信道编码技术

信道编码技术（共7篇）

信道编码技术 篇1

现阶段, 在移动通信中想要提升系统传输数据的稳定性, 必然要用到信道编码技术, 早期的第二代移动通信系统中所使用的是交织和卷积码技术。而在第三代移动通信系统中, 逐步的增加了业务种类, 以至于对信道编码有了更高的要求。因此, 对信道编码方案的设计, 一方面要考虑到用户业务的需求, 另一方面还需要考虑到全局的系统优化, 并和系统经济、分集接受等因素充分融合。

一、CDMA信道编码方案

CDMA信道编码方案具体包含几个层面:分离的物理信道、交织、纠错编码等。并且, 信道编码方案还能够和高层的消息通信有直接的联系, 是从高层获取业务复用、业务质量指示等消息, 以此来达到各种业务中不同复用案和编码的目的, 进而将最高的效率提供给不同的业务组合[1]。

二、CDMA差错控制技术

1. 业务专用码。

业务专用码可以允许各项业务自带编码方式, 并无需使用任何一种编码, 为物理层提供了较为巨大的灵活性。

2. Turbo码。

Turbo码是卷积码的延伸, 是新型的级联卷积码, Turbo码主要由两个相同结构的递归卷积码, 并经过内部的交织器级联而形成。具体的优势在于, 在信道中Turbo码的纠错性能与香农限十分接近, 对于信息位相同的数据块进行传输的过程中, Turbo码的性能远远要比RS码超出1d B。Turbo码存在的缺点是, 计算量方面过大, 极易生成很大的时延。在CDMA移动通信系统中, 若处于低性能、低速率的情况下, 需要利用和第二代移动通信系统相似的卷积码技术, 可是若处于高性能、高速率的状态下, 需要利用Turbo码技术[2]。

3. 卷积码。

在BER是10-3级别的业务中适合应用卷积码, 传统形式下的话音业务较为典型。应用到的卷积码的编译码方法和码行, 一般情况下都是参照第二代移动通信系统。例如:卷积码的约束长度为9时, 码率可以是1/4、2/3、1/2等。在TD-SCDMA方案中甚至应用了3/4卷积码, 在译码方面使用的是维特比译码算法, 码率领域中时常用到的则是:1/3、1/2。卷积码往往适合应用在处于较低速率的话音业务中。

4. 卷积码和RS码的串行级联。

串行级联码一般会用在BER是10-1级的业务中, 码率为4/5左右, RS码是256进制, 码长会按照时延和业务速率的需求在固定的范围内更改。卷积码和RS码利用交织连接在一起, 交织的范围在30ms-140ms之间变化, 变化的过程中所体现出的是帧间交织。

三、CDMA2000信道纠错编码方案

1. 反向信道。

在CDMA2000中的反向信道中, 具体应用的纠错编码方案分为两种: (1) Turbo码。CDMA2000反向信道中的补充信道中, 通常应用的是1/2、1/3、1/4速率的Turbo码进行相应的纠错。 (2) 卷积码。CDMA2000反向信道中的基本信道中, 具体应用了约束度为9的卷积码。这种编码虽然是低速的形式, 可是能够发挥出较高的编码增益。若和R=1/3, k=9的卷积码相比较, 这种低速的编码所体现的增益会高出0.5d B。在补充信道中当数据速率小于14.5kbit/s时, 也可使用这种卷积码开展纠错的流程。当数据率大于14.5kbit/s时, 需要使用高速率的卷积码, 或者利用Turbo码进行相应的纠错[3]。

2. 前向信道。

在CDMA2000中的前向信道中, 具体应用的纠错编码方案分为两种: (1) Turbo码。CDMA2000前向信道的补充信道中, 对速率比14.5kbit/s大的数据, 应使用约束度k为4, 速率为1/3、1/4的Turbo码。 (2) 卷积码。约束度k为9的卷积码是CDMA2000在前向信道的基本信道中经常使用的, 前向信道所具备的补充信道FSCH, 对速率比14.5kbit/s大的高速数据, 往往使用的是具备优良性能的Turbo码, 对速率与14.5kbit/s相等, 或者比14.5kbit/s小的数据, 则正常应用约束度为9的卷积码即可。

结语:根据以上的论述, 我国的通信技术在不断的发展, CDMA移动通信系统的信道编码技术也随之逐渐的超越极限, 从传统形式下的代数码、分组码转变到LDPc码, 所展现的优势使加强信息传输的可靠性成为可能。

参考文献

[1]白伟, 何晨, 诸鸿文.CDMA移动通信系统中的信道盲与半盲估计[J].通信技术, 2013, 12 (09) :123-125

[2]石碧莹, 刘爱民.纠错编码技术在移动通信系统中的应用和发展[J].计算机与数字工程, 2013, 11 (07) :154-160

[3]罗朝晖.CDMA移动通信系统提高可靠性的部分关键技术分析研究[D].湖南大学, 2013

无线衰落信道的空时编码技术研究 篇2

移动通信中,地形、地物等对电磁波有反射、散射作用,这些反射和散射的电磁波由于幅度和相位均不完全相同,形成一个空间变化的电磁波场,因此移动用户终端在这个多径场中就会接收到幅度和相位剧烈变化的信号,这种由于信道时变多径特性引入的接收信号幅度上的波动即为衰落。如何克服信号衰落对接收系统性能造成的影响,是移动通信系统中重点研究的课题。首先分析移动信道中衰落对传输信号产生的4种效应以及衰落信号的分布特性,在此基础上,研究空时编码技术在衰落信道的适用性分析和设计方法。

1 移动衰落信道特性分析

1.1 衰落对传输信号产生的效应分析

在移动通信系统中不同频段的无线电波具有不同的传播模式,但总的来说可分为直射、反射、绕射和散射。同时,由于移动无线信道还具有传播的开放性、接收环境的复杂性及通信用户的随机移动性,导致无线信道会对传输信号产生以下4种效应:

(1)阴影效应:由于大型建筑物或其他物体的阻挡,在电波传播的接收区域中产生传播半盲区,类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短,阴影可见,电磁波波长较长,阴影不可见,但是在接收终端(如手机)和专用仪表上可以反映出来;

(2)远近效应:由于移动用户与基站之间的距离随机变化,若各移动用户发射信号的功率一样,那么到达基站时信号的强弱将不同,离基站近者信号强,离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性,甚至出现以强压弱的现象,并使弱者即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象,通常称这一现象为远近效应;

(3)多径效应:由于接收者所处地理环境的复杂性,发出的电磁波通常不能直接到达接收天线,实际接收到的电磁波是一系列反射、绕射、散射波的叠加这种现象称为多径干扰或多径效应

(4)多普勒效应:由于接收用户处于高速移动中,如车载通信时传播频率的扩散而引起的,其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(>70 km/h)车载通信时,而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。

1.2 衰落信号的分布特性

由于信号传播通信环境涉及的因素较多,因此一般采用统计技术来描述信号的变化。

(1)瑞利分布

若随机变量R的概率密度函数(PDF)满足下式,就称为瑞利分布。

瑞利分布的分布函数,也称为累积积分函数(CDF)为:

CDF反映了信号不超过某一电平的概率,如果该电平为系统阈值,CDF反映的就是信号电平等于或低于该阈值的概率,即中断概率。如果信道中一条较强直射路径都不存在,通常可认为信号幅度的衰落服从瑞利分布。瑞利分布在σ=1时的PDF和CDF如图1所示。

(2)莱斯分布

若随机变量R的PDF满足下式,就称为莱斯分布。

式中,I0(·)是零阶Bessel函数。如果A=0,便退化为瑞利分布。莱斯因子定义为直射分量功率与所有散射分量功率总和的比率:

通常采用dB表示为:

莱斯因子k也叫做载波多径比,莱斯分布的CDF为:

式中,Q1(·)为广义马库姆(Marcum′s)Q函数。

如果信道中存在一条较强射路径,通常可认为信号幅度的衰落服从莱斯分布。莱斯分布在不同K值条件下的PDF如图2所示。

2 空时编码性能分析

空时编码技术适应于多天线阵列信道的一种编码方案,其把天线阵列的空间分集技术同信道编码技术结合起来,能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率,在衰落信道下具有很好的性能和高频谱利用率。

设发射天线数为nT,接收天线数为nR,发射数据送入空时编码器进行编码,在每个时刻t,将由m个二进制信息符号组成的块送入空时编码器,空时编码器从M=2m个点集中的m个二进制输入数据映射成nT个调制符号,将这个编码数据送到串/并变换器,得到一个nT个并行符号的序列,表示为nT×1列矢量。

nT个并行输出由nT个天线发出,并且所有发射符号都有相同的时间宽度,来自不同天线的编码调制符号的矢量为空时符号,则系统的频谱利用率为数据速率rb与信道带宽B之比。

假定信道是无记忆的,则从发射天线到接收天线的每一链路都可以用平坦衰落模型来表示,则信道矩阵H在t时刻可以表示为:

式中,hjt,i表示第i个发射天线到第j个接收天线路径的衰落系数若路径的幅度服从瑞利衰落模型该衰减系数是方差为1/2的复高斯随机变量。

在接收端,nR个接收天线上的每个信号都是nT个发射信道经过衰落信道衰减后的噪声信道的叠加,在t时刻,第j个天线上的接收信号可以表示为:

式中,ntj为第j个接收天线在t时刻的噪声分量,其为单边功率谱密度为N0的零均值复高斯随机变量。

设每个发射天线的发射数据帧长为L个符号,将发射序列按矩阵排列,定义nT×L的空时码字矩阵:

式中,第i行是从第i个发射天线发射的数据序列,第t列的是时刻t的空时符号。

对于译码估计序列X相对实际发射序列X的差错概率,表示为

因此对衰落变量矩阵序列的,2个空时码字矩阵X和X的修正欧式距离表示为:

基于H条件的成对差错概率为:

Es为各发射天线每个符号的能量,为差错函数,则差错概率的上限值为:

定义码字差别矩阵:

同时构造一个nT×nT的码字矩阵:

式中,H表示矩阵的共轭转置,由于且矩阵的特征值为非负实数,因此存在酉矩阵V和实对角矩阵Δ满足:

矩阵Δ的对角元素是矩阵的特征值λi≥0,对角矩阵Δ表示为:

设,nT,有:

式中,βj,i=hj·vi;v为矩阵的特征矢量。因此差错上界概率可以表示为:

当信噪比较大时,其上界可以化简为:

式中,r为的秩数。从式(19)中可以看出,误码率随信噪比的增加成指数下降,当信噪比较大时,差错率主要由最小的rnR决定,此处rnR即为分集增益,而编码增益为:

式中,du2为相对无编码系统的平方欧式距离,可见分集和编码增益由所有不同码字对的最小值rnR和得到,由式(20)可见,分集增益决定了差错率曲线随信噪比变化的斜率,而编码增益则决定了无编码系统的差错概率曲线相对于相同分集重数时空时编码得到的差错概率曲线的水平偏移程度。

3 空时编码的设计准则

由以上的差错率推导公式可以看出,对于衰落信道的设计性能取决于rnR的值,rnR的最大值为nTnR,nTnR值较小时,对应于独立子信道数较小,信噪比较大时,差错率主要由所有可能码字对上的矩阵的最小秩数r决定,最小秩数和接收天线数的乘积为最小分集。另外,为了使差错概率最小,具有最小秩的码字对的矩阵的最小

非零特征乘积应取最大值,因此若nTnR的值较小时,对应衰落信道的空时编码设计准则为:

(1)所有不同码字对的矩阵的最小秩最大

(2)具有最小秩的所有不同码字对的矩阵的最小非零特征值乘积最大。

4 结束语

移动无线信道的衰落特性对通信质量的影响是无线通信技术发展必然面临和必须克服的问题和难点,而结合MIMO的空时编码技术无疑是解决这一问题最有效的手段之一。从衰落信道特点出发,结合空时编码的原理,推导了信道的传播差错率的边界从边界公式中得到为获得最佳分集合编码增益所需要采取的算法设计准则,对空时编码的设计有一定的借鉴作用

摘要：移动无线通信是一种典型的衰落信道,空时编码技术是解决无线通信中信号衰落最有效的手段之一,简要介绍了移动通信系统中衰落对传输信号产生的4种效应,研究了移动衰落信道中的信道特性及衰落信号的分布特性。从空时编码技术原理出发,认真推导了空时编码系统的差错概率边界,分析了空时编码系统的误码性能,并以此为基础确定了最佳空时编码的设计准则,可为结合多天线系统的空时编码设计提供参考。

关键词：空时编码,衰落,矢量,矩阵

参考文献

[1]程健,程时昕.无线通信领域中空时编码技术[J].电路与系统学报,2002,7(3):66-71.

[2]欧阳华.移动通信中的空时编码技术[J].微处理机,2009,10(5):46-48.

[3]孙晓云,李蓓.多径衰落信道中分组空时编码OFDM传输方案[J].西安科技大学学报,2007,3(9):431-434.

[4]李鸿林,张丽,韩丽娟.一种新的空时编码结构及其解码算法[J].应用科技,2008,35(8):24-26.

卫星通信中的信道编码与调制技术 篇3

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

信道编码技术 篇4

随着计算机技术、现代通信技术、网络技术和信息处理技术的发展, 人们对数据通信的需求日益增加, 尤其是以图像和视频为主要传输对象的数据处理和传输在社会生活中的作用越来越突出。然而, 实现这一需求必须解决通信中的两大基本问题, 第一是信源编码问题, 即对信源进行高效的压缩以充分利用有限的信道带宽;第二是信道编码问题, 即对压缩后的信息进行错误保护以抗击信道所带来的误码或数据丢失。但是, 信源编码压缩率的提高将导致码流的抗误码性能降低, 而提高输出码流的抗误码性能又要以牺牲编码效率为代价, 在此意义上来说, 信源编码和信道编码要解决的问题是矛盾的。分别考虑信源编码器和信道编码器, 将无法达到高效可靠传输信息的目的。解决这一问题的方法就是综合考虑信源编码与信道编码, 即信源信道联合编码 (JSCC, joint source channel coding) , 它采用系统整体最优的设计方法, 不仅可以获得高的压缩比, 还可以提高信道的纠错性能, 在无线多媒体系统中, 它还是抗衰落的十分有效的措施。

2 信源信道联合编码理论

通信的目的是将信源信息通过信道传输到信宿, 几十年来, 人们一直在研究如何在一个给定的信道下用尽量少的错误来传输尽可能多的数据。1948年之前, 人们普遍认为在有噪信道下以较低的误码率进行信息传输是不可能的, 直至1948年10月香农在《贝尔系统技术学报》上发表了他的文章《A Mathematical Theory of Communication》[1]并在文章中证明了这种观点是错误的。在文章中他提出了信道容量的概念, 并证明当信道的信息传输率不超过信道容量时, 采用合适的信道编码方法可以实现任意高的传输可靠性, 但若信息传输率超过了信道容量, 就不可能实现可靠的传输, 即香农信道编码定理。因此, 在发送端, 需要一个信源编码器先将信源信息码率 (信息熵H) 降到最低, 再选择一种合适的信道编码方法, 使得在解码端可以使用相应的信道译码方法将最可能的码字输出到信源译码器, 最终, 信源译码器输出信源信息的重建值, 而无需知道信道状态的统计特性。信源编译码器和信道编译码器之间的这种独立性就被称作为分离原理, 其系统框图如图1所示。

由于分离原理可以将一个单独的复杂的通信系统的问题分解为两个相对简单的问题, 能够方便整个系统问题的解决, 而且通过分离原理可以使信源编译码和信道编译码两个部分性能分别达到最优, 也可以提高系统的整体性能, 因此, 自香农创立信息论后的50年里, 分离原理的思想在该领域中得到迅速的发展和广泛的应用, 而信源编码和信道编码的两个“独立”的体系, 其理论以及设计实现的研究也取得了丰硕的成果[2,3]。

信源编码和信道编码分离编码的理论虽然可以使两者在局部的性能最优化, 但是分离理论也有其局限性, 它无法适用于所有的通信系统, 例如复杂度和时延要求高的通信系统, 信道性能不够平稳、误码率较高的通信系统, 以及像多用户网络、广播信道等的非点对点传输的通信系统。在这些系统中, 采用分离思想进行编码的方法会使得通信系统的整体性能无法达到最优, 甚至导致性能的损失非常大。因此, 在这种条件下, 需要综合考虑信源编码和信道编码, 分析信源和信道各自的特点, 采用使通信系统整体性能最优的设计方法以得到最佳的传输效果, 即信源信道联合编码。

信源信道联合编码允许信源编码改变编码参数来适应时变的信道条件, 同样, 根据信源特性的不同, 信道也可以自适应的调整编码或调制传输的模式, 以适应不同的信源特性。图2给出了联合编码的系统框架。图中的S代表数字信源序列, U为信源编码的输出序列, 它作为信道编码的输入, 经过信道编码后得到输出X, 然后送往信道进行传输后得到Y。在接收端, 接受序列Y送往信道解码器, 得到解码输出序列U′, 然后送入信源解码器, 得到最终的解码输出S′。

从图2中可以看出, 和分离编码方式不同, 在联合编码的系统框架中, 信源编码和信道编码, 以及信源解码和信道解码之间不是简单的输入和输出的关系。除了从信源编码模块得到输入外, 信道编码还将从信源编码得到信源重要信息, 用来决定信道编码方案的选择。同时, 信源编码可以把信源的相关统计特性作为先验信息, 和信源解码得到的后验信息以及信道状态信息 (CSI) 一起, 送给信道解码器, 以提高系统抵抗噪声的能力。

在接收端, 当信道译码器产生错误, 而这些错误能通过CRC或其他方法检测出来时, 利用当前比特和可靠性判决来删除错误。信道解码可以把译码可靠性信息传送给信源解码端, 以降低信道误码对信源解码的影响。信源编码可以和信道编码联合起来设计, 即将两者合并设计得到一个既负责信源压缩, 同时又负责信道差错保护的联合编码器。这样, 在接收端, 信道解码和信源解码也可以合二为一, 进行信源信道联合译码。

3 信源信道联合编码的设计实现方法

目前, 信源信道联合编码的研究已经成为信息论和数据通信的一大热点, 人们对联合编码的研究也相继取得了一系列成果。信源信道联合编码的设计实现方法有很多[4,5], 如级联技术, 多分辨率调制技术、信源信道直接映射技术和混合数字模拟技术等。

3.1 级联技术

JSCC最直接的实现方法就是将信源编码器和信道编码器级联起来, 但不使用固定的码率进行信源编码, 而是将系统资源通过某种算法分配给信源编码器和信道编码器。当传输环境较恶劣时, 为了更加可靠的保护信源信息, 需要分配较多的比特到信道编码器, 而当传输环境较好时, 为了增加系统传输的有效性, 则可以分配较多的饿比特到信源编码器。

虽然该方法不是“真正的”JSCC系统, 也无法适应任何通信环境, 但是至少其编码参数可以根据信道的状况进行相应的改变, 使得整个通信系统的性能得到有效的提升。

3.2 多分辨率调制技术

多分辨率调制 (Multiresolution Modulation) 技术可以根据信源信息的重要性将其映射到不同的星座图上, 通过合理设计信源和信道符号之间的映射方式, 利用多分辨率调制中各星座图不同的欧氏距离, 对信源信息进行不同的保护, 以使信源与信宿之间端到端的总失真最小。文献[5]和[6]中针对信源信息在AWGN信道中的传输对QAM调制映射方式进行优化, 从而得到比传统级联编码系统更好的性能。而文献[7]通过分级调制并与信道编码 (前向纠错吗FEC) 相结合的方法来实现对信源信息的非均衡错误保护, 该方案与均等错误保护方案相比, 在分组交换网络下可以获得更好的PER性能。

3.3 信源信道直接映射技术

信源信道直接映射是将连续信源直接映射到连续信道, 这种信源信道直接映射的方法可以有效的将N维空间的信号映射到低维的信道空间, 这样可以有效地减小带宽, 实现对信源信息的压缩;反之, 将信号映射到高维的信道空间可以扩展带宽, 实现对信源信息的保护, 具有很好的鲁棒性[5]。信源信道直接映射的方法包括线性映射, 香农映射和Archimedes映射。Ramstad等人[8,9]提出了1:N和M:1的维度变换映射, 并在此基础上针对实际信道设计优化映射方案, 提高了非理想信道下系统的性能。文献[10]则对三种映射方法进行性能分析, 并基于香农映射和Archimedes映射设计了编码器系统。

3.4 混合数字模拟技术

基于该技术的系统可以分为两个部分——数字子系统和模拟子系统[3]。数字子系统采用标准的级联编码系统;模拟子系统则将信源原始信号和经过信源编码后的重建信号之间的差值 (信源编码中量化产生的失真) 输入线性编码器, 并使用模拟方式传送。在接收端, 将通过数字子系统和模拟子系统中的两路信号来重建信源原始信号。其系统框图如图3。Alajaji等人[11,12,13]使用混合数字模拟技术针对不同的通信环境提出了各自的信源信道联合编码方案。

4 信源信道联合编码在数据传输中的应用

信源信道联合编码在实际的数据传输系统中得到了广泛的应用, 其常用的技术包括矢量量化、不等差保护、残留冗余技术、差错控制与错误隐藏、联合码率控制和软输入软输出译码等[14,15,16]。

4.1 矢量量化

在标量量化编码中, 信号首先经过某种映射变成一个数据序列, 然后使用量化器对这些输入数据逐个进行量化编码, 而在矢量量化中, 量化的过程则是以一组标量或矢量数据位单位进行。矢量量化对一组标量数据整体进行量化, 也就是将这些数据看成一个n维矢量, 以矢量为单位逐个矢量进行量化。矢量量化以损失较少信息的代价获得数据量的有效压缩, 与标量量化相比, 无论是有记忆信源还是无记忆信源, 矢量量化的编码性能总是优于对方。

矢量量化编码实际上是一个码本建立的过程。如果给定的矢量信源分布特性已知, 或者未知信源的分布特性, 但是已知信源的一系列具有代表性且足够多的样点集合, 则可以按照类似于MMSE (最小均方误差) 标量量化器的约束生成码本, 设计最优的矢量量化器。

4.2 不等差保护

在通信系统中, 不同部分的信息在传输过程中对噪声的敏感度和对整个码流的重要性是不相同的。这时, 可以采用将不同部分的信息分层发送和分层接收, 而在信息发送的时候, 信道编码采用不同的编码速率对信息进行不均等的错误保护, 即对于差错敏感性较高、重要性较高的信息, 信道编码采用较低的编码速率, 可以对该部分信息提供更多的保护, 反之, 对于差错敏感性较低、重要性较低的信息, 信道编码采用较高的编码速率, 也可以有效节省信息传输所需要的功率。

自不等差保护提出以来, 关于其方案的实现有很多途径, 如通过有目的地设计调制中的信号星座实现不等差保护等, 近几年对多级编码、Turbo码和LDPC码等编码方案中的非均衡错误保护都有研究。非均衡保护对于网络传输、视频传输中重要信息的保护有重要意义。

4.3 信源残留冗余技术

Shannon曾提出“任何没有被信源编码消除的冗余信息都可以用在接收端抵抗噪声的影响”。因此, 可以利用信源编码未能消除的冗余信息提高信息经过有噪信道的重建质量。这种技术没有额外增加信息传输的比特率, 也未对编码器进行调整, 即可以提高信息传输的鲁棒性, 在数字视频或音频广播传输中效果很好。

4.4 差错控制与错误隐藏

信源信息在信道传输层的差错控制主要由纠错编码来实现, 其思想是:在发送端对输入信息按照一定的规则加入冗余信息 (即附加码字) , 使编码后的信息含有额外的冗余码元, 构成码字;在接收端则通过信道译码对信道输出信息进行校验识别, 进而纠正信道传输所造成的差错。经典的差错控制实现方法主要有:自动请求重传 (ARQ) , 前向纠错 (FEC) , 反馈校验以及将ARQ和FEC两种技术相结合的混合纠错技术等。

即使在信源编码和信道编码中采取了差错控制措施后, 信息在信道传输过程中仍然有可能出现分组丢失和误码现象, 此时, 在接收端可以采用错误隐藏技术进一步减小误码对重建信息质量的影响。该技术本身并不是用来恢复原始数据, 而只是利用原始信息在时间和空间上的相关性, 通过预测寻找与之最接近的数据信息代替发生错误的数据, 使得发生的差错尽量不被人所察觉, 从而达到掩盖错误的目的。由于错误掩盖技术不需要增加额外的码率, 不需要改变编码器, 只需要增加一定的时延和计算复杂度, 就可以在接收端改善信息传输质量, 因此该技术在视频压缩编码和传输系统中的应用非常广泛。

4.5 联合码率控制

联合码率控制是信源信道联合编码中非常重要的技术之一。任何的通信系统离开联合码率控制, 其实际应用都会受到限制, 如信息在带宽受限条件下的传输, 如果没有合适的联合码率控制方法, 无法对系统带宽资源合理的分配, 那么将会造成系统性能上极大的损失。

联合码率控制在信源信道联合编码中是要寻找一个最优的信源信道码率分配方案, 使得在该分配方案下系统可以得到最小的端到端失真度期望。信源编码的目的是尽量去除输入信息中的相关性 (也可以称作冗余信息, 如时间冗余和空间冗余等) , 以使编码效率得到提高。而信道编码则为了提高通信系统传输的可靠性, 对输入信息引入附加相关性, 来保护输入信息在传输过程中不发生错误。在无线传输通信系统中, 由于带宽受限, 而且无线信道有很高的发生错误概率, 并经常会有很大的突发性错误。这时, 如果信道编码增加的校验位过多, 则会使编码比特效率降低, 如果校验位过少, 则可能导致信息在信道传输过程中产生的错误无法得到纠正, 从而使解码端的错误扩散, 因此, 非常需要在编码效率和传输可靠性之间找到一个平衡点, 即联合码率控制。

4.6 软输入译码

这种方法主要是利用信道的状态信息、信源的先验信息和信道译码器输出的软信息输入信源译码器进行译码。实践证明, 在信源解码或者信源信息重建中使用这些软信息可以得到比直接利用信道译码的应判决算法更好的传输性能, 如结合Turbo/LDPC码的信源信道联合译码, 基于LVA (List Viterbi Algorithm) 次优算法的软输入序列译码, 变长码或算术码的软输入译码和软判决矢量量化等。如今, 软输入软输出联合译码现在越来越引起人们的注意, 不仅仅因为信道译码需要更加可靠的比特信息, 而且信源译码也同样需要更加可靠的比特信息。

5 结束语

信道编码技术 篇5

1现状

铱星系统为低轨卫星系统,卫星运行轨道高度为733米到785米,66颗卫星组成星座,覆盖了地区包括南北两极的全部区域,可支持的数据速率为4.8kbps(语音)和2.4kbps(数据),传输时延大于2.6ms。使用码率r=3/4,约束长度为7的卷积码作为前向纠错码。铱星系统轨道高度低,路径衰减小,传输时延短,便于减小卫星和终端的体积,成本低。

海事卫星系统是一种高轨卫星系统,也是一种地球同步轨道卫星,卫星轨道高度大约为35700km。海事卫星系统使用卷积码编码,维特比译码。

早期的民航卫星通信系统主要用于前舱语音通信,保证前舱及时地与地面建立通信。随着民用航空的发展,人们对于后舱使用卫星通信业务的要求也越来越迫切,而后舱通信的关键是大量数据同时传输,卷积码的纠错性能已经不能满足新一代的卫星通信系统。对于要求越来越高的卫星通信系统,高的传信率和低的误码率成为了衡量系统好坏的一个标准。新兴的Turbo码和LDPC码是卫星通信系统中较为理想的信道编码方法。

2数字卫星通信系统

数字卫星通信系统模型如图1所示,u是信道编码器的输入,对u加入冗余校验位,按照某些编码规则编码后,编码器输出i。卫星信道充足的带宽允许系统以较低x的码速率传输数据,数据之间的符号干扰可以忽略,信道引入的加性噪声和干扰可以用高斯白噪声来模拟,并且这种噪声在符号之间是相互独立的。所以卫星信道基本上是加性高斯白噪声信道(AWGN)。

3 Turbo码

最初的Turbo码是由Berrou提出,编码结构中将两个系统递归卷积码(RSC码)通过交织器并行连接,一个信息比特产生两个对应的校验位信息,这两个RSC吗的编码器结构相同。它的译码采用迭代译码方案,两个分量码轮流调用软输入软输出(SISO)译码器,进行迭代译码。Berrou和Gla vieux经过大量实验验证,采用随机交织器的Turbo码,信息序列长度为65535比特,通过18次迭代译码,在信噪比Eb/NO为0.7dB时,码率1/2的Turbo码能达到AWGN信道上误比特率(BER)小于等于10-5,从而证明Turbo码是一种逼近容量限的码。

Turbo码编码通过一个交织器将两个分量码编码器并行级联。交织器将信息比特重新置位,使得相同信息序列内的输入比特按照不同的方式排序。

假设信息位位数为k=1,定义输入信息序列长度为N,信息序列为u=(u1,u1,…,uN),其中ui∈{0,1},1≤i≤N。输入信息一方面输入分量码1的编码器进行卷积编码,同时输入信息进入交织器交织后,产生相同长度但比特位信息不同的序列ũ=(ũ1,ũ2,,ũN)。然后将ũ输入到分量码2的进行编码,从而得到了c1p和c2p这两个不同的校验序列。假设分量编码器1采用码率1/2系统递归卷积码(RSC码),同时分量编码器2也采用这种分量码,那么在不使用删余技术时整个Turbo编码器的码率就是Rc=1/3。整体码字由系统比特序列和校验比特序列c1p和c2p构成。这就是说时间i的编码输出为c=(c1,c2,…,cN),其中。

为了提高Turbo码的效率,减少校验位,我们可以使用高码率的分量码,还可以对两个校验序列进行有规律的删余,接收端再将接受到的比特序列与信息序列复用起来,复用后的传输序列会输入到数据调制器。举例如下,为了将Turbo码的码率提升至1/2,可以按照如下的删余矩阵对两个校验序列进行删余

其中矩阵P第t行的0,表示将删掉校验位中的第t比特校验信息。那么如上所示的P矩阵表示删去校验序列c1p中的偶数比特信息和c2p中的奇数比特信息。要获得更高码率的Turbo码,可以参考文献[3],获得更多的删余Turbo码性能分析和删余矩阵。经过删余后,在i时刻Turbo码编码器的输出为,其中由和交替组成。

Turbo码采用分量码迭代译码,将两个分量译码器dec1和dec2串行连接进行译码,其中分量译码器的输入输出均为软信息,而且译码过程中对应的交织器与编码中所使用的交织器类型相同。第一个译码器dec1对分量码1进行MAP译码,然后输出关于信息序列u中每一比特的后验概率值,并从这个后验概率信息中分离出外信息,通过交织器后,输入到dec2;第二个译码器dec2将dec1输出的外信息作为dec1的先验信息,对分量码2进行MAP译码,输出针对交织后信息序列中的每一比特后验概率值,最后从这个后验概率值中分离出外信息值,对其解交织后输入dec1,进行下一次译码。经过这样的多次迭代,从dec1或dec2输出的外信息数值会趋于稳定,后验概率比将逼近于最大似然译码,即以迭代译码的局部最优解来近似得到最大似然译码的全局最优译码结果。

4 LDPC码

R.G.Gallager提出的LDPC(低密度校验码)采用随机方法构造校验矩阵,在迭代译码算法下,LDPC码也能逼近信道容量。

根据双向递归快速编码算法设计实现LDPC码的编码器。准循环双对角LDPC码,它同时具有准循环和双对角两种结构特性。作为一种准循环LDPC码,它的校验矩阵由多个大小相等的子矩阵构成,每个子矩阵为全零方阵或单位阵向右循环移位的置换矩阵。

LDPC码可采用多种方式译码,即大数逻辑译码(MLG),比特翻转(BF)译码,加权的比特翻转译码,后验概率(APP)译码,以及和积算法译码。和积算法在这五种译码算法中显示出最好的误码率性能,它的译码算法是基于置信度传播的迭代译码。类似于Turbo码的迭代译码过程,下一次迭代的输入是上一次译码输出时计算出的码符号可靠度量度。译码过程会迭代进行,直到满足算法中要求的停止条件。最后,根据计算出的码符号的可靠度量度,做出硬判决。

LDPC码在各种信道条件下,都比相同的目前已知的编码方式有更好的性能。对于长码,LDPC码的性能要超过Turbo码。

5性能仿真

我们在AWGN信道上的信息传输模型为:

其中,ni服从高斯分布N(0,1),xi是与编码序列对的调制信息。若采用BPSK调制,则信道上传输的离散发送符号为

通过信道的传输、接收端相干解调,那接收机的匹配滤波器在i时刻的输出采样值为。

给出信息序列长度120,1/3和1/2码率的Turbo码短帧长仿真结果,见图4。采用分量码为(1,15/13)系统递归卷积码,分量码的结尾处理方式为截断和归零。调制方式为BPSK,信道为AWGN信道,译码算法为Log-Map算法,迭代8次。本文的交织器采用QPP交织器。

同时,图2给出了(1280,2560)码长的LDPC码性能仿真,其中包含两个LDPC码(分块数分别为8×16和16×32)。采用归一化最小和译码,其中归一化修正因子α取值为0.75,信道模型为AWGN信道,调制方式为BPSK调制,无量化迭代50次,每个点均统计800个错误帧。

6结语

Turbo码近似于随机码,有较强的纠突发错误的能力,因此,被认为是应用于卫星ATM网络较理想的信道编码方式。而对于长码,与LDPC码对此,Turbo码存在错误平层,所以长码倾向于LDPC码,以提高系统

参考文献

[1]王新梅,肖国镇.纠错码-原理与方法-[M].西安:西安电子科技大学出版社,1991.

[2]ARINC CHARACTERISTIC 781-4,MARK 3 AVIATION SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM.May19.2010.

信道编码技术 篇6

1 数字调幅广播的概况

1.1 数字广播

自广播领域应用数字技术后,随之出现了数字音频广播,它作为新的广播系统,采用了1.536 MHz频道带宽与OFDM+DQPSK调制技术,同时每个子信道利用差分调制,以此避免了信道估计问题的出现。数字音频广播具有良好的抵抗能力,同时其服务质量也有所提高,但它也存在不足,主要表现为需要新的频点与发射设备,同时其接收机也具有一定的特殊性,因此,制约了其进一步推广。此后,30 MHz以下频段中短波AM广播得到了人们的广泛关注,为了使其实现数字化,各国均对其展开了研究。目前,此频段主要为模拟广播,其最为突出的问题便是干扰,但该频段下的调幅广播优势明显,如:较广的电波覆盖范围、较远的传输距离、雄厚的听众基础、低廉的接收机等,因此,其中波与短波广播吸引了各个广播公司[1]。

通过对调幅广播的研究可知,其缺点主要表现在以下几方面。一是,较低的传输质量,在实际传输过程中极易受到干扰,如:中波受电波衰落的影响,短波受同频与邻频的干扰,同时也受电离层的影响;二是,单一的业务,对于一部发射机而言,其利用一个载波频率,仅能够传送一套广播节目,未能满足多媒体广播的发展需要;三是,较小的频带宽,各传输带宽均不足4.5 k Hz。

1.2 数字调幅广播

在广播事业发展过程中,传统模拟广播缺点日渐明显,为了推动广播的发展,数字调幅广播吸引了众人的目光,通常情况下,其发展目标为:其一,良好的音频质量,数字广播借助95k Hz宽带,使音质达到甚至超过FM广播广播水平;其二,较高的可靠性,在数字广播与模拟广播同播基础上,进一步提高系统抗干扰能力;其三,丰富的数据信息,数字广播应对多媒体数据进行传输,如:图像、文字与动画等;其四,偏低的改造成本,在对模拟广播进行改造时,应控制其成本,并且要求数字广播的接收机应具有经济性与便携性[2]。

同时,我国中短波广播的数字化发展具有积极的意义,在制造商方面,将模拟广播改造为数字广播,其覆盖范围将进一步扩大,作为廉价的传媒,通过更新换代后,将拥有更为广阔的市场空间。同时,广播过渡发展时期,既有的中短波收音机需要配置数字广播接收附件,以此促进了相关产业的发展。在国家方面,模拟广播实现数字化与产业化发展后,适应了我国广播行业发展的需求,同时也为自然灾害及重大事件等报道提供了便捷、高速及动态的媒介。

2 数字调幅广播系统中的信道编码与调制技术

在数字调幅广播发展过程中,最为关键的技术便是数字技术,在信号发射、接收、传输等过程中需要不同的技术,主要包括数字压缩技术、信道编码技术与调制解调技术[3]。该文主要对后两种技术进行了介绍,具体内容如下。

2.1 信道编码

信道编码主要用于传播于电离层的短波信号,通过国内外学者的不断研究,提出了LDPC,它的优点为:接近信道容量的性能及较低的译码复杂度[4]。但相关的研究均是针对无记忆信道而言的,对于数字通信系统来说,其信道具有记忆性,因此,为了发挥LDPC码的作用,相关学者探讨了有记忆信道上的LDPC译码。虽然有限状态马尔科夫(Markov)模型可描述信道错误噪声,但通过研究发现,在有限状态Markov信道上,借助Markov信道记忆特征的联合估计和译码算法的性能较为显著[4]。在国外学者努力研究下,阐述了联合估计和译码算法的两个相互迭代部分,分别为标准的和积译码算法与前向后向算法,但此时译码器的性能相对较低,为了有效解决此问题,应对LDPC译码算法进一步改进,通过研究,提出了基于噪声软判决的联合估计与译码算法,它利用前向后向算法,实现了信道似然比的重新估计,同时在和积译码算法中利用概率消息传递策略对信息进行更新,从而提高了译码器的性能[5]。

在时变衰落信道上,选用的差错控制策略是结合不同信道条件以此确定的编码速率,为了保证此策略的有效性,需要使用速率兼容编码,即:采用一系列不同的速率码,其中涉及的码可利用相同的编码器或译码器进行编译码。在实际构造速率兼容编码过程中,长采用删余方法,此方法主要是利用低速率码,在传输中删除特定的比特位,从而实现了编码速率的提高。目前,BCH码、卷积码与Turbo码是最为常见的速率兼容删余码,前两种易于实现,但缺点为不能提供接近容量的性能,后者拥有良好的性能,但其缺点为较高的译码复杂度。与Turbo码相比,LDPC不仅具有较高的性能,同时其译码复杂度相对较低,因此,国外学者对其展开了研究,并提出了速率兼容LDPC码,此后,相关学者对其构造展开了研究,但由于缺少理论支持,导致删余LDPC码缺少最优化[6]。

为了优化致删余LDPC码,应采用高斯近似分析法,在此思想指导下,明确删余LDPC码的信息传递译码算法,并推导出迭代公式,同时利用此公式观察删余分布情况,了解删余LDPC码的性能,在此基础上,便可实现对最优删余LDPC码的构造,同时也保证了其具有较强的实用性。

2.2 调制技术

OFDM多载波调制技术,具有简明性与高效性,它与LDPC结合后,便可构成OFDM调制解调系统。

在移动无线环境中,频谱资源具有有限性,为了促进资源的高效利用,通信传输的可靠性需不断提高,而通信质量提高的主要方法便是信道编码,将其与调制技术结合能够获得高效的数字传输方案。通过相关学者的研究提出了TCM与BCM编码调制方案,二者具有典型性,但在移动通信中,信道衰落所引起的长突发错误,使其二者难以满足数字广播发展的需求,因此,在数字调幅广播系统中应采用多级编码调制,通过研究提出了基于LDPC码的多层编码调制系统,此方案主要是联合编码与调制,通过优化处理以此保证传输性能的提高[7]。

3 结语

综上所述,在广播数字化发展过程中,数字调幅广播系统的信道编码与调制技术研究得到了广泛的关注,该文介绍了数字调幅广播的概况,探讨了数字调幅广播的信道编码与调制技术,相信,在现代技术支持下,数字调幅广播系统的发展目标将逐步达成,同时我国广播事业发展也将更加稳定与高效。

参考文献

[1]徐文波.基于FPGA的数模同播调频广播发射机设计与实现[D].桂林:桂林电子科技大学,2012.

[2]崔天夕.中波广播发射系统DRM改造理论浅析[J].电子世界,2014(2):104-105.

[3]温慧明.DRM数字调幅广播技术及在DX发射机进行DRM试验的探讨[J].卫星电视与宽带多媒体,2010(10):58-63.

[4]刘小林.多天线场景下多媒体传输系统的研究[D].北京:中国科学技术大学,2013.

[5]黄熹媛,陈俊.数字音频广播信道编码调制系统研究与仿真[J].有线电视技术,2013(11):14-16.

[6]耿钦,竺小松,陈学辟.基于Simulink的DRM信道编码仿真[J].电子测试,2011(9):65-68.

刍议信源编码、信道编码 篇7

实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统, 一个通信系统最基本的部分是信源、信道、新宿, 信息在传递的过程中必然会遇到外界或自身的干扰, 怎样把这些干扰去除掉或者减小, 这就需要我们对信号进行处理。在输入端我们对信源进行处理, 即信源编码, 在传输的过程中, 对信道中的信息进行处理, 即信道编码。可靠性和有效性是衡量通信系统的有效的性能指标, 而这两种性能往往是相互矛盾和相互制约的, 因此必须尽量选择合理的信源编解码和信道编解码方法, 以同时满足系统这两方面的要求。下面我们对信源编码和信道编码进行分析。

2 信源编码

信源编码是指将信号源中的多余部分也即冗余部分的信息去除掉, 从而形成一个适合传输的信号的过程, 信源编码主要包括压缩编码和模拟信号的数字化, 其目的是提高系统传输的有效性。

2.1 压缩编码

压缩编码可以用硬件也可以用软件的方法实现, 软件实现方法就是将压缩算法用软件的形式实现, 软件方法成本低, 使用灵活, 可以随时修改, 但处理速度较慢, 不易保证处理的实时性;采用硬件实现就是将压缩算法固化到专门的芯片上, 这种方法处理速度慢, 不易修改调整, 便于实时处理。

2.2 模拟信号数字化

将模拟信号转化成数字信号的方法有多种:脉冲编码调制PCM、增量调制△M、线性预测编码LPC、自适应脉码增量调制编码ADPCM等。这几种方法的主要依据便是抽样定理:抽样、量化、编码。

3 信道编码

信道编码是指为了减小衰落和抑制信道噪声对信号的干扰, 给信号编码增加冗余的纠、检错码, 或者是把信号编码进行重新排列的过程。信道编码主要包括差错控制编码和交织技术, 其目的是保证系统传输的可靠性。

3.1 差错控制编码

在实际信道传输数字信号的过程中, 引起传输差错的根本原因在于信道内存在的噪声以及信道传输特性不理想所造成的码间串扰。为了提高传输系统的可靠性, 就需要采用差错控制编码, 对已经出现的差错进行控制修正。差错控制编码是在信息序列上附加一些监督码元, 利用这些冗余的监督码元, 使原来不规律的或规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信号, 差错控制译码利用这些规律性来鉴别传输过程中发生的错误, 以便纠正错误。

3.2 差错控制编码的分类

按照信道编码的功能, 差错控制编码分为纠错码和检错码;按照信息码元和监督码元的检验关系, 将差错控制编码分为线性码和非线性码;按照信息码元和监督码元的监督关系, 将差错控制编码分为分组码和卷积码等。

3.3 差错控制方式

差错控制方式常用到的有三种:前向纠错FEC、检错重发ARQ、混合纠错HEC。下面将对这三种差错控制方式进行介绍。

3.3.1 前向纠错

采用前向纠错时, 在发射端经过信源编码的信息在进入信道后经信道编码, 使其发出的码字具有一定的检纠错能力, 到达接收端进行译码时, 不仅会发现传输中的错误, 还可以将这些错误进行纠正。纠错能力是通过增加冗余码元来实现的, 因此它降低了系统传输的效率;还有在接收端是对接收的码元进行了检错和纠错, 但纠正的码字是否正确就不好把握了。但是, 这种差错控制方式不用反馈, 其实时性较好, 因此这种方式用在单工信道中, 比如以前我们使用的无线电寻呼系统中。

3.3.2 检错重发

检查重发时, 在发射端经过信源编码的信息在进入信道后经信道编码, 使其具有一定的检错能力, 但无纠错能力, 接收端在收到这些码字后进行译码, 在译码的过程中它发现错误但不能对错误进行纠正, 它会通过反馈信息把这一判断结果反馈给发送端, 发送端收到反馈信息, 就会对刚才发射的信息进行重发, 直至接收端认为接收的码字已经正确。这种差错控制方式不能工作于单工通道, 而且控制系统比较复杂, 不适合大干扰的信道, 因为在大干扰信道, 有可能整个系统处于反馈和重发循环当中, 这就降低了系统的效率, 但这种编码需要的冗余码少, 有一定的自适应能力, 且复杂性比前向纠错要低很多。

3.3.3 混合纠错

混合纠错方式是对前向纠错和检错重发方式的结合, 在这种方式中, 在发射端经过信源编码的信息进入信道中, 经过一系列的信道编码, 这些码字具有一定的检错和纠错能力, 到达接收端译码时, 系统先检查错误, 如果有错误便对错误进行纠正, 如果检查出的错误超出了系统的纠错能力, 系统可以通过反馈信息要求发送端进行重发。这种控制方式实时性和译码复杂性是前线纠错和检错重发的折中。

4 交织技术

差错控制编码只能检查和纠正随机比特的错误或连续有限个比特的错误, 当产生的错误为非随机性或者发生连串的错误时, 就必须在差错控制编码的基础上加上交织技术。

交织技术的基本原理是将已经编码的信号比特按一定规律进行重排, 这样, 即使在传输过程中发生了连串的错误, 经过重排将这些错误分散化, 再利用信道解码的纠错功能纠正错误, 最终恢复出原始信号。

下面我们结合实例, 来分析交织技术:

假设我们要传递这样的一则消息:we will hold a meeting this evening.如果不进行交织技术, 在强干扰信道中发生连串的错误, 到达接收端我们便没有办法对信息进行恢复, 但如果我们将这段包括空格在内的36个字符进行重排, 分成六组, 取出六组中的第一个字符, 共六个字符, 将这六个字符结合在一起形成一个新的组合, 编号为1, 用同样的方法依次取出六组中的第二个、第三个、第四个、第五个、第六个字符, 并编号为2、3、4、5、6, 最后, 我们把新组合按顺序重新排列起来, 进行发送, 这样就把连串的错误分散到不同的分组, 在接收端进行去交织, 便可恢复原始信息。将传输错误率降低。

5 结束语

信源编码主要利用信源的统计特性, 解决信源的相关性, 去掉信源冗余信息, 从而达到压缩信源输出的信息率, 提高系统的有效性;信道编码为了保证通信系统的传输可靠性, 克服信道中的噪声和干扰的, 信道编码的目的是试图以最少的监督码元为代价, 以换取最大程度的可靠性的提高。要想有良好的通信质量必须兼顾有效性和可靠性。

参考文献

[1]池秀清.信源编码与信道编码[J].科技情报开发与经济, 2001 (06) :71-72.

[2]张会生.现代通信系统原理[M].北京:高等教育家出版社, 2009.

[3]樊昌信, 通信原理[M].北京:国防工业出版社, 2013.