七信道編碼地實際應(yīng)用

編碼技術(shù)

信道編碼的實際應(yīng)用一、深空通信與衛(wèi)星通信1Pioneer9solarorbitspacemission(1968):

?r=1/2的系統(tǒng)卷積碼+序列譯碼(Lin&Lyne);2(32,6)RM(Reed-Muller)碼:

?1969年用于Mariner號,后來又用于VikingMars號飛船，d0=16,BPSK,G=3.2dB(無編碼信噪須9.6dB,用編碼后為7.5dB),1dB當(dāng)時相當(dāng)于可節(jié)省1百萬美元。3

Pioneer10Jupiterfly-bymissionandthePioneer11Saturnfly-bymission(1972,1973):

(2,1,32)非系統(tǒng)卷積碼(Massey&Costello),df=21,G=6.9dB信道編碼在實際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用4TheVoyager1and2spacemissionswerelaunchedin1977toexploreJupiterandSaturn.

?采用(2,1,7)非系統(tǒng)卷積碼,df=10,以及(3,1,7)碼,df=15,Viterbi軟判決譯碼.G=5.1dB,R=100Mb/s。在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用(80年代):?Globalstar系統(tǒng):

(2,1,9)卷積碼?

Iridium系統(tǒng):r=?,m=7卷積碼CCSDS(深空數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會)TelemetryStandard(1987):采用由RS碼與卷積碼組成的級連碼外碼—(255,223)RS碼；內(nèi)碼—(2,1,7)卷積碼AWGN信道,為使Pb≤10E-6,只需Eb/N0=2.53dB曾用于航海號,加利略號宇宙飛船中。NASA用于深空通信的級連碼標(biāo)準(zhǔn):圖1-1標(biāo)準(zhǔn)級聯(lián)碼系統(tǒng)圖1-2級連碼性能曲線級連碼在深空通信的其它應(yīng)用:?Voyagermissions(1971):(6,4)RS碼+(32,6)RM碼?Voyagermissions:(24,12)擴(kuò)展Golay碼+(2,1,7)卷積碼?(255,223)RS碼+(4,1,15)卷積碼Turbo碼在深空通信與衛(wèi)星通信中具有廣闊的應(yīng)用前景

(1)ITU國際標(biāo)準(zhǔn)(用于模擬電話線的高速數(shù)據(jù)傳輸):Modem標(biāo)準(zhǔn)?V.32標(biāo)準(zhǔn)(1986):該TCM采用2個未編碼比特和32點星座圖,與同樣數(shù)據(jù)傳輸速率(9.6kb/s)但不用TCM的V.29相比,可獲得3.5dB的編碼增益,與未編碼的16QAM相比,在10^-5BER時可獲得3.6dB編碼增益。?V.33標(biāo)準(zhǔn):采用4個未編碼比特,128點星座圖,數(shù)據(jù)速率14.4kb/s,與64QAM相比,編碼增益為3.6dB.?V.34標(biāo)準(zhǔn):該TCM采用16狀態(tài)(3,2,5)Wei碼,以及其它新技術(shù),最高速率達(dá)33.6kb/s.（以卷積碼為基礎(chǔ)與多進(jìn)制調(diào)幅相結(jié)合的技術(shù)）二、在數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用(2)ADSLModemV.32中的TCM技術(shù)(a)非線性卷積編碼器(b)信號星座圖V.34中的TCM技術(shù)(a)卷積編碼器(b)信號星座圖2-116狀態(tài)(3,2,5)線性四維碼原理性方框圖1.用于高速計算機(jī)內(nèi)存的糾錯碼三、在數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用?SEC/DED碼(DoubleEorrorCorrecting/DoubleErrorDetectingcodes):通常使用截短或擴(kuò)展?jié)h明碼,d0=4?SEC/DED/SbED(single-error-correcting/double-error-detecting/singleb-bitbyteerror-detecting)碼?SbEC/DbED(single-bitbyteerrorcorrecting/double-bitbyteerror-detecting)碼:采用RS碼或BCH碼.特殊要求:?必須能快速編譯碼:用組合邏輯電路,而不是用線性反饋移位寄存器實現(xiàn)并行編譯碼;?

產(chǎn)生錯誤不同,通常是m-bit字節(jié)錯誤;?

冗余度要小。內(nèi)存糾錯所用的糾錯碼:2.用于磁盤/光盤糾錯的糾錯碼:?法爾(Fire)碼(60年代)?RS碼(自80年代起):用于CD及CD-ROMTheCDformatusesacodingsystemcalledCIRC(cross-interleavedRScodes),whichisacombinationoftwoshortenedRScodesofminimumdistancedo=5over

GF(2^8).Theinfor-mationsequenceisfirstencodedbya(28,24)codeandthenbya(32,28)code.Foraudiosignals,anerrorinterpolatingtechniquecanbeusedtoestimatetheoriginalsignalvaluesbyinterpolatingorextrapolatingfromreliablevaluesforthoseerrorsthatcannotbecorrected.計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)采用具有更強(qiáng)糾錯能力的碼:ACRC(cyclicredundancycheck)codewith32checkbitsandaproductoftwoshortenedRScodeswithminimumdistanced0=3overGF(2^8)areusedinadditiontotheCIRC.TheencoderforaCD-ROMfirstappendsfourcheckbytesofaCRCtotheuserdataof2048byteswitha4-byteheaderandthenaddseightbytesofallzerosforfutureextension.Alternatebytesaretakenfromtheresultingsequencetoproducetwosequencesoflength1032bytes.Then,afterrearrangingthebytes,eachsequenceisencodedbyaproductof(26,24)and(45,43)RScodestogiveacodewordoflength1170bytes.Finally,thetwocodewordsarecombinedandasynchronizationpatternof12bytesisaddedtomakeonesectorofaCD-ROMhaving2352bytes,asshowninFig.9,whichisthenappliedtotheCIRCencoder.AdecoderforaCD-ROMisdepictedinFig.10.1數(shù)字音頻廣播(DAB):?在FM多路復(fù)用DAB中采用(n,k,d)=(273,191,18)循環(huán)碼,傳文本文件時用(273,190)碼.?歐洲D(zhuǎn)AB標(biāo)準(zhǔn):采用rate-compatiblepuncturedconvolutional(RCPC)codingscheme:

1)UnequalandAdaptiveErrorProtectionwithRCPCCodes:2)TheRCPCCodingSchemefortheEuropeanDABSystem:

四、糾錯碼在數(shù)字音頻/視頻傳輸中的應(yīng)用2數(shù)字視頻廣播(DVB):?第一個標(biāo)準(zhǔn)(90年代):(514,493)BCH碼,d=6?采用級連碼:(204,188)RS碼+(2,1,7)卷積碼?歐洲最近的DVB標(biāo)準(zhǔn)(2005):BCH+LDPC碼組成的級連碼1.GSM數(shù)字蜂窩移動通信中的信道編碼五、糾錯碼在移動通信中的應(yīng)用圖5-1GSM編譯碼器方框圖GSM全速率語音的FEC方案圖5-2信道編碼和交織工作流程圖圖5-3譯碼和去交織碼工作流程圖圖5-4全速率話音信道分組循環(huán)編碼電路圖5-5全速率話音(2,1,4)卷積碼編碼器圖5-6全速率話音信道編碼與交織流程圖2.Turbo碼在第三代移動通信中的應(yīng)用(1)香農(nóng)信道編碼定理的證明:隨機(jī)編碼;碼長趨于無窮;最大后驗概率譯碼Turbo碼，又稱并行級連卷積碼（PCCC），是由C.Berrou等在ICC’93會議上提出的[24]。它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實現(xiàn)了隨機(jī)編碼的思想，同時，采用軟輸入迭代譯碼逼近最大似然譯碼。文[24]中的模擬結(jié)果表明，如果采用大小為65535的隨機(jī)交織器，并且進(jìn)行18次迭代，則在Eb/No

≥0.7dB時，碼率為1/2的turbo碼在AWGN信道上的誤比特率(BER)≤10-5，達(dá)到了近Shannon限的性能(1/2碼率的Shannon限是0dB)。因此，這一超乎尋常的優(yōu)異性能，立即引起信息與編碼理論界的轟動。Prof.ClaudeBerrouProf.AlienGlavieux(2)編碼原理圖5-7Turbo碼編碼器框圖由兩個遞歸系統(tǒng)卷積(RSC)編碼器和一個隨機(jī)交織器組成，長度為N的信息序列{uk}一方面直接進(jìn)入第一個分量編碼器RSC1，另一方面經(jīng)過隨機(jī)交織變?yōu)殚L度相同但比特位置經(jīng)重新排列的交織序列{u1k}，其中交織器由I=(I1,I2,…,Ik,…IN)刻畫。這樣就產(chǎn)生了兩個不同的校驗序列x1p和x2p。為了提高turbo碼的碼率，除可以選用高碼率的分量碼外，還可以采用刪余(puncturing)技術(shù)從這兩個校驗序列中周期的刪除一些校驗位，然后再與未編碼序列xk復(fù)用在一起進(jìn)行調(diào)制。例如，假定圖5-7中兩個分量編碼器的碼率均是1/2，為了得到1/2碼率的turbo碼，可以采用這樣的刪余矩陣:P=[10,01]，即刪去來自RSC1的校驗序列x1p的偶數(shù)位置比特與來自RSC2的校驗序列x2p的奇數(shù)位置比特。(3)3G數(shù)字移動通信中的Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)六、糾錯碼在光纖通信中的應(yīng)用

糾錯碼是提高數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性,降低誤碼率的主要技術(shù),在深空通信，衛(wèi)星通信，移動通信及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中已得到廣泛應(yīng)用。糾錯碼在光纖通信中的應(yīng)用是近年來才提出的,基本原因在于，一是光纖本身有較強(qiáng)的抗干擾能力，二是在光纖通信初期對速率的要求不高，一條光纖只須傳輸一個波長的信號。隨著Internet的普及與迅速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)量大增，因而需要采用波分復(fù)用(WDM),甚至密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)。在長距離或超長距離、大容量DWDM光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色散、長距離傳輸引起的信號衰減、信道噪聲以及一根光纖中多個波長之間的干擾會使系統(tǒng)的性能大大下降，為此，在光纖干線上每隔大約80公里就必須進(jìn)行一次光中繼，每隔400公里左右則必須進(jìn)行一次電信號的再生，從而使建網(wǎng)和運營的成本劇增（中繼設(shè)備與維護(hù)的費用約占網(wǎng)絡(luò)總成本的70-80%）。1.帶內(nèi)FEC方案帶內(nèi)FEC方案是ITU-T在2000年10月通過的G.707建議中提出的。所謂帶內(nèi)，是指將FEC的冗余監(jiān)督位置于SONET/SDH原有幀格式開銷中的未定義位上，無須增加額外的帶寬。該方案適用于4路OC-48/STM-16，或單路OC-192/STM-64信號，線路速率為10Gb/s，速率低于OC-48/STM-16時不使用FEC，高于此速率時須在此方案基礎(chǔ)上加上交織技術(shù)。該方案的優(yōu)點是，加上FEC后不會影響SONET/SDH原有的幀格式，線路速率保持不變，而且與不采用用FEC的網(wǎng)絡(luò)兼容。解決上述問題的關(guān)鍵是在光纖通信中引入前向糾錯（EorwardError-Correction,簡稱為FEC）編碼技術(shù)[1]。采用FEC所獲得的編碼增益，可用于降低誤碼率、以提高通信的可靠性，也可用于增大傳輸距離，還可用于減小所需的發(fā)射功率，或綜合加以運用。（n,k）BCH碼是一類可糾正多個隨機(jī)錯誤的線性分組碼。帶內(nèi)FEC方案采用可糾3個比特錯誤的二元（4359,4320）BCH碼（簡稱為BCH-3），該碼是本原（8119，8152）BCH碼的一種縮短碼,其生成多項式為按照SDH-16幀結(jié)構(gòu)，取比特用戶數(shù)據(jù)，加上39個冗余監(jiān)督元，便構(gòu)成的一個碼長為n=4359的（4359,4320）BCH碼的碼字，其最小距離為7，故最多可糾正3比特錯誤。這39個冗余監(jiān)督元充填于SDH-16幀結(jié)構(gòu)開銷中未定義的空閑比特位中，所以，采用帶內(nèi)FEC既不影響原來的幀格式，也不改變線路的傳輸速率。由于SDH-16幀結(jié)構(gòu)由9行組成，每行有字節(jié)（每字節(jié)8比特），于是每行可編成8個BCH（4320，4359）碼的碼字。每個BCH（4320，4359）碼的碼字可糾正3個比特錯誤。2.帶外FEC方案帶內(nèi)FEC的優(yōu)點是不用改變SONET/SDH的幀格式、無須提高線路速率，但其糾錯能力非常有限，已不能滿足更高速率的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求。因而ITU-T在2001年制定的G.709標(biāo)準(zhǔn)中便提出了適合DWDM光傳輸網(wǎng)（OTN）2.5、10、40Gb/s速率的帶外FEC方案,而G.795提出的帶外FEC方案則主要用于2.5Gb/s以及更高的速率海底光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。這兩種若采用交織技術(shù)，即將8個碼字排成一個陣列，每行一個碼字（4320比特），共有8行、4320列，傳輸時按順序逐列傳輸