軟件無線電原理與應(yīng)用第3版 課件 【ch06】信道編譯碼技術(shù)

軟件無線電原理與應(yīng)用（第三版）信道編譯碼技術(shù)第六章高等學(xué)校電子信息類精品教材01信道編譯碼基礎(chǔ)信道編譯碼基礎(chǔ)01現(xiàn)代通信飛速發(fā)展的一個重要原因是模擬信號的數(shù)字化，數(shù)字通信具有模擬通信無法比擬的特殊優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)保密、通信質(zhì)量不受距離影響、能適應(yīng)各種業(yè)務(wù)、電路易于集成化等。信道編譯碼基礎(chǔ)01那么到底什么是信道編碼呢?廣義的信道編碼是指從信源編碼信息到信道波形的映射，因此復(fù)接、代數(shù)編碼、調(diào)制、成形濾波、擴(kuò)頻、上下變頻等都可歸于廣義的信道編碼范疇，如圖6.1所示。02信道編碼概述信道編碼概述02在通信加擾中，從擾碼序列是否獨(dú)立于用于加擾的偽隨機(jī)序列來看，擾碼可分為自同步擾碼和同步擾碼兩種，偽隨機(jī)序列一般由一個或多個線性反饋移位寄存器(LFSR)來產(chǎn)生。擾碼關(guān)系如圖6.2所示。擾碼信道編碼概述02擾碼信道編碼概述02擾碼信道編碼概述02糾錯碼及交織糾錯碼按功能可分為檢錯碼和糾錯碼，按對信源序列進(jìn)行的不同處理方式可分為分組碼、卷積碼及級聯(lián)碼，按照信息碼元在編碼之后是否保持原來的形式不變，又可分為系統(tǒng)碼與非系統(tǒng)碼。信道編碼概述02信道編碼的應(yīng)用及性能在對信道編碼半個多世紀(jì)的研究中，能夠更加逼近Shannon限的編譯碼方法不斷出現(xiàn)，Shannon限已基本達(dá)到。從漢明碼、BCH碼、RS碼，到卷積碼、級聯(lián)碼，以及Turbo碼、LDPC碼，所能達(dá)到的性能與Shannon限的距離正在不斷縮小。這些先進(jìn)的信道編碼技術(shù)已經(jīng)在數(shù)字通信領(lǐng)域大放異彩，與人們的生活息息相關(guān)，如衛(wèi)星通信、深空通信、地面移動通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)字電視等。表6-3列出了一些信道編碼的使用情況。信道編碼概述02信道編碼的應(yīng)用及性能信道編碼概述02信道編碼的應(yīng)用及性能在AWGN信道，不同調(diào)制方式下對碼率為1/2的(171,133)卷積碼進(jìn)行性能比較，性能曲線如圖6.13所示。信道編碼概述02信道編碼的應(yīng)用及性能圖6.15所示是DVB-T、DVB-C、DVB-S及DVB-S2的信道編碼方案。03幾種簡單的檢糾錯碼幾種簡單的檢糾錯碼03線性分組碼是信道編碼中最基本的一類碼，它有明顯的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，是討論各類碼的基礎(chǔ)。一般把信道編碼中非0碼元的個數(shù)稱為碼組重量(簡稱碼重),如0001碼組的碼重為1,定義碼距為兩個碼組中對應(yīng)位上不同碼元的個數(shù)。幾種簡單的檢糾錯碼03一般情況下，對于分組碼存在以下結(jié)論：幾種簡單的檢糾錯碼031.奇偶校驗(yàn)碼奇偶校驗(yàn)碼是一種非常簡單的編碼方式，在計算機(jī)通信中得到廣泛應(yīng)用，奇偶校驗(yàn)碼中無論信息位有多少位，校驗(yàn)位都只有1位，一般插入在一組碼的末尾，碼率等于k/(k+1)。幾種簡單的檢糾錯碼032.恒比碼恒比碼中每個碼組均含有相同數(shù)目的“1"或"0”。在檢測時，只要計算接收碼組中的“1'的數(shù)目是否對，就知道有無錯誤。恒比碼編碼簡單，適用于傳輸字母和符號，對二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)字序列不適用。幾種簡單的檢糾錯碼033.正反碼正反碼是一種簡單的能夠糾錯的編碼。正反碼中編碼的校驗(yàn)位數(shù)目與信息位數(shù)目相同，校驗(yàn)位內(nèi)容為信息位的重復(fù)或取反，具體由信息碼中"1"的個數(shù)而定，如可定義“1”的個數(shù)為奇數(shù)時校驗(yàn)位重復(fù)信息位，“1”的個數(shù)為偶數(shù)時校驗(yàn)位為信息位的反碼。如0101的正反碼為01011010,0111的正反碼為01110111。幾種簡單的檢糾錯碼034.群計數(shù)碼群計數(shù)碼是將k位信息元經(jīng)分組之后，計算出每個信息碼組中“1”的數(shù)目，然后將這個數(shù)目用r位二進(jìn)制表示，并作為校驗(yàn)碼元附加在信息碼元后面一起傳輸，組成(k+r,l)碼。如1101001共有4個“1”,用二進(jìn)制100表示十進(jìn)制的4,則傳輸碼組變?yōu)?101001100。幾種簡單的檢糾錯碼035.漢明碼漢明碼的發(fā)現(xiàn)時間其實(shí)早于Shannon論文的發(fā)表時間，由于技術(shù)專利的原因?qū)е缕渲钡?950年才發(fā)表。漢明碼是一種能糾正單個錯誤而且編碼效率較高的一種線性分組碼。它不僅性能好而且編譯碼電路非常簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)，是工程中常用的一種糾錯碼。04RS碼的編譯碼RS碼的編譯碼04RS碼是一類非二進(jìn)制BCH碼，其編碼系統(tǒng)建立在符號的基礎(chǔ)上，而不是單個的0和1,這使得它特別適合處理突發(fā)錯誤。在(n,k)RS碼中，輸入的信息分成mk比特一組，每組包括k個符號，每個符號由m比特組成。RS碼的編碼RS碼的編譯碼04RS碼的編碼RS碼的編譯碼04其工作過程如下：(1)編碼器復(fù)位于零初態(tài)，第一個信息碼元到來時，計數(shù)器開始計數(shù)，每來一個信息碼元計數(shù)器加1,后端的選擇器選擇1端作為輸出，并反饋回移位寄存器。(2)當(dāng)計數(shù)器記錄到200時，最后一個信息碼元輸入完成，計數(shù)器計到201產(chǎn)生控制信息sel,此時MUX開始選擇2端即反饋移位寄存器的輸出端作為校驗(yàn)碼元輸出，并反饋回寄存器，由于此時最右端加法器的輸出端相同，根據(jù)有限域加法器的特點(diǎn)，加法器輸出端此時輸出為零。(3)當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到216時，16個校驗(yàn)碼元最后一個開始輸出，一次編碼完成，在下個時鐘周期sel控制信息取消，所有的寄存器，計數(shù)器，選擇器回到初始狀態(tài)，可以進(jìn)行下一次編碼。RS碼的編碼RS碼的編譯碼04RS碼的譯碼通常糾錯碼的譯碼要比編碼復(fù)雜得多，因此譯碼方法實(shí)現(xiàn)的難易程度往往是這種編碼能否得到應(yīng)用的關(guān)鍵。RS編碼后的碼字多項(xiàng)式c(x)在有噪信道中傳輸，噪聲e(x)疊加到c(x)上并傳送到接收端，接收端接收到的碼字多項(xiàng)式r(x)=c(x)+e(x)。RS碼的編譯碼04RS碼的譯碼RS碼的譯碼算法主要有兩種：時域譯碼法和變換域譯碼算法。由于變換域譯碼算法在實(shí)現(xiàn)上需要更多的硬件開銷，實(shí)際應(yīng)用中常采用時域譯碼算法。RS碼的編譯碼04RS碼的譯碼1.伴隨式的計算；2.錯誤位置多項(xiàng)式的求解；3.利用錢搜索法計算錯誤位置；4.Forney法計算錯誤值；5.碼字糾錯；RS時域譯碼法分成五個步驟：05卷積碼的編譯碼卷積碼的編譯碼05卷積碼的編碼一般卷積碼的糾錯能力隨約束長度的增加而增強(qiáng)，差錯率則隨著約束長度增加而呈指數(shù)下降。卷積碼的編碼形式較為簡單，如常用的(2,1,6)卷積碼編碼器生成多項(xiàng)式：卷積碼的編譯碼05卷積碼的編碼約束長度不大時的(2,1,2)卷積碼編碼器框圖如圖6.20所示。卷積碼的編譯碼05卷積碼的編碼表6-8列出了(2,1,2)卷積碼的輸入和輸出比特關(guān)系的所有可能。卷積碼的編譯碼05卷積碼的編碼圖6.22所示柵格圖中，柵格圖中的節(jié)點(diǎn)是長方形格子，右邊為無限。卷積碼的編譯碼05Viterbi譯碼法卷積碼主要有三種譯碼方法：序列譯碼、門限譯碼和Viterbi最大似然譯碼，其中門限譯碼是一種代數(shù)譯碼法，序列譯碼和Viterbi最大似然譯碼都是概率譯碼法。代數(shù)譯碼利用編碼本身的代數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行譯碼，并不考慮信道的統(tǒng)計特性，其主要特點(diǎn)是算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是它的誤碼性能要比概率譯碼差，目前應(yīng)用較多的是Viterbi譯碼法。卷積碼的編譯碼05Viterbi譯碼法Viterbi譯碼算法的步驟如下：(1)初始化；(2)度量更新；(3)回溯；卷積碼的編譯碼05Viterbi譯碼法卷積碼的編譯碼05誤碼率檢測實(shí)際工程應(yīng)用中通過誤碼率檢測功能，可以很好地估計Viterbi譯碼器的性能。在誤碼檢測功能模塊中，一方面對譯碼的輸出進(jìn)行再編碼，另一方面利用譯碼輸出的再編碼數(shù)據(jù)與譯碼輸入延時后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。誤碼率檢測的功能框圖如圖6.26所示。卷積碼的編譯碼05誤碼率檢測06Turbo碼的編譯碼Turbo碼的編譯碼06Turbo碼的編碼Turbo碼由兩個遞歸循環(huán)卷積編碼(RSC)并行級聯(lián)而成，卷積編碼器之間用交織器相連，Turbo碼的一般編碼結(jié)構(gòu)如圖6.27所示。Turbo碼的編譯碼06Turbo碼的編碼Turbo碼的編譯碼06Turbo碼的譯碼Turbo碼的譯碼器主要由兩個軟輸入軟輸出