编码调制与纠错（精选7篇）
编码调制与纠错 篇1
1、引言
开关键控调制 (OOK) 和脉冲位置调制 (PPM) 是空间光通信中使用得最多的两种调制方式。在OOK调制系统中, 编码调制只需要通过光源的闪烁即可完成, 是空间光通信系统调制方式中最初级、最简单的形式。但是它受背景光的影响大, 功率效率低, 而且信噪比很难提高, 光信号经过长距离的大气衰减后已经变的很微弱, 此时OOK调制方式已经无法保证通信的全天候与可靠性, 并且通信率也很难提高, 难以很好地发挥光通信的频宽优势。相比OOK调制方式, PPM调制能大大降低对发射端激光平均功率的要求, 可以取得较好的平均功率效率。在空间光通信中, 如果在给定的激光脉冲重复频率下采用PPM调制方式, 可以利用很小的光平均功率就达到很高的数据传输率。近年来的研究还发现, PPM调制与OOK调制相比不仅提高了激光器的功率效率, 而且抗信道误码能力也有显著增强, 非常适合于信道噪声复杂且功率受限的空间光通信。
早期广泛应用于空间光通信的编码方式有里德-所罗门码 (Ree d-Solomon, RS码) 和卷积吗。因为空间光通信中通信距离遥远, RS编码后的信息经过长距离传输后变得非常微弱, 无法满足FSO的需求。为了弥补RS码的不足, Turbo码和LDPC码相继被提出, 最近, 将编码与调制相结合的LDPC+APPM等新型编码技术也得到了提出。
2、空间光通信的系统模型和信道模型
2.1 系统模型
从研究调制和编码的角度, 空间光通信系统的系统组成可表示成如图1所示。
空间光通信系统工作原理: (1) 信源经过编码器编码后送入调制器进行调制, 系统选用PPM调制作为调制方式; (2) 已调信号通过光发射机发射出去, 为便于研究, 本文将大气信道选定为加性高斯白噪声信道; (3) 光接收机接收光信号, 接收到的光信号被转换成电信号, 电信号经过放大等处理经过PPM解调, 送入译码器译码, 还原出原来的信息。
2.2 信道模型
高斯随机过程是一种十分重要且普遍存在的随机过程, 大量的研究观察表明, 高斯噪声始终存在与任何一种信道中, 本文将大气信道选为加性高斯白噪声信道具有重要的实际意义。
高斯噪声是指存在于通信系统中的某些数字特征或者统计特性符合高斯过程的数字特征或者统计特性的噪声, 它的概率密度函数为:, 其中:α为噪声的均值, δ为噪声的均方差。
3、编码方式和性能分析
3.1 RS码
RS码是一种非二进制循环码, 假设RS码的码元是m比特, m为大于2的正整数, 则该RS码成立的条件是:n和k同时0
3.2 LDPC码
LDPC码是一种与众不同的线性分组码, 它不是由生成矩阵表示, 而是由校验矩阵来表示。作为一种典型的奇偶校验码, LDPC码的校验矩阵H具有稀疏性, 即矩阵中只有很少数“1”元素, 而“0”元素则居多。规则LDPC的校验矩阵H中每一行和每一列中“1”元素的个数是相同的。规则LDPC码的描述可以采用的形式, n表示分组码长度, j和k分别表示校验矩阵H中每一列和每一行中包含“1”元素的个数。LDPC码是一种在线性时间内可编译的码, 它在经过很好的设计后能够非常逼近Shannon限。
3.3 性能曲线
本文对相应码长、码率的RS码、LDPC码以及LDPC-APPM码进行了仿真和比较, 仿真结果如图2和图3所示, 纵坐标表示误码率 (BER) , 横坐标表示每个时隙内探测器吸收的光子数。
从图1可以看出, 经过RS和LDPC编码后的信号比未经编码的信号误码率要小很多, 另外在PPM调制阶数 (512-PPM) 相同下, 相同码长的LDPC码性能明显优于RS码。从图2又可看出在相同调制阶数下, 新型的LDPC-APPM编码方式比LDPC码性能要优越很多。
4、结语
仿真结果表明, LDPC码性能明显优于RS码, 而新型的LDPC-APPM编码在性能上则更加突出。可以预知, 基于PPM调制和LDPC编码的新型编码方式将在空间光通信中将有很好的应用前景。
参考文献
[1]王佳, 俞信.自由空间光通信技术的研究现状和发展方向综述[J].光学技术, 2005.3.
[2]郭建中, 谭莹, 艾勇.基于LDPC码和PPM调制的深空光通信系统性能分析[J].光通信技术, 2007, 31 (12) .
卫星通信中的信道编码与调制技术 篇2
卫星通信是通信基础设施中不可或缺的组成部分。随着信息技术的快速发展和信息应用的日益丰富, 人们对于卫星通信系统的质量和容量提出越来越高的要求, 这直接推动了卫星通信信道编码和调制技术的进步。先进的信道编码技术可以有效降低误码率和发射功率, 而先进的调制技术可以显著提高频率资源的利用率。因此, 卫星通信信道编码与调制技术的研究和应用具有极大的理论和实际意义。
2信道编码技术
卫星通信信道是一种典型的时变信道, 其多径、多普勒和阴影等效应会严重影响信号传输的可靠性。要保证通信质量, 就需要在一定功率条件下使用相应的信道编码, 以达到检错和纠错的目的。
信道编码的基本原理是在信息码元序列中附加一些监督码元, 在两者之间建立某种校验关系, 当这种校验关系因传输错误而受到破坏时, 可以被发现和纠正。信道编码有编码增益和编码效率两个主要性能指标。编码增益定义为非编码系统与编码系统之间所需信噪比的差值, 它反应了在一定误码率要求下特定编码方法对信噪比的改善程度。编码增益的获得要通过增加系统带宽和系统复杂度来换取, 这就涉及到编码效率问题。编码效率定义为信息码元位数与编码序列长度的比值, 某编码方案所需监督码元位数越少, 其编码效率越高。
根据信息码元和监督码元之间的约束方式, 信道编码可分为分组码和卷积码。在分组码中, 监督码元仅与本码组的信息码元有关, 汉明码是最早提出的一种分组码, 它只能纠正一个码字中的单个差错, 后来发展起来的能纠正多个随机错误的BCH码以及具有纠正突发错误能力的RS码 (多进制BCH码) 也都属于分组码, 且具有循环特性。LDPC码是一类由特定的稀疏校验矩阵构成的分组码, 具有逼近香农极限的优异性能。在卷积码中, 监督码元与本组信息码元及前面若干组的信息码元同时有关, Tu rbo码就是由两个结构相同的卷积码编码器构成的码字。除了分组码和卷积码, 还有一种组合码称为串行级联码, 可以将纠正随机差错的码和纠正突发差错的码相结合, 同时加大了码长, 提高了性能。
RS码、卷积码、串行级联码、Tu rbo码和LDPC码等都是目前卫星通信中常用的信道编码, 它们的性能差异集中体现在图1中。图中曲线表示在BPSK调制方式和10-5误码率指标要求下, 与未采用编码系统相比, 以上各种编码在Eb/N0方面取得的改进。
可见, 单独采用分组码所获得的编码增益较低, 只有2.7d B;常用的卷积码在3bit量化软判决时编码增益为5d B左右;串行级联码选用R=1/2卷积码作内码, RS码作外码时, 编码增益为可达7~8d B左右;Turbo码无论在AWGN信道还是在衰落信道中, 都取得了很好的误码率性能。当采用65535bit的随机交织器、18次迭代时, 1/2码率的Turbo码的编码增益可达8.9d B;规则LDPC码在性能上不如Tu r b o码, 而当码长超过10 4后, 不规则L DP C码的性能开始优于Turbo码。
3信道调制技术
按照调制器输入信号的形式, 调制可以分为模拟调制和数字调制。模拟调制是指利用输入的模拟信号直接改变载波的振幅、频率或相位, 从而得到A M (调幅) 、F M (调频) 和PM (调相) 信号。数字调制指利用数字信号来控制载波的振幅、频率或相位, 相应调制方式为ASK (幅移键控) 、FSK (频移键控) 和PSK (相移键控) 。按照已调信号包络幅度是否变化可分为恒包络和非恒包络, FSK, PSK, C P M (连续相位调制) 为恒包络调制, 而A S K, QA M (正交幅度调制) 为非恒包络调制。
调制是为了使信号特性与信道特性相匹配, 不同类型的信道特性需要选用不同的调制技术。卫星通信信道要求已调信号具有等包络、窄带宽、高频带利用率和强抗干扰性能等特点, 因此, 在卫星通信系统中通常采用PSK和以此为基础的其他调制方式, 如BPSK, QPSK, 8PSK, 16QAM, 16APSK等, 其星座图如图2所示。
信道调制有功率利用率和频带利用率两个主要性能指标。功率利用率定义为达到一定比特差错率所需要的最低归一化信噪比及比特能量与噪声功率谱密度之比, 所需归一化信噪比越低, 功率利用率越高, 反之则越低。不同调制方式达到同一比特差错率时所需要的信噪比不同, 且调制阶数越高所需的信噪比越高, 如图3所示。
频带利用率定义为1Hz的系统带宽所能传输的信息速率。频带利用率与调制方式、编码方式以及滚降系数密切相关。编码效率越高、调制阶数越高、滚降系数越小, 频带利用率越高, 但所需的信噪比也会越高, 这样功率利用率就会越低。通常, 一种调制技术不能同时达到最高的功率和频带利用率, 需要根据实际要求进行折中。卫星通信空间段资源主要由转发器带宽和功率两部分组成, 选择调制方式的原则是尽量少地占用转发器的带宽/功率, 且要达到功带平衡。
总的来说, 卫星通信信道调制技术的发展趋势为更高的频带和功率利用率, 并达到二者的最佳平衡。
4 DVB-S系列信道编码与调制技术
DVB-S是一套成功用于卫星数字视频广播的技术标准, 包含信源编码、信道编码和调制。DVB-S最初仅用于数字卫星广播领域, 后来随着卫星信道编码和调制技术以及卫星通信广播应用的飞速发展, DV B-S2和DV B-S2X应运而生, 且其应用范围不再局限于数字卫星广播领域, 而是逐步扩展到整个卫星通信领域。DVB-S系列标准集中体现了卫星通信信道编码和调制技术的发展成就和应用水平。
4.1 DVB-S
DV B-S 1993年在欧洲兴起, 由两部分组成, 一部分为信源编码和复用, 另一部分为信道编码和调制, 其信道编码和调制系统组成如图4所示。
DV B-S信道编码采用R S码和卷积码串行级联编码方式。其中RS码作为外码, 码型为RS (204, 188) , 用来纠正与本组 (8比特) 有关的误码, 对纠正突发性误码很有效。卷积编码作为内码, 码型可选择1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8, 选择的标准是在频带利用率和抗误码性能之间权衡。卷积码除纠正本组的误码以外, 也纠正其他组的误码。RS编码器与卷积编码器间为一交织器, 交织器可将连续误码分散开, 使连续误码不会超出纠错能力。
DV B-S信道调制采用QPSK方式, 其抗误码性能较优, 且包络恒定, 传输信道中的幅度衰减对其性能无影响, 非常适合卫星信道, 但频带利用率不高, 仅为2b/s/Hz。调制过程由映射、基带成型和调制载波三个环节组成。由于编码器产生的矩形基带脉冲信号在频域内无限延伸, 因此在卫星信道带宽受限的情况下会引起波形失真, 从而产生符号间干扰。为实现无符号间干扰传输, 常常将基带信号的频谱设计为升余弦滚降的形状, 基带成型就是一个平方根升余弦滤波器, 滚降系数为0.35。
4.2 DVB-S2
DV B-S2于20 04年发布, 20 05年被正式确定为国际标准。与DVB-S相比, 在相同的传输条件下, DV B-S2传输容量可提高30%以上。DV B-S2信道编码采用LDPC码与BCH码串行级联编码方式, 该编码方案在性能上与香农极限只差0.7~1d B, 远优于DVB-S中RS&卷积码的4d B, 比基于Turbo码的候选方案强0.3d B。
除QPSK之外, DVB-S2增加了8PSK, 16APSK, 32A PSK三种高阶调制方式, 对应的频带利用率分别为3b/s/Hz, 4b/s/Hz, 5b/s/Hz。DVB-S2基带成型中的升余弦滚降系数最小可做到0.2, 进一步提高了频带利用率。
与DV B-S采用C C M (固定编码调制) 方式不同, DVB-S2采用VCM (可变编码调制) 方式。VC M允许使用不同编码和调制方式, 并且可以逐帧改变。VCM技术允许不同的业务类型选择不同的错误保护级别分级传输, 因而传输效率得以大大提高。VCM技术结合回传信道, 就构成了ACM (自适应编码调制) 。DVB-S链路预算采用统一的编码调制方式方案, 为了保证恶劣信道条件下的通信, 每条链路都存在一定的“裕量”, 这会浪费宝贵的信道资源。ACM根据不同用户的实时信道条件 (信噪比) 自适应改变编码和调制方式, 为每个用户配置不同的编码调制方案, 可将链路“裕量”自动转换为链路传输能力, 从而提高卫星信道的频率利用率, 大幅提高了系统性能。采用了ACM之后, 在交互式点对点应用时, 卫星通信容量可以增加100%~200%。
4.3 DVB-S2X
DV B-S2 X于2014年正式发布, DV B-S2 X相比DVB-S2具有更高频谱效率, 更大接入速率, 更好移动性能以及更强健的服务能力。DVB-S2X的目标主要有两个:一是进一步提高现行标准的频带利用率;二是适应移动接收、Ka波段通信平台或宽带转发器等卫星通信行业的新应用。
DV B-S2 X信道编码仍采用性能较优的L DP C码与BCH码串行级联编码方式, 信道调制方式除了朝更高阶发展外, 还增加了适用于极低信噪比条件下的BPSK调制方式, DV B-S2X新增64A PSK, 128A PSK, 256A PSK三种高阶调制方式, 它们对应的频带利用率分别为6b/s/Hz, 7 b/s/H z, 8b/s/H z。DV B-S 2 X基带成型中的升余弦滚降系数最小可做到0.05, 并采用了高级滤波技术, 以有效提高频带利用率, 如图5所示。
D V B-S 2的M O D C O D分辨力粒度为2 8, 而DV B-S2X可达112。这样, 在某种特定的接收信噪比条件下, 就可以选择最贴合该接收条件的编码和调制方式, 从而获得最高的频带利用率。
DV B-S2X的一个应用场景是陆地、海洋、航空中的低速及高速移动环境。为保证在这些环境中以更小的接收天线来更稳定地使用DVB-S2X链路所提供的服务, DVB-S2X采用了VLSNR (极低信噪比) 技术, 在BPSK与QPSK调制中增加了9个额外的MODCOD。此外, BPSK的MODCOD采用了频谱扩展技术, 信号的功率/频谱被扩展到很宽的频带, 频谱密度得以降低, 抗外部干扰能力得以提高, 整个卫星链路的可用性及安全性能也得到提高。
5三者对比
从DVB-S到DVB-S2再到DVB-S2X, 编码技术越来越先进, 调制系数越来越高阶, 滚降系数越来越小, MODCOD分辨力粒度越来越精细, 其应用范围也越来越广, 三者对比情况如表1所示。
从DVB-S到DVB-S2, 再到DVB-S2X, 通过增加调制方案的颗粒度, 选择更好的信道编码方式, 以及采用更小的滚降因子和更高阶的调制方式, 实现了越来越高的频带利用率。
6结束语
编码调制与纠错 篇3
语音通信在实际传输中遇到最主要的问题是可靠性问题,也就是数字信号出现差错的问题。如何提高语音通信的可靠性以及降低干扰对语音传输的有害影响,是制定每一个语音压缩编码标准必须充分考虑的问题。纠错编码就是为了克服干扰,增加可靠性的一种技术,其目的是尽可能提高已编码信号的检错和纠错能力。若语音参数编码在传输过程中受到干扰,合成语音会产生令人特别讨厌的刺耳尖叫声。FS-1016语音编码标准中,提取语音特征参数后,采用汉明纠错码(15,11)对重要的10个参数位进行检纠错,大大提高了语音通话质量。
1 汉明码纠错原理
汉明码是把二元信息数字序列每k位信息码分成一组,每组附加r位监督码元,构成长度n=k+r的纠错码组。当纠错码组中有一位错误时,能够及时检测出来,并对其进行纠正。其原理是,每个监督数字对位码字中指定的若干位进行监督,在接收端通过检查一些监督关系是否满足,来确定码字中那一位出错[3,4]。上述过程可以通过下面的逻辑关系来实现:信息码组为D0,D1,…,Dk-1,监督码组为C0,C1,…,Cr-1,则纠错码组为D0,D1,…,Dk-1,C0,C1,…,Cr-1。可用线性方程组表示信息码元与监督码元之间的关系,即
如果收到的码组没有错误,则上面各式必然成立;否则,有错误出现时,等式右边不为零。这样,接收端可以根据这个条件来发现并纠正错误。
二元(2r-1,2r-1-r)汉明码是能够纠正一个错误的线性分组码,而且在所有能纠正一个错误的二元线性分组码中,当监督位r是时,汉明码具有最大编码信息率,并且汉明码的最小码距d0=3。下面讨论汉明码的检错和纠错能力。
设未编码前k位信息元中任何一位出错就变成另一码字,其错字率是
Pe=kρ(1-ρ)k-1+C
编码后任何单错都能纠正,错字率是
P′e=1-(1-ρ)n-nρ(1-ρ)n-1≈C
当用于检错时,汉明码能发现双错,错字率是
P″e=1-(1-ρ)n-nρ(1-ρ)n-1-C
以(15,11)汉明码为例,令ρ=0.01,得Pe=0.104 506 4,P′e=0.009 213 9,P″e=0.000 403 3,可见纠错时错字率有明显的下降,检错时漏检率几乎可以忽略不计。
2 汉明码在FS-1016中的应用
虽然汉明码仅能纠正一个错误,但是汉明码的编译码过程实现起来简单,而且它有较强的检错和纠错能力,所以汉明码在工程上得到了广泛的应用。
FS-1016编码器中,8 kHz采样,一帧语音长度240个样点(30 ms),一帧内有4个子帧,子帧长度60个样点(7.5 ms),每帧发送144 bit。发送的参数是:10个LSF参数,自适应码本序号及增益,随机码本序号及增益。一帧语音经过编码后,10个LSF参数共需要34 bit,自适应码本序号及其增益共需要48 bit,随机码本序号及其增益共需要56 bit,同步位1 bit,未来扩展位1 bit,还有4 bit作为监督码元用于纠错。
前向纠错通过汉明码(15,11)完成,用来保护10个基音延迟和基音增益位。它们分别是:第1子帧和第3子帧基音延迟的第5、6、7位,以及最重要的基音增益位,即4个子帧基音增益的第4位。每帧预留1位用于将来扩展使用,这一未来扩展位是汉明码保护的第11位。
需要保护的信息位的排序,如图1所示,每个奇偶校验位由所示的4个区域产生。若在各个奇偶校验位1、2、3、4区域中的信息位有奇数个1,奇偶校验位被设为1。解码过程中,程序被重复,计算得到的检查位与收到的检查位进行独立的异或运算,异或的结果作为寻找出错信息位,信息出错的位置,如表1所示。
3 汉明码在FS-1016中的编程实现
采用C语言编写程序,具有独立性强、可移植性好、调试方便、便于用仿真测试性能等优点。
本程序结合FS-1016以(15,11)为例,本程序通用性好,稍加修改就可以作为其他汉明码纠错程序。程序主要分为矩阵产生、编码和解码3个模块,通过矩阵产生模块得到2个数列,分别是编码数列{3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15}和纠错数列{12,13,1,14,2,3,4,15,5,6,7,8,9,10,11},前者在编码时用于计算监督码元,两个数列在译码时共同用于纠错。编码模块把需要保护的信息位与编码数列有条件的进行异或运算,得到的结果作为监督位,与其他语音信息构成144位的一帧语音数据进行传输。解码模块可以纠正保护信息位中的一个错误,它通过把接收保护信息位与编码数列进行有条件的异或运算,得到的结果利用纠错序列就可以达到改正一个错误的目的。
4 实验及结论
实验通过截取实际的一段语音参数,进行汉明编码后,在一帧语音保护位中随机设定一个错误。分别是第1帧中信息位1出错40变为41,第2帧中信息位4出错70变为72,第3帧中信息位8出错1F变为1B,在译码端错误自动得到纠正,如图2和图3所示。
参考文献
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[3]王炳锡.语音编码[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.
编码调制与纠错 篇4
随着数字技术的发展, Internet应用日益广泛, 因其数字特征极易被复制、篡改、非法传播以及蓄意攻击, 其版权保护已日益引起人们的关注。近年来国际上提出了一种新型的版权保护技术——数字水印 (Digital Watermark) 来解决上述版权问题。然而传统的数字水印在鲁棒性方面, 特别是对于剪切、旋转等几何攻击[1]一直存在着一些缺陷。本文给出了一种有效的方法来解决剪切、旋转等几何攻击对数字水印算法产生的破坏。该算法在小波变换的基础上, 运用了纠错编码[2]、水印分块隐藏[3,4,5]和奇异值分解[6]等技术来实现水印的鲁棒性。为了使水印的不可见性好, 采用了图像的YIQ模型来嵌入水印。该模型的主要优点是去掉了亮度 (Y) 和颜色信息间的紧密联系, 能在不影响图像颜色的情况下处理图像的亮度成分。
1 纠错编码技术
采用汉明码来实现单个错误的纠正。汉明码的定义:一个[n, k, d]分组码有n-k位校验元, 在二进制码情况下, 这n-k个校验元能组成2n-k列不同的n-k重, 其中2n-k-1列不全为0。所以, 如果用这2n-k-1列作为H矩阵的每一列, 则由此H就产生了一个纠正单个错误的[n, k, 3]码。GF (2) 上汉明码的H矩阵的列, 是由不全为0, 且互不相同的二进制m重组成。该码有如下参数:n=2m-1, k=2m-1-m, R= (2m-1-m) / (2m-1) , d=3。构造GF (2) 上的[7, 4, 3]汉明码, 这时取m=3, 所有23=8个三重为:000, 101, 111, 110, 011, 100, 010, 001。挑选其中7个非0的三重构成式 (1) 。若码字传输中第一位发生错误, 则第1位对应的伴随式为S= (101) , 它是“5”的二进制表示;若第五位发生错误, 则第5位对应的伴随式为S= (100) , 它是“4”的二进制表示。通过计算伴随式的值, 可以确定码。
字中具体哪一位发生错误。因为每一位都有一个相应的伴随式, 也就有一个对应的固定数值, 比较方便译码。
2 水印的嵌入及提取
本算法采用纠错编码和原始图像分块技术, 给出了一种可抗相应角度裁剪和旋转攻击的水印嵌入新方法, 它以掩饰图像中心为对称点, 将图像按一定角度要求划分成均等的若干块, 其中每一块均可通过给定角度倍数的旋转与参考块重合。通过对水印的裁剪和旋转攻击方法的分析, 给出将对称思想与多次嵌入方法相结合的解决方案。具体为对整个图像进行分块, 把水印分别嵌入在各块图像中, 这相当于把水印重复嵌入在图像中, 只要剪切的图像还剩下一个完整的块, 就能把信息完整的提取出来, 具体嵌入水印方法如图1所示, 从图1中可以看出, 本算法把图像分成四块, 分别从不同方向嵌入相同水印。当90°倍数旋转攻击时, 可以发现, 水印嵌入的方向其实没有发生改变, 自然就可以完整的提取水印。
2.1 水印的嵌入算法
(1) 将原始图像转换为YIQ模式, 取图像的Y分量进行水印嵌入。
(2) 将二值水印首先进行Arnold置乱, 同时得到相应Arnold密钥;然后再做Logistic混沌置乱, 得到混沌密钥。
(3) 对 (2) 步置乱的数据进行[7, 4, 3]汉明编码, 即把置乱数据按顺序以四位为一个整体分成多组数据分别进行[7, 4, 3]汉明编码。
(4) 把图像中的Y分量进行小波变换, 得到近似系数cA, 水平细节系数cH, 垂直细节系数cV, 对角细节系数cD。
(5) 利用得到的近似系数cA, 把它分成4部分, 如图1所示, 分别嵌入相同的水印, 但每一部分嵌入水印的方向不同。其中左上角部分嵌入的方式为:把数据分割成2×2子块block (左上角部分cA数据为二维分量, 分割成2行2列子块, 按列向量递增, 直到大于列向量;从下一个2行开始继续分割) , 分别对各分割子块进行奇异值分解。其它部分嵌入方式类似。
(6) 把相应信息嵌入在最大奇异值中, 嵌入的详细过程为:
① 对每一块矩阵block进行奇异值分解, block=
② 计算整数D=[λ1/Q]。λ1为每块中的S第一个值S (1, 1) ;Q为嵌入强度因子, 由水印的不可见性和鲁棒性决定。在本算法中, Q值是通过以下方式得到:结合嵌入水印后图像的信噪比, 提取水印和原始水印的相似度, 由实验具体验证, 找出一个合适的Q值。
③ a (i, j) 为置乱后的水印信息a中的一位, 嵌入规则如下:
如果a (i, j) =0, 并且D是奇数时, D=D+1, 否则D不变;
如果a (i, j) =1, 并且D是偶数时, D=D+1, 否则D不变;
④ 嵌入信息后, 得到S′, 嵌入水印后的矩阵块block′=US′VT。
(7) 小波逆变换。
2.2 水印的提取算法
(1) 将原始图像转换为YIQ模式, 取图像的Y分量进行小波变换, 得到近似系数cA。
(2) 一般情况下, 只需从嵌入图像的某分块中提取其水印就可以, 因为其它三部分嵌入的水印与它相同。根据图1的嵌入方法, 左上角部分提取的方式为:把它分割成2×2子块 (左上角部分cA为二维分量, 分割成2行2列子块, 按列向量递增, 直到大于列向量;从下一个2行开始继续分割) , 分别对各子块进行奇异值分解。
(3) 提取的详细过程为:
① 对每一块矩阵block进行奇异值分解, block=
② 计算整数D=[λ1/Q], λ1为每块中的S第一个值, Q为嵌入强度因子。
③ 提取规则如下:
if D是奇数时
a (i, j) =1
else
a (i, j) =0;
End
(4) 对提取到的数据, 首先进行汉明解码。然后根据嵌入算法得到的密钥, 将二值水印进行Logistic混沌解密, 然后再Arnold逆置乱, 得到相应水印信息。
3 实验结果
本算法的实验图像是512×512, bmp格式的Lena标准测试图像, 实验水印是二值水印图像32×32的“二值水印”, 在matlab-7.0环境下仿真。
水印算法的评价包括隐蔽性评价和鲁棒性评价两部分。隐蔽性的评价在原始载体图像与嵌入水印后的图像间进行。可采用能见度指标, 从视觉感受上主观的评价嵌入前后图像间的差异。从图2中可以发现, 嵌入水印前后的图像从视觉上看不出差异。定量客观的评价隐蔽性常采用信号处理中的峰值信噪比PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) 。彩色图像的PSNR的定义为如下式所示:
其中, D是信号的峰值。对于一个8位图像来说, 每个像素值的峰值就是255。M, N表示图像的大小。根据人眼视觉特性, PSNR>30时, 水印的隐蔽性较好。PSNR值越大, 水印隐蔽性越好。本算法在图像嵌入水印后的PSNR值为45.5767, 较好地满足了水印的不可见性。
鲁棒性评价一般由原始水印与提取水印间的差异 (通常由相似度 (NC) ) 来衡量, 相似度定义为如下式所示。
其中, I和I′分别为原水印图像和提取出的水印图像, M, N为图像的大小。
从表1中可以验证:该水印算法对剪切、旋转、平移等几何攻击的效果较好;采用纠错编码技术以后, 明显提高了水印的鲁棒性。即当水印受到攻击时, 它能减少水印的错误, 提高提取水印与原始水印的相似度。
4 结束语
本算法的特点:利用图像的YIQ模型来嵌入水印, 保证了水印的不可见性;对水印进行双重置乱, 保证了数据的安全性;利用纠错编码技术、奇异值分解、水印分块技术, 保证了水印的鲁棒性。由表1数据可知, 本算法具有较好的鲁棒性、安全性、不可见性。
参考文献
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编码调制与纠错 篇5
1 工频通信信道及噪声分析
工频信道存在多种干扰源, 其主要包括脉冲噪声干扰、高斯噪声干扰及50Hz谐波噪声。重工业区电网中的负载多为各类电机, 还有大量的无功补偿设备、变频设备, 这些装置在运行产生的干扰噪声会严重影响通信性能[2]。通过实验数据分析可得在一般情况下工频电网信道模型如图1所示。
脉冲噪声主要是在电磁干扰以及通信系统的故障和缺陷, 或信号系统的电气开关和继电器改变状态时产生[3]。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点, 对于载波信号传输的影响相当大, 会造成信号的误码率极高。高斯噪声可视为电网的背景噪声, 主要由配电变压器的高压边耦合而来。谐波噪声干扰主要源于电网中的补偿电容排引起的谐振现象。以上噪声使得数据传输时易受短时脉冲干扰而产生突发差错, 同时受高斯噪声干扰产生随机差错。
2 基于工频通信的纠错码matlab仿真
纠错码的本质是寻找增加冗余度的一种最有效的方法, 从而在接收信息受到一定干扰的条件下仍然能够可靠地恢复原始的发送信息。为了克服传输过程中的各种各样的干扰, 往往要人为的加入一些冗余度, 使其具有自动检错或纠错能力。
2.1 汉明码, BCH码编码原理
汉明码是一种典型的线性分组码, 即是将信息划分为k个码元为一个信息组, 通过编码器变为n个码元一组, 作为 (n, k) 线性分组码的一个码字。
B C H码属于循环码, 所谓循环码即是对于一个线性分组码, 将其任意一个码字的码元向右或向左循环移一位, 所得的仍然是码字, 则称该码为循环码。循环码是用G F (2) 域上最小多项式定义的分组码, 而BCH码是用GF (2m) 扩域上的根定义的分组码。对于GF (q) 域循环码的生成多项式个 (x) , 若含有2t个连续幂次的根, 则由g (x) 生成的 (n, k) 循环码称为q进制BCH码。
2.2 突发信道中的纠错码实现
本文主要分析仿真目前油田电网工频通信系统中广泛使用的 (15, 11) 汉明码、 (63, 51) BCH码。在Simlink中建立仿真模型[4], 以一个整型信号发生器作为信号源, 经过汉明码 (BCH码) 编码器, 调制后通过加有[ones (1, 150) zeros (1, 50) ]作为突发干扰源的高斯信道, 再经过汉明码 (BCH码) 译码器, 最后将编译码后的信号进行误码率计算, 将计算结果存入workspace。再由matlab编译程序画图呈现。仿真结果如图2所示。
由图2可见, 突发干扰信道中误码率随着信噪比的增加而减小, 且误码率较大, 误码率多集中于10-1~10-3。当信噪比小于2dB时, 汉明码 (15, 11) 、BCH码 (63, 51) 纠错能力相差无几, 随着信噪比不断增大, BCH码 (63, 51) 要明显优于汉明码 (15, 11) 。当SNR=4dB时, 经过汉明码信道编译码后误码率已由原来的10-2.5降低到接近于10-3, BCH码编译之后误码率降低到10-4~10-5。
3 结语
目前基于双向工频通信系统的油田电网使用的有汉明码、BCH码。汉明码对于纠正一位错误是有效的, 然而该系统中随机噪声及突发噪声的存在要求对码字的纠错准确度更高, 因此奇偶校验码和汉明码已不能满足要求。通过本文matlab软件仿真分析可以验证出, BCH码较汉明码而言即成为工频系统中更有效的编码方法。
参考文献
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编码调制与纠错 篇6
随着多媒体数据在网上交易和传送的日益增多,由于数字信息极易被篡改、复制与散布,如何对数字作品的知识产权进行保护已经成为迫切需要解决的问题[1]。传统的加密方法由于容易引起攻击者注意,已不能满足当今版权保护的要求[2],近年来迅速发展起来的数字水印技术为解决该问题提供了一种新的有效途径[3]。数字水印是以噪声的形式,向数字产品中嵌入版权信息,在不影响视觉和听觉效果的前提下,达到版权保护的目的。在数字作品的版权被盗用时,通过对数字作品的作者、所有者、发行者或授权消费者的信息进行验证,以达到打击盗版,维护版权的目的。该技术是目前进行数字作品版权保护的一种较为有效的技术手段。
小波变换域上的数字水印方法兼具时空域方法和DCT变换域方法的优点,基于DWT域的数字水印技术是目前主要的研究方向。盲水印的检测只需要密钥,不需要原始数据,而且盲水印的检测更方便、安全,是目前研究的一个重点。目前,国内外提出了许多有关盲水印的算法,但这些算法大都需要提供原始图像的部分信息,如水印的嵌入位置信息等,因此不是一种真正意义上的盲水印。该文提出了一种小波域的盲水印算法,该算法利用鲁棒性小波嵌入理论在小波变换的低频区域嵌入,并且水印在检测和提取过程中不需要任何来自原始图像的信息。为进一步提高盲水印的鲁棒性,引进了简单的纠错编码技术。
1 纠错原理和纠错码的编码方法
①纠错原理
本算法采用(7,4)汉明码。
定理:若码的最小码距满足d0=2t+1则纠错能力为t。
(7,4)汉明码,最小码距d0为3,所以它是可以纠正单个随机错误的高效率分组码。
②纠错编码
2k个n重的集合C称为线形分组码,当且仅当它是n维线性空间Vn中的一个k维子空间。
(n,k)线性分组码的编码问题是满足一定条件下根据一直的k个信息元求得n-k个校验元。
由于(n,k)线性分组码字组成了n维线性空间Vn中的一个k维子空间,因此这2k个码字完全可由k个线性无关的矢量组成,设这k个码字为:c1,c1,…,ck
undefined
码中任一码字ci均可由基底的线性组合生成,即:ci=miG,其中mi为信息元。
③译码
设发送端发送=eHT=yHT=(c+e)HT=i接收端得到码字yi=(xn-1,xn-2,…,x0)。产生错误无非为由1变成0或者是由0变成1,因此用错误图样e=(en-1,en-2,…,e0)来表示,当传送的码字哪位发生错误相应的e中哪位为1,如果无错就为0。则:
y=c+e (1)
e=0无错,e≠0有错误产生。
由G可以得到一致校验矩阵H:
undefined
H与G有如下关系:
GHT=0或HGT=0T (2)
令:s=yHT=eHT (3)
由(2)可知cHT=0,带入(3)式得
s=yHT=eHT (4)
s与错误图样有关,由错误图样的定义和(4)式可知:若发生一位错误,假设第i位发生错误,则s正好是H的第i列。如果发生多位错误则为相应位所对应列的线性组合,由线性组合无法得到相应的列,所以无法纠正。
2 水印图像的生成
设二值水印图像W={wij,0≤i
①对水印图像进行纠错编码(这里采用以上所述汉明码)。首先把W′(i)分为L组长为4的码组,然后对每个码组进行纠错编码。假设信息元为a6a5a4a3,由生成矩阵
undefined
可得监督码元a2a1a0。信息元和监督码元组成水印信号经纠错编码后的码元:a6a5a4a3a2a1a0。水印信息变为W″(i){0≤i<7×L}。
②超混沌序列是一种特殊的混沌系统,通常具有两个或两个以上正的Lya-punov指数的混沌系统称为超混沌系统。正的Lya-punov指数越多,系统轨道不稳定的方向越多,系统的随机性越强,其抗破译能力越高。因此,它们更适合于信息加密。
本文采用形式简单且具有超混沌特性的二维离散混沌系统产生超混沌序列。定义一种二维离散超混沌系统具有如下形式[7]:
xn+1=a1yn+a2yundefined
yn+1=b1xn+b2yn (5)
当a1=1.66,a2=1.3,b1=-1.1,b2=0.1时系统进入超混沌状态。图1给出对应该组参数的超混沌吸引子。
本文利用超混沌序列对图像进行置乱处理。
3 水印信息的嵌入
假设载体图像为X(i,j)={0≤i
对原始图像做两级小波变换,根据人眼视觉特性计算出低频各个点的视觉误差门限,根据门限选取与水印尺寸相同的门限大的小波系数。并根据门限的大小选取一个阈值把系数分成两类:大于门限的为Ⅰ类,小于门限的为Ⅱ类。
对于Ⅰ类选择嵌入在小波系数整数部分的第四位,第二类嵌入在整数部分的 第三位。具体算法如下:
如果在要嵌入位置与水印值相同则不改变小波系数,否则:
如果系数值为1,水印值为0,则改变系数值并且把低位整数部分变为1。如果系数值为0,水印值为1,则改变系数值并且把低位整数部分变为1。
4 水印信息的提取
提取过程是嵌入过程的反过程,首先对图像做相同级数的小波变换,再通过计算视觉门限得到水印信息嵌入位置,根据嵌入时小波系数的关系提取水印信息。根据提取的水印信息,对提取的信息元进行纠错。由G得校验矩阵H:
undefined
最后生成与加密处理相同的混沌序列解密,再对图像进行反置乱处理获得检测到的水印图像。
5 实验结果与分析
利用本文上述算法进行了计算机仿真实验。原始载体图像为512*512的Lena灰度图像。水印图像为32*32的二值图像。取2级小波变换,超混沌加密初始值:a1=1.66,a2=1.3,b1=-1.1,b2=0.1。
本算法在和Matlab 7.0.1环境下实现。对算法进行攻击后的测试结果,如表1所示。
6 结束语
本文提出了一种基于纠错编码和小波变换的数字水印技术,并且实现了盲检。对水印进行置乱和混沌加密处理,使水印窟有很好的安全性。并且采用纠错编码技术使水印抵抗一般的攻击具有更好的性能。实验表明本文算法具有较高的安全性和较大的实用价值。
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编码调制与纠错 篇7
一、AWGN信道的相关内容
AWGN信道是指仅仅只有一种信号减损的信号传输通道模型。AWGN是一种噪声与干扰模型, 在此模型中无论是否存在着信号, 其都会存在着一定的噪声, 不会因信号的有无而发生变化。因而这种模型也被称之为加性噪声。AWGN信道中所分布的信号范围比较广, 其频带比较宽, 信息传输具有一定的容量。作为一种无线信道的AWGN信道, 所使用的是无线频段, 主要是通过无线信号来进行数据信息的传输。在AWGN信道中信道编码十分重要。信道编码包括了原定的信息码和后又加入的监督码元两个部分。信息码元和监督码元这两个部分之间是一种约束关系, 当期约束关系破裂的时候, 则会导致信息传输出现问题, 因而必须采用有效的网络编码技术来进行改进和完善, 以确保AWGN信道中信息传输的稳定性。当信息通过AWGN信道进行传输时, 会产生一定的噪声和干扰性, 且难以避免, 而信息传输的质量则依靠于AWGN信道的性能。为此, AWGN信道中必须具有信道编译码模块, 要充分发挥信道编码的作用。有效的信道编码能保障信息在传输的过程中尽可能的减少能量的损失, 保障信号的稳定性, 以避免信息在传输过程中出现错误。
二、AWGN信道高阶调制网络编码分析
在对AWGN信道高阶调制网络编码的SER性能进行分析的时候, 假定所采用的高阶调制为8PSK, 我们根据试验可得出两个结论。一个是当AWGN信道处于双向中继物理层网络编码模式下的时候, 其中继节点的SER性能可以根据公式计算出来。虽然在计算和分析的过程中较为复杂, 但是仍然能利用星座图来进一步研究;一个是采用物理层网络编码模式的双向中继网络, 若是取某个源节点发送功率的固定值, 而将另一个源节点的发送功率作为变量, 以探索其在变量增加的过程中, 中继节点SER性能的变化规律, 可发现其不是呈反比, 并未随之而单调递减, 具有一定的复杂性。在对AWGN信道高阶调制网络编码进行分析的时候, 可以采用最近邻近似方法, 以此来计算SER性能, 固定高阶调制方式, 再利用星座图来加以辅助研究。
现阶段, AWGN在物理层网络编码模式下所采用的仍然是低阶调制方式, 而对高阶调制网络编码的分析少之又少, 也未能充分发挥高阶调制技术。当AWGN信道的环境处于良好状态时, 高阶调制方式的传送在传输高速率上要高于低阶调制方式, 而且在频谱效率方面也有所提升, 具有重要的作用。另外, 在分析AWGN信道高阶调制网络编码的时候, 可以通过仿真实验来进行研讨, 充分利用数值实验的结果, 创设系统模型, 并均采用8SPK调制, 将系统模型A的功率设为a, 为系统模型B的r倍, r的取值范围在0至1之间, 将系统模型B的比特性噪比设为b, 分两组进行实验, 通过对r的取值来观察SER的性能变化。通过仿真实验的结果, 可描述出物理层网络模型编码在AWGN信道中应用的SER性能值和其变化规律, 并且可以此来分析其为何值时, 能够保障信息的传输不出现错误。据此, 有利于推广高阶调制网络编码在AWGN信道中的应用, 以提高信息传输的速度, 增加信息传输的容量, 保障AWGN信道的良好环境。
三、结束语
在无线网络技术的发展过程中, 网络编码技术是其重要的组成部分, 需要予以高度重视。通过对AWGN信道模型的研究, 可以发现其在数据传输过程中所扮演的角色和作用, 充分发挥高阶调制网络编码技术, 能够为信号的传输提供良好的通道环境, 避免所传输的信号受到干扰, 从而保障数据传输的质量和效率。AWGN信道具有较强的抗干扰性, 是一种无线噪声模式。对AWGN信道中高阶调制网络编码的SER性能进行分析, 可进一步的完善AWGN信道的传输功能, 有利于加快信息传输的速度, 避免无线网络通讯受到干扰、衰落的影响, 从而更好地接受信息并解码信息, 确保解码信息的正确率。
摘要：本文主要简单的介绍了AWGN信道的相关内容, 对AWGN信道高阶调制网络编码进行了研究, 以分析AWGN信道高阶调制网络编码中的SER性能。据此, 有利于保证AWGN信道高阶调制网络编码中的误符号率, 促进我国网络通信技术的发展, 保障良好的AWGN信道条件, 提高信息传输速率, 为人们提供更快捷的网络业务服务。
关键词：AWGN信道,高阶调制,网络编码
参考文献
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