信道編碼技術論文-資料下載頁

【導讀】核準通過，歸檔資料。未經允許，請勿外傳！當今社會，隨著科學技術的進步、經濟的快速發展，在社會的各個不同領域，人們對在無線信道中傳輸多媒體數據日。無線信道具有時變性、衰減性、帶寬資源有限、干擾很大等特點，因此。減少信號的冗余，增加系統的有效性;第二，即信道編碼問題，與信源編碼相反，以及加性噪聲的影響，勢必會造成接收端接收到的信號存在一定的差錯。信道編碼技術正是降低誤比特率、提高通信質量的主要技術手段之一。雜的環境下，都能高效、可靠的傳輸數據。

　　

【正文】 to the properties of timevarying and damped bandwidth limited, disturbance and noises, there may exist large errors in received signals. In order to reduce bit error rate and improve the quality of munication, channel coding technology is one of the main methods. The paper introduces the system framework and basic principle of digital then, reviewed the development history of the channel coding technology。 introduced and used Matlab to simulate linear block code、 convolution code、 and Turbo code. Analysis the simulation result, and deduce effective coding scheme in order to make munication transmit data efficaciously and reliably whenever the environment is good or relatively plex with it. KEYWORDS: Digital Communication Convolutional Code, Turbo Code 第一章 緒論 信道編碼研究背景及意義 隨著現代無線通信技術的迅猛發展，數字信號已經逐漸取代了模擬信號成為主要的傳輸信號類型，與模擬信號相比較，數字通信具有高抗干擾能力，易于加密提高保密性，可以使用現代數字信號處理技術等優勢。通信的目的就是要高速、可靠的把信息從發送端傳遞到接收端，隨著用戶對通信質量和實時性等要求的不斷提高，通信需要具備更高可靠性、更高速率、更低復雜度等性能。然而，在實際的通信系統中，由于被傳輸數 據無法避免的會受到一定的干擾和噪聲等的影響，這就導致接收端接收到的信息和發送端實際發送的信息之間存在一定的差錯，信號就存在一定程度的失真。 在實際應用中，衡量一個通信系統的優劣，其中的兩個指標最為重要，即有效性和可靠性，同時它們也是通信技術設計的重要部分。然而，從信息傳輸角度來考慮，既要提高通信系統的有效性（即傳輸速率）又要提高通信系統的可靠性往往是相互矛盾的。為了提高可靠性，可以在二進制信息序列中以受控的方式引入一些冗余碼元（即監督碼元），使他們滿足一定的約束關系，以期達到檢錯和糾錯的目的。但是，由于添加 了冗余碼元 (監督碼元 )，導致傳輸信息的速率下降；同時，為了提高有效性，信號以簡潔、快速的方式傳輸，這樣在遭到干擾和噪聲時，其自我保護能力大大下降，從而降低了傳輸的可靠性。于是，在實際通信的應用中，采比較折中的方式，可在確保可靠性指標達到系統要求的前提下，盡可能的提高傳輸的速率；抑或在一定有效性的指標下，盡量提高傳輸的可靠性。 通信技術一直致力于提高信息傳輸的有效性和可靠性，其中保證通信的可靠性是現代數字通信系統需要解決的首要問題。由于信道的特性復雜，當調制好的信號在信道里進行傳輸的時候，必然要受到信道的影響 ，信道的影響可以分成以 下三個主要方面：第一是信道本身對信號的產生的衰落：由于信道本身頻率響應特性不理想，造成對信號的破壞；第二是信道中的各種噪聲，如背景噪聲，脈沖噪聲等等，這些噪聲疊加在信號上面，改變信號的幅度、相位和頻率，使信號在解調時產生錯誤；第三，是信號在傳輸過程中由于反射或沿不同路徑傳播從而帶來的疊加效應，即多徑效應，這會帶來時間上前后信號互相干擾。總之這三種加性干擾都會導致在接收端信號解調的錯誤，使系統的誤碼率大大增加。導致了其在無線信道中傳輸過程極易受到干擾而使碼元波形變壞，所以傳輸到接收端后可能發生錯誤判決。 信道的信道編碼技術正是用來改善通信可靠性問題的主要技術手段之一。實際應用中，一個通信系統一般包含信道編碼和信道譯碼兩個模塊。 信道編碼的主要目的是為了降低誤比特率，提高數字通信的可靠性，其方法是在二進制信息序列中添加一些冗余碼元（監督碼元），與信息碼元一起組成被傳輸的碼字。這些冗余碼元是以受控的方式引入，它們與信息碼元間有著相互制約的關系。當在信道中傳輸該碼字，如果錯誤發生，信息碼元和冗余碼元之間相互制約的關系就會被破壞。那么在接收端對接收到的信息序列按照既定的規則校驗碼字各碼元的約束關系 ，從而達到檢錯、糾錯的目的。通過信道編碼這種方法，可以有效的在接收端克服信號在無線信道中傳輸時受到噪聲和干擾產生的影響。 信道譯碼也就是信道編碼的逆過程，即接收端將接收信息序列按照既定約束關系，同時去掉比特流在傳播過程中混入的噪聲干擾和添加的冗余，恢復比較完整、可靠的信息的過程。對于一個無線信道來說，非線性、時變、多普勒頻移等信道特征和來自外界的干擾等等因素，會使得數據經無線信道后總會產生一定的差錯，因此，信道編碼在數字通信中必不可少。信道編碼的方式有很多，例如線性分組碼、卷積碼、 Turbo 碼等等。在第 3 代移動通信系統中，一般情況下，卷積編碼方式多用于實時業務， Turbo 編碼方式多用于非實時業務。 信道編碼技術的發展歷史 1948 年香農 (Shannon)發表《通信的數學理論》這篇文章，該文章對信道編碼技術的展有著舉足輕重的作用，從此信道編碼技術的研究方向開始變得明確。在接下來的近五十年，各種新的信道編碼方案也不斷被研究者們研究出來，且這些編碼方案的性能與最佳限（香農最佳極限）逐漸接近。到 1958 年，主要的編碼方案有漢明碼和格雷碼等。 Shannon 指出，在信息傳輸速率 R 小于或等于信 道容量 C ，即 R ≤ C時，可以通過信道編碼的方法來實現可靠通信，可是 Shannon 只提出了這種理論，卻未給出具體實現的方法。 1950 年 針對計算機經常出現的問題編寫了使計算機能在正常運行的過程中具備檢錯、糾錯性能的解決程序。 Hamming 編寫的程序主要思想為：將輸入的信息比特分組，且每組含有四個比特，然后計算 每組四個比特之間的線性組合方程式，并求出三個冗余比特（校驗比特）。由此，每組中除了含有四個信息比特，還含有三個冗余比特，它們共同組成待傳送的碼字。將含有七個比特的碼字輸入 到計算機，計算機利用其中的三個冗余比特，根據某種規則和算法，達到檢錯和糾錯的目的。漢明碼是分組碼中的一種，它的編碼思想也是分組碼的編碼思想，且這種編碼方案后來被稱之為漢明碼。 漢明碼是在原編碼的基礎上附加一部分代碼，使其滿足糾錯碼的條件。它屬于線性分組碼，由于線性碼的編碼和譯碼能輕易實現，至今仍是應用最廣泛的一類碼。漢明碼的抗干擾能力較強，但付出的代價也很大，比如 8 比特漢明碼有效信息只有總編碼長度的一半，可以糾正 1 個差錯發現 2 個差錯。在實際應用中經常存在各種突發干擾，使連續多位數據發生差錯。為了 糾正 3 個以上的差錯，就要加大碼距，使代碼冗余度大大增加，通信效率下降。雖然漢明碼的思想是比較先進的，但是它也存在許多難以接受的缺點。首先，漢明碼的編碼效率比較低，它每 4 個比特編碼就需要 3個比特的冗余校驗比特。另外，在一個碼組中只能糾正單個的比特錯誤。 格雷碼 (Gray Code) 是由法國工程師 JeanMauriceEmlleBaudot 提出的一種編碼，而因 1953 年 Frank Gray 申請專利而得名。格雷碼又叫循環二進制碼或反射二進制碼，在數字系統中只能識別 0 和 1，各種數據 要轉換為二進制代碼才能進行處理，格雷碼是一種無無權碼，采用絕對編碼方式，典型格雷碼是種具有反射特性和循環特性的單步自補碼，它的循環、單步特性消除了隨機取數時出現重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式。但格雷碼不是權重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進行比較大小和算術運算，要經過一次碼變換，變成自然二進制碼，再由上位機讀取。解碼的方法是用‘ 0’和采集來的 4 位格雷碼的最高位（第 4 位）異或，結果保留到 4 位，再將異或的值和下一位（第 3 位 ）相異或，結果保留到 3位，再將相異或的值和下一位（第 2 位）異或，結果保留到 2 位，依次異或，直到最低位，依次異或轉換后的值（二進制數）就是格雷碼轉換后自然值的值。 20 世紀 60 年代到 20 世紀 70 年代期間，人們越來越重視編碼理論在實際系統中的應用研究，這個期間是信息編碼的兩個重要的發展期，很多性能優異的分組碼結構被提出。 BCH 碼就是這個時候被提出來的，它屬于循環碼中的一種。在這個時期， BCH 碼得到了很好的發展，并且編碼增益性能也越來越凸顯，在頻帶有效性不變的前提下， BCH 碼比上個時 期最優秀的 Gray 碼有近 2dB 新的編碼增益。在這個時期出現了很多譯碼方法，如迭代譯碼、門限譯碼等等，尤其是卷積碼的最優譯碼算法 —— Viterbi 譯碼方法。 Viterbi 譯碼方法能使卷積碼的 譯碼變得具有更高效率、更快的速度， 從此信道編碼的實用化有了更快的發展。 20 世紀 80 年代之后，信道編碼開始了它的第三個發展階段。這個階段出現的信道編碼方案的特點為：抗干擾能力更強，頻帶利用率更高，且其性能與香農極限更加靠近。 20 世紀 90 年代到 21 世紀期間，信道編碼研究極其活躍，具有歷史意義的 Turbo 碼 就是這個時候被提出。 1993 年 C． Berrou 在 IEEE 國際通信會議上，發表《 Near Shannon limiterrorcorrecting coding and decoding: Turbo code》一文。此文講述了 Turbo 碼結構，并證實利用 Turbo 碼作為信道編碼，當信噪比 ≥ 時 (Shannon 限為 EN0dBb0= )，其誤碼率 BER ≤。具有如此優異性能的 Turbo 碼在當時引起了轟動，受到了廣泛的關注。從此， Turbo 碼成為信道編碼領域的研究 熱點，并在這個時期得到了很好的發展。 Turbo 碼的提出具有非常深遠的歷史意義，其優異的性能標志著信道編碼理論與技術進入全新的研究階段，以往利用信道截止速率作為實際容量的時期將不復存在。 LDPC 碼（低密度奇偶校驗碼， Low Density Parity Check Code， LDPC），最早是 1963 年由麻省理工學院 Robert 博士提出。 LDPC 碼的性能非常優秀，幾乎逼近香農限，且任何信道都能適用。但是，其譯碼算法卻非常復雜，且當時的研究技術條件有限，在 LDPC 碼被提出后并 沒有收到廣大學者的關注。直到 1993 年 Berrou 等人發現了 Turbo 碼，在此基礎上， 1995 年前后 MacKay 和 Neal 等人對 LDPC 碼重新進行了研究，并提出廣為大眾接受的譯碼算法，更進一步證實了該碼優異的性能。接下來的十多年里，研究人員對 LDPC 碼的研究有了突破性的進展，使得 LDPC 碼的性能更加接近香農限，而且對它的編譯碼理論描述變得簡單，現實實現也變得可行。到現在，對 LDPC 碼的研究已經非常成熟，并進入了無線通信等相關領域的標準。 本文的主要研究內容與組織結 構 本文的主要研究內容是： 在不同信道環境下，通信總會受到不同程度的干擾和噪聲，這就需要糾錯檢錯能力比較強的信道編碼方法。課題旨在設計出一種信道編碼方案，研究的主要內容有： 研究、分析數字通信系統的基本框架與工作原理； 研究、分析信道編碼的基本原理，結合理論利用 Matlab 實現其算法的仿真，并分析仿真結果 。 本文的主要結構如下： 第一章緒論。主要介紹課題的研究目的、發展現狀、課題應用及研究的主要內容。 第二章為數字通信的基本理論。對數字通信系統和無線信道做簡單理論的介紹。 第三章介紹信道編碼的基本原理。 這一章主要介紹信道編碼的基本概念以及信道編碼的分類。 第四章重點討論線性分組碼、卷積碼、 RS 碼以及 Turbo 碼的理論，并利用 Matlab 仿真并分析其性能。 第五章是數字通信系統中信道編碼技術的應用。在第四章的基礎上，結合實際的數字通信系統，設計出有效的信道編碼方案并應用于實際。 第二章 數字通信的基本理論 數字通信系統簡介 采用數字 /模擬信號作為消息載體的通信方式就是數字 /模擬通信。一般而言，數字通信系統主要包含用來傳輸信息的傳輸系統和用來存儲信息的計算機存儲系統，數字通信系統模型主要構成模 塊和功能性框圖如圖 所示。 圖 數字通信系統模型 在數字通信系統中，原始信號在信源部分分為模擬信號和數字信號，例如，無線電與電視廣播中的電磁波、電話傳輸中的音頻信號等等都屬于模擬信號； DVD 光盤向外輸出的則是數字信號。信源編碼的目的是為了減少碼元數目和降低碼元速率，即數據壓縮；另一個作用是為了將信源的模擬信號轉化成數字信號，以實 現模擬信號的數字化傳輸。 經過信源編碼器模塊編碼后輸出的“ 0”、“ 1”序列，再經過為增強信息保密性的加密模塊處理后被傳送到信道編碼器。由于信號在傳送的過程中會受到來自外界及信道自身因素等的不同程度的干擾導致信號存在一定的失真，所以，信道編碼器對接收到的信號進行編碼，編碼的方法是在信號中按照一定的規則加入一些冗余碼，目的是為了克服信號在傳輸時因噪聲和外界干擾等引起的失真。實際上，所增加的冗余本質上是用來提高接收端接收到的數據的可靠性，和提高接收信號的逼真度的。 二進制信號經過信道編碼后發送端的發送機將其發送到通信信道接口設備 —