第十一章 信道编码

前言计算机通信是一种以数据通信形式出现，在计算机与计算机之间或计算机与终端设备之间进行信息传递的方式。

它是现代计算机技术与通信技术相融合的产物，在军队指挥自动化系统、武器控制系统、信息处理系统、决策分析系统、情报检索系统以及办公自动化系统等领域得到了广泛应用。

计算机通信系统是经典的数字通信系统，它是计算机技术和通信技术结合的产物，一方面通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供必要的设施和手段；另一方面，数字计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能，二者相互渗透、互相促进、共同发展。

由于计算机、卫星通信及高速数据网的飞速发展，数据的交换、处理和存储技术得到了广泛的应用，数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象，人们对数据传输和存储系统的可靠性提出来了越来越高的要求，经过长时间的努力，通过编译码来控制差错、提高可靠性的方式在信道传输中得到了大量的使用和发展，并形成了一门新的技术叫做纠错编码技术，纠错编码按其码字结构形式和对信息序列处理方式的不同分为两大类：分组码和卷积码。

第一章 信道编码1.1 信道编码概述1.1.1信道模型信息必须首先转换成能在信道中传输或存储的信息后才能通过信道传送给收信者。

在信息传输过程中，噪声或干扰主要是从信道引入的，它使信息通过信道传输后产生错误和失真。

因此信道的输入和输出之间一般不是确定的函数关系，而是统计依赖的关系。

只要知道信道的输入信号、输出信号以及它们之间的统计依赖关系，就可以确定信道的全部特性。

信道的种类很多，这里只研究无反馈、固定参数的单用户离散信道。

1．离散信道的数学模型离散信道的数学模型一般如图6.1所示。

图中输入和输出信号用随机矢量表示，输入信号为 X = (X 1, X 2,…, X N )，输出信号为Y = (Y 1, Y 2,…, Y N )；每个随机变量X i 和Y i 又分别取值于符号集A ={a 1, a 2, …, a r }和B ={b 1, b 2, …, b s }，其中r 不一定等于s ；条件概率P (y |x ) 描述了输入信号和输出信号之间的统计依赖关系，反映了信道的统计特性。

在GSM系统中语音信号被分为每20ms一段，经过全速率语音编码后，每段信号编译为260个比特的信息。

针对抗十的负三次方数量级的误码，编解码语音质量基本不下降。

但是当误码率增加时，信号的抗干扰能力就会下降，为了检测和纠正传输期间引入的误码，提高信号的抗干扰能力，我们要对信息做进一步处理，在数据流中引入冗余比特用于纠错；这个过程我们称为信道编码，它可以使语音信号即使面对十的负一次方数量级的误码，语音质量也下降不多。

具体的信道编码过程是怎么样的呢？首先这260个比特重要程度是不一样的，信道编码器把语音段数据按照重要程度分成三个部分：很重要的50bit，较重要的132bit和不重要的78bit。

很重要的要重点保护，我们首先给他加上一层保护对它进行奇偶校验我们在这50个比特后面额外添加3个比特位，放置奇偶校正码，之后再把这53个比特和第二部分较重要的132比特加在一起，一共是185个比特，在后面加上4位尾码，变为189比特然后对这189个比特做1:2的卷积，卷积后比特数翻倍变为378 比特。

最后还有一部分不重要的78比特，既然不重要就不特意保护了，378个编码后的比特加上这些不重要的78bit，形成了456比特的数据块，至此我们完成了信道编码简述信道编码的过程就是第一步，加奇偶校验码50个很重要比特加入3位奇偶校验码，50加3等于53第二步，加尾比特，53加上较重要的132个比特，后面加上4位尾比特此时信息个数为((50 + 3) + 132 ）+ 4= 189 bit第三步，卷积，将189bit做1:2的卷积，信息个数为189 * 2 = 378 bit最后再加上不重要比特加上不重要的78bit，378+78=456形成了456 bits 每20 ms的信道编码组信道编码之后数据的速度变为了多少呢？每段语音编码后的比特数是456，这些比特的传输时间是20ms，那么我们用456除以20ms，可以得到信道编码后的速度是22.8kbps。

信道，信道编码及作用1.信道(channel) 和通信电路并不等同，用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互方式看有三个基本方式：单工，半双工，全双工通信2.从信道上传送的信号分为基带（baseband）和宽带(broadband)信号.基带信号：就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上传输。

宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元(称为监督码元)，使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。

一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。

在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而达到发现和纠正错误的目的。

为什么要进行信道编码？信息通过信道传输，由于物理介质的干扰和无法避免噪声，信道的输入和输出之间仅具有统计意义上的关系，在做出唯一判决的情况下将无法避免差错，其差错概率完全取决于信道特性。

因此，一个完整、实用的通信系统通常包括信道编译码模块。

视频信号在传输前都会经过高度压缩以降低码率，传输错误会对最后的图像恢复产生极大的影响，因此信道编码尤为重要。

信道编码的作用一是使码流的频谱特性适应通道的频谱特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性；二是增加纠错能力，使得即便出现差错也能得到纠正。

信息与通信系统的编码有4种形式：信源编码、信道编码、密码编码和多址编码。

信源编码解决了通信系统的有效性问题，通过压缩信源冗余信息来提高通信的效率；信道编码是通过增加冗余位来达到保证通信系统的可靠性（通过牺牲带宽或传输速率来换取可靠性）；密码编码则是保证了系统的安全性；多址编码主要是解决多用户通信问题2.信道编码的基本思想根据一定的规律在待发送的信息码中加入一些多余的码元，以保证传输过程的可靠性。

信道编码信道编码是提高数字传输可靠性的一种技术。

它的基本思想是通过对信息序列作某种老换，使原来彼此独立，相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端利用这种规律检查或纠正信息码元传检中所造成的差错。

传输差错有两种类型，一类是随机差错，系由随机噪声的干扰引起。

在数据流中出现的这类差错是互相独立、互不相关的。

另一类叫突发差错，由突发噪声的干扰引起。

这种讲误通常成串出现，错误与错误之间有相关性。

为了检查和纠正传输错误，通常采用不同的差错控制策略。

有三种差错控制方式，即检错重发-自动请求重传ARO(Automatie Request forRepeat)、前向差错控制FEC(Forwand Errur Control)以及结合使用FEC和ARQ技术的混合纠错方式HEC(Hybrid Eror Control)(1)自动请求重传ARQ。

发送端根据确定的编码规则对发送数据进行信道编码，然后从信道发出;接收端则根据同样的编码规则对收到的码组进行判别。

若接收端认为有错，就通过反馈信道告诉发送端，即回送重发指令。

发送端根据重发指令，将有错的那部分数据或已发出的全部数据再次传送，直到正确为止。

(2)前向纠错FEC。

这种方式必须采用纠错功能强大的信道编码，根据编码规则，不但要能发现错误，而且要能够确定错误比特的具体位置。

这样，接收端接收到数据后，经过译码就能准确判定错误的位置，从而自动加以纠正。

这种方式的主要优点是不需要反愤信道，适用于单向通信，也适用于一点发送，多点接收的同播系统。

译码时延固定，一般不要求存储信息，较适用于实时传输系统。

但这种方式的译码设备比较复杂，且纠错码型的选择要与信道的差错统计特性相适应。

(3)合纠错HEC。

方式是前面两种方式的结合。

发送端发送的码流不仅能够供接收端检错，而且还具有一定的纠错能力。

接收端译码器首先检查错误情况，如果在编码的纠借能力以内，则自动进行纠错;如果错误超出了编码的纠槽能力，则接收端通过反请信道给发透增送重传信号，要求发送端重新发送。

数字媒体广播中的信道编码1.信道编码概述在广播信道中，由于高建筑物的遮挡，覆盖边界产生的衰落，信号在传输中散射和反射产生的多径效应，加上干扰信号和多普勒效应等不利的条件下，接收到的信息会出现比特差错，降低了传输系统的可靠性。

信道编码是按照一定的规则，在信源编码后人为加入冗余和不相关成分，即补充差错保护，使信源编码的信号尽可能无干扰地通过传输信道送到接收机，也就是说，通过信道编码，当传输出现差错时，在接收机中可以进行识别和修正，从而提高系统的可靠性。

由于信道编码加入了冗余和不相关成分进行差错保护，会使信道上传输的总数据变多，从而需要牺牲传输系统的有效性。

图1.1 数字媒体广播传输系统传输差错分为随机差错和突发差错。

随机差错是随机独立出现的，一般由白噪声引起，容易纠正。

突发差错是成串出现差错，前后差错具有相关性，不容易纠正，需要通过交织技术将突发差错转变为随机差错进行纠正。

差错控制方式有：检错重发、前向纠错和混合纠错。

其中，检错重发和混合纠错都需要反向传输信道，所以，在广播电视数字信号传输中，都是用前向纠错的方式，通过接收端解码，能够自动发现、纠正传输差错。

常用的信道编码有线性分组码和卷积码。

2.卷积编码2.1卷积编码卷积编码，卷积码也是分组的，但它的监督码元不仅与本组的信息元有关，而且还与前若干组的信息元有关。

这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，还可以纠正突发差错。

卷积码根据需要，有不同的结构及相应的纠错能力，但其编码规律都是相同的。

卷积编码用移位寄存器即可实现，实现起来比分组码简单，但译码很复杂。

图2.1.1 卷积编码器以图2.1.1卷积编码器为例。

每输入1比特产生2比特的输出。

输入帧宽度m=1比特，输出帧宽度n=2比特，编码率R=m/n=1/2。

移位寄存器数量为S ，编码器记忆，即储存深度为S*m=2*1=2。

约束长度K ，是所有参与编码过程的比特总数，K=（S+1）*m=（2+1）*1=3。

信道编码技术数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。

所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。

误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。

提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。

信道编码的本质是增加通信的可靠性。

但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的开销。

这就好象我们运送一批玻璃杯一样，为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况，我们通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包装起来，这种包装使玻璃杯所占的容积变大，原来一部车能装5000各玻璃杯的，包装后就只能装4000个了，显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个数减少了。

同样，在带宽固定的信道中，总的传送码率也是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了。

将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了，不同的编码方式，其编码效率有所不同。

数字电视中常用的纠错编码，通常采用两次附加纠错码的前向纠错（FEC）编码。

RS编码属于第一个FEC，188字节后附加16字节RS码，构成（204，188）RS码，这也可以称为外编码。

第二个附加纠错码的FEC一般采用卷积编码，又称为内编码。

外编码和内编码结合一起，称之为级联编码。

级联编码后得到的数据流再按规定的调制方式对载频进行调制。

前向纠错码（FEC）的码字是具有一定纠错能力的码型，它在接收端解码后，不仅可以发现错误，而且能够判断错误码元所在的位置，并自动纠错。

这种纠错码信息不需要储存，不需要反馈，实时性好。

所以在广播系统（单向传输系统）都采用这种信道编码方式。

下图是纠错码的各种类型:1、RS编码RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，RS码为（204，188，t=8），其中t是可抗长度字节数，对应的188符号，监督段为16字节(开销字节段）。