信道编码技术研究

信道编码技术研究

摘要：信道编码是通过信道编码器和译码器实现的用于提高信道可靠性的理论和方法。本文介绍了几种主要的信道编码技术，分析了他们的原理以及它在各个方面的应用和研究，并对各种编码方法的优缺点进行了总结，对信道编码的未来进行了展望。

关键词：信道编码、原理、研究

1 信道编码原理

信道编码是为了与信道的统计特性相匹配，并区分通路和提高通信的可靠性，而在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。信道编码大致分为两类：①信道编码定理，从理论上解决理想编码器、译码器的存在性问题，也就是解决信道能传送的最大信息率的可能性和超过这个最大值时的传输问题。②构造性的编码方法以及这些方法能达到的性能界限。编码定理的证明，从离散信道发展到连续信道，从无记忆信道到有记忆信道，从单用户信道到多用户信道，从证明差错概率可接近于零到以指数规律逼近于零，正在不断完善。编码方法，在离散信道中一般用代数码形式，其类型有较大发展，各种界限也不断有人提出，但尚未达到编码定理所启示的限度，尤其是关于多用户信道，更显得不足。在连续信道中常采用正交函数系来代表消息，这在极限情况下可达到编码定理的限度。不是所有信道的编码定理都已被证明。只有无记忆单用户信道和多用户信道中的特殊情况的编码定理已有严格的证明；其他信道也有一些结果，但尚不完善。

信道编码还有以下几类方式：按字码的功能分为纠错码和检错码；按监督码元与信息码元分为线性码和非线性码；按照对信息码元和监督码元的约束关系的不同又分为分组码和卷积码，按照信息码元在编码后是否保持原来的形式分类，有系统码和非系统码。

线性分组码是差错控制码，由于认识此种码的思路与概念直观而条理清晰，并对编码中的一些重要参量和纠错能力提供一系列明确的概念，从而也为介绍其它差控码奠定有力基础。分组码是一组固定长度的码组，可表示为（n , k），通常它用于前向纠错。在分组码中，监督位被加到信息位之后，形成新的码。在编

码时，k个信息位被编为n位码组长度，而n-k个监督位的作用就是实现检错与纠错。当分组码的信息码元与监督码元之间的关系为线性关系时，这种分组码就称为线性分组码。对于长度为n的二进制线性分组码，它有种可能的码组，从种码组中，可以选择M=个码组（k

RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码。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。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）。实际中实施（255，239，t=8）的RS编码，即在204字节（包括同步字节）前添加51个全“0”字节，产生RS码后丢弃前面51个空字节，形成截短的（204，188）RS码。RS的编码效率是：188/204。

卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此在卷积码的上部采用RS码块， RS码适用于检测和校正那些由解码器产生的突发性错误。所以卷积码和RS码结合在一起可以起到相互补偿的作用。卷积码分为两种：(1)基本卷积码: 基本卷积码编码效率为，η＝1/2, 编码效率较低,优点是纠错能力强。(2)收缩卷积码:如果传输信道质量较好，为提高编码效率，可以采样收缩截短卷积码。有编码效率为：η＝1/2、2/3、3/4、5/6、7/8这几种编码效率的收缩卷积码。编码效率高，一定带宽内可传输的有效比特率增大,但纠错能力越减弱。

1993 年诞生的Turbo 码，单片Turbo 码的编码/解码器，运行速率达40Mb/s。该芯片集成了一个32×32 交织器，其性能和传统的RS 外码和卷积内

码的级联一样好。所以Turbo码是一种先进的信道编码技术，由于其不需要进行两次编码，所以其编码效率比传统的RS+卷积码要好。

2 信道编码的研究

在无记忆信道中，噪声独立随机地影响着每个传输码元，因此接受的码元序列中的错误是独立随机出现的，以高斯白噪声为主题的信道属于这类信道。在有记忆的信道中，噪声和干扰的影响往往前后相关。还有些信道既有独立随机差错又有突发行成串差错。对不同类型的信道，需要设计不同类型的信道编码，才能达到良好的效果。

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。一个完整的数字电视系统，在从信源至接收的全过程中，对数字电视信号进行的编码包括信源编码、信道编码以及加密与解密，其中信源编码与信道编码是对数字电视信号进行处理的重要步骤，而加密与解密则主要用于数字电视条件接收系统，它是数字电视的一大重要特征，其目的是为了实现数字电视的有偿服务机制，使授权用户能够得到所需要的数字电视节目及其服务，从而保证数字电视运营系统的良性循环。信道编码的根本目的是为了提高信息传输的可靠性，即提高数字电视系统的抗干扰能力。信道编码是数字通信区别于模拟通信的显著标志，其主要实现方法是通过增大码率或频带，即增大所需的信道容量。这一点恰好与信源编码为适应存储及信道传输要求而进行压缩码率或频带而相反。

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。

信道编码技术可改善数字信息在传输过程中由于噪声和干扰而造成的误差，提高系统可靠性。因而提供高效的信道编译码技术成为3G移动通信系统中的关键技术之一。3G移动通信系统所提供的业务种类的多样性、灵活性，对差错控