送,接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测,若发现错误,就返回请求重发的应答,发送方收到请求重发的应答后,便重新传送该数据帧。这种差错控制方法就称为自动重发请求法(Automatic Repeat reQuest),简称ARQ法。
ARQ法仅需返回少量控制信息,便可有效地确认所发数据帧是否正确被接收。ARQ法有几种实现方案,空闲重发请求(Idle RQ)和连续重发请求(Continuous RQ)是其中最基本的两种方案。
(1)空闲重发请求(Idle RQ)。空闲重发请求方案也称停等(Stop and Wait)法,该方案规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认返回,仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧 。空闲重发请求方案的实现过程如下:
①发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中;
②当发送方开始发送信息帧时,随即启动计时器;
③当接收方收到无差错信息帧后,即向发送方返回一个确认帧;
④当接收方检测到一个含有差错的信息帧时,便舍弃该帧;
⑤若发送方在规定时间内收到确认帧,即将计时器清零,继而开始下一帧的发送;
⑥若发送方在规定时间内未收到确认帧,(即计时器超时),则应重发存于缓冲器中的侍确认信息帧。
从以上过程能够看出,空闲RQ方案的收、发送方仅需设置一个帧的缓冲存储空间,便可有效地实现数据重发并确保接收方接收的数据不会重份。空闲RQ方案最主要的优点就是所需的缓冲存储空间最小,因此在链路端使用简单终端的环境中被广泛采用。
(2)连续重发请求(Continuous RQ)。连续重发请求方案是指发送方能够连续发送一系列信息帧,即不用等前一帧被确认便可发送下一帧。这就需要在发送方设置一个较大的缓冲存储空间(称作重发表),用以存放若干待确认的信息帧。当发送方到对某信息帧的确认帧后便可从重发表中将该信息帧删除。因此,连续RQ方案的链路传输效率大大提高,但相应地需要更大的缓冲存储空间。连续RQ方案的实现过程如下:
①发送方连续发送信息帧而不必等待确认帧的返回;
②发送方在重发表中保存所发送的每个帧的备份;
③重发表按先进先出(FIFO)队列规则操作;
④接收方对每一个正确收到的信息帧返回一个确认帧;
⑤每一个确认帧包含一个惟一的序号,随相应的确认帧返回;
⑥接收方保存一个接收次序表,它包含最后正确收到的信息帧的序号;
⑦当发送方收到相应信息帧的确认后,从重发表中删除该信息帧的备份;
⑧当发送方检测出失序的确认帧(即第N号信息帧和第N+2号信息帧的确认帧已返回,而N+1号的确认帧未返回)后,便重发未被确认的信息帧。
上面连续RQ过程是假定在不发生传输差错的情况下描述的,如果差错出现,如何进一步处理还能够有两种策略,即GO-DACK-N策略和选择重发策略。
GO-DACK-N策略的基本原理是,当接收方检测出失序的信息帧后,要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧;或者当发送方发送了N个帧后,若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息,则该帧被判为出错或丢失,此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。这就是GO-DACK-N(退回N)法名称的由来。因为,对接收方来说,由于这一帧出错,就不能以正常的序号向它的高层递交数据,对其后发送来的N帧也可能都不能接收而丢弃。GO-DACK-N法操作过程如图3.13所示。图中假定发送完8号帧后,发现2号帧的确认返回在计时器超时后还未收到,则发送方只能退回从2号帧开始重发。

GO-DACK-N可能将已正确传送到目的方的帧再重传一遍,这显然是一种浪费。另一种效率更高的策略是当接收方发现某帧出错后,其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层,但接收方仍可收下来,存放在一个缓冲区中,同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后,就能够原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。这种方法称为选择重发(SELECTICE REPEAT),其工作过程如图3.14所示。图中2号帧的否认返回信息NAK2要求发送方选择重发2号帧。显然,选择重发减少了浪费,但要求接收方有足够大的缓冲区空间。

在跳频系统中,即使在信道条件良好的情况下,仍有可能在少数跳中出现错误,因此有必要进行差错控制。差错控制的方法主要分为两类:一是自动请求重发纠错(ARQ)技术;二是采用前向纠错(FFC)技术。

ARQ技术能够很好的对付随机错误和突发错误,它要求有反馈电路,当信道条件不好时,需要频繁的重发,最终可能导致通信失败。

FEC技术不需要反馈电路,可是需要大量的信号冗余度以实现优良的纠错,从而会降低信道效率。由于纠错码对突发错误的纠错能力较差,而经过交织技术能够使信道中的错误随机化,因此,经常要用编码与交织技术相结合的办法来获得良好的纠错性能。

在跳频系统中的常见的纠错编码技术有汉明码、BCH码、trellis码、RS码、Golay码、卷积码和硬判决译码、软判决译码等。1993年提出了TURBO码,其信噪比接近于Shannon极限,引起了人们的极大兴趣。与RS码等常见的跳频编码相比,TURBO码在跳频系统中显示了极大的应用潜能。另外,还能够把不同的编码方法结合在一起,取长补短,进行联合编码。在快跳频方式下,还能够运用重发大数判决来克服跳频频段内的快衰落。
差错控制编码技术
作者 张　哲
　　摘 要: 差错控制的基本思想是在发送端根据要传输的数据序列,按一定的规律加入多余码元,使原来不相关的数据序列变成相关的,即编码。传输时将多余码元和信息码元一并传送。接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验,即译码,根据译码结果进行错误检测。当发现错误时,或者经过反馈信道要求发送方重发有错的数据,或者由接收端的译码器自动将错误纠正。这种技术叫做差错控制技术,多余码元为校验码元或监督码元。根据信息码元产生监督码元的方法叫做差错控制编码。文中着重介绍了差错控制的几种基本方式分类和以及差错控制编码的知识。
　　关键词: 差错控制 码组 码元
　　1 差错控制编码技术
　　信道干扰源可分为无源干扰和有源干扰。前者引起的差错是一种随机差错,即某个码元的出错具有独立性,与前后码元无关。而后者是由短暂原因如突然施加干扰源引起的,差错是成群的,其差错持续时间称为突发错的长度。在信息传输中,二者均有可能被引入。根据具体情况而选定合适的差错控制编码能够发现并纠正这些错误。
　　2 差错控制的基本方式
　　2.1 反馈纠错
数字通信中最优差错控制编码方案研究 

曾 浩  (贵阳市061基地江南机电设计研究所,贵州 贵阳 550000)   -6-1

摘要:随着数字通信的发展与电子计算机的广泛应用,差错控制编码日益受到人们的重视并取得迅速发展,它广泛应用于数字通信中,对保证信息传输的可靠运行起着重要作用。文章经过对不同差错控制编码方案的研究,利用Matlab语言对不同编码方案进行仿真,并根据仿真结果提出了最优差错控制编码方案。
关键词:差错控制;数字通信;编码方案;BCH码;卷积码;级联码
中图分类号:TN919　　　文献标识码:A　　文章编号:1009-2374( )12-0005-02

一、差错控制编码基本原理
　　在数字通信中,传输信道存在一定的噪声和衰落,必然会对其上传输的信息产生误码,且产生的错误有随机错误和突发错误两种,前者是由随机噪声引起,各码元发生错误为相互独立的;而突发错误则是由突发噪声引起,错误码元成片出现。为了检测和纠正这些错误信息需要采用差错控制编码。
　　差错控制编码的基本原理是:在发送端将被传输的信息序列上附加一些监督码元,这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联;接收端按照既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系,一旦传输过程中发生错误,信息码元与监督码元之间的关系将受到破坏,从而发现错误乃至纠正错误。
　　根据差错控制编码各码组信息元和监督元的函数关系,差错控制编码可分为分组码和卷积码。
(一)分组码
　　分组码的构成方式是把信息序列分成每k个码元一段,并由这k 个码元按一定规则产生r个监督元,组成长度为n=k+r的码字,用(n,k)表示。常见的分组码种类较多,主要包括奇偶监督码、BCH码、交错码、RS码等。
(二)卷积码
卷积码不是把信息序列分组后再进行单独地编码,而是由连续输入的信息序列得到连续输出的已编码序列。卷积码一般见两个参数来描述:码率和约束长度。码率k/n是在1个编码周期内进入卷积编码器的位数k与卷积编码器输出的码元数n的比值,约束长度l表示了编码器的长度,一般把卷积码记作(n,k,l)。
　　卷积码的k和n一般很小,特别适宜于以串行形式传输信息,延时小。与分组码不同,卷积码中编码后的n个码元不但与当前段的k个信息有关,而且与前面k-1段的信息有关。
二、最优差错控制编码
针对当前数字通信信道中由于噪声干扰而存在的随机错误和突发错误两种错误。本文主要对以下三种编码方案进行研究及利用MATLAB语言进行仿真分析,在码率趋近于1/2时,依据误码率不大于10-6条件下,选择最优差错控制编码方案。
(一)BCH码+交织码方案
BCH码是1959年发展起来的一种纠随机错误的线性分组编码,该码因具有纠错能力较强、编码简单、译码较易实现等优点而被广泛采用。考虑到BCH码只能纠正随机错误,对突发错误无能为力,而交错码则是利用纠随机错码或纠短突发错码,以交错的方法来构造码,以达到纠正突发错误或纠正长突发错误。因此将BCH码和交织码级联使用,具有同时纠正上述两种错误的能力。
(二)级联码(RS码+卷积码)方案
　　信道编码定理指出,随着码长n的增加,译码错误概率按指数趋近于零。因此,为了得到较低的误码率就必须使用长码。可是,随着码长的增加,译码器的复杂性和计算量也相应增加。为了解决性能与设备复杂性的矛盾,本方案采用以短码构成长码的方法,也就是级联码解决上述矛盾。
　　级联码主要用于干扰比较严重的组合信道中。内码仅用来纠正少量错误,而大部分能力用来检错,指出错误位置,纠错任务由外码译码器来完成。这样二级译码的结果,使得内外译码器比较简单,同时计算量大大低于相同参数的单级译码器。
当前在数字通信中经常利用分组码和卷积码构成级联码,特别是外码采用RS码,内码采用卷积码和维特比译码的级联码。RS码是一种多进制BCH码,其编码、译码过程同BCH码一样。维特比译码作为卷积码的译码方式在卷积编码约束长度不太长的情况下,计算速度超快,当前可达到上百Mbit/s,且设备简单,因此本文的第二种编码方案为RS+卷积码。同时在级联码中,由于要求内码误码率在左右,这对码率为1/2的卷积码较易实现,且译码器设备简单,因此卷积码的码率选为1/2,外码RS码选(255,223)。
(三)RS码+卷积码+交织码方案
　　在级联码中外码主要用于纠错,因此,外码RS码的纠错能力决定了级联码的纠错能力。考虑到RS码(255,223)能纠正16个随机错误以及长度不大于44的突发错误,当信道噪声干扰使得接收到的错误信号超过上述RS码的纠错能力,整个级联码的纠错能力将降低。因此为了提高级联码的纠错能力,能够在级联码中增加交织码,利用交织码能够将突发错误离散为随机错误的编码能力,提高级联码纠错能力。
　　在方案一和方案三使用的交织码,其具体编码方法是将它所取得的编码符号用列写成N行与M列的一个矩阵,在传输之前,按行从矩阵中读出这些符号。译码时则按相反的操作,即按行写入,再按列输出。采用如此交错方法,即能够将长度为l≤M的突发错误至少被N个符号所隔离开形成单个错误。
三、仿真结果
　　经过采用Matlab语言对上述三种编码方案进行仿真,仿真结果如下:
(一)BCH+交织码
　　仿真参数:输入的总信息位为1 bit;输入错误概率为0.0524。
　　仿真结果见表1:
表1

(二)RS码+卷积码
仿真参数:输入的总信息位为1 bit;输入错误概率为0.0524。
　　仿真结果见表2:
表2

(三)RS码+卷积码+交织码
　　仿真参数:输入的总信息位为1 bit;输入错误概率为0.0524。
　　仿真结果见表3:
表3

四、结论
从三种不同编码方案仿真结果可知:BCH+交织码的编码方案在码率为1/2时,其误码率明显高于误码率10-6的要求;而级联码的编码方案虽然在卷积码约束长度大于6的情况下,误码率均等于0,可是约束长度越长,译码设备的复杂性越大,其结果也不太理想;经过在级联码中增加交织码,在卷积码不同的约束长度下,其误码率均等于0且译码设备简单,因此可作为最优编码方案。
参考文献
[1]王新梅．纠错码原理与方法[M]．西安电子工业出版社,1991．
[2]邓华．MATLAB通信与仿真及应用实例详解[M]．人民邮电出版社, ．
作者简介:曾浩(1982－),女,贵州贵阳人,贵阳市061基地江南机电设计研究所助理工程师,研究方向:制导站总体设计。