【正文】 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。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。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(fā)展。 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。在這個時期出現(xiàn)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(yōu)譯碼算法 —— Viterbi 譯碼方法。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。 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。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。 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。 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）。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。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。當在信道中傳輸該碼字，如果錯誤發(fā)生，信息碼元和冗余碼元之間相互制約的關系就會被破壞。 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。 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(xiàn)代數字通信系統(tǒng)需要解決的首要問題。然而，從信息傳輸角度來考慮，既要提高通信系統(tǒng)的有效性（即傳輸速率）又要提高通信系統(tǒng)的可靠性往往是相互矛盾的。 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(xiàn)代無線通信技術的迅猛發(fā)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(xiàn)代數字信號處理技術等優(yōu)勢。 本文系統(tǒng)的介紹了數字通信系統(tǒng)的框架及基本原理，回顧了信道編碼技術 的發(fā)展歷史，對線性分組碼、卷積碼 、 Turbo 碼做了詳細介紹及 Matlab 仿真，并對仿真結果進行分析比較并得出結論，以使通信能無論在良好的環(huán)境還是在相對較復雜的環(huán)境下，都能高效、可靠的傳輸數據。但是在實際應用中，傳輸數據的無線信道非常復雜。人們對在無線信道中傳輸多媒體數據 (包括語音、數據和圖像等 )日趨重視。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，因此若想在無線信道中實現(xiàn)多媒體數據的魯棒性傳輸是一個具有很大挑戰(zhàn)性的工作。在傳輸數字信號的時候，由于信道時變性、衰減性、帶寬資源有限、干擾大等特點，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。 關鍵詞： 數字通信 , 卷積碼 , Turbo 碼 THE RESEARCH AND IMPLEMENTATION ON CHANNEL CODING AND DECODING “TECHNOLOGY IN DIGITAL COMMUNICATION SYSTEM ABSTRACT With the rapid development of the new Technology, wireless munication system are widely used in different areas. The requirement of higher capacity of transmitting data is increasing dramatically for wireless attention to the applications of multimedia data(video,data, image)transmission over the wireless channel. But the wireless channel39。通信的目的就是要高速、可靠的把信息從發(fā)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。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(jiān)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。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。實際應用中，一個通信系統(tǒng)一般包含信道編碼和信道譯碼兩個模塊。那么在接收端對接收到的信息序列按照既定的規(guī)則校驗碼字各碼元的約束關系 ，從而達到檢錯、糾錯的目的。信道編碼的方式有很多，例如線性分組碼、卷積碼、 Turbo 碼等等。到 1958 年，主要的編碼方案有漢明碼和格雷碼等。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。它屬于線性分組碼，由于線性碼的編碼和譯碼能輕易實現(xiàn)，至今仍是應用最廣泛的一類碼。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。格雷碼又叫循環(huán)二進制碼或反射二進制碼，在數字系統(tǒng)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(huán)特性的單步自補碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機取數時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。 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(tǒng)中的應用研究，這個期間是信息編碼的兩個重要的發(fā)展期，很多性能優(yōu)異的分組碼結構被提出。 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(fā)展。 1993 年 C． Berrou 在 IEEE 國際通信會議上，發(fā)表《 Near Shannon limiterrorcorrecting coding and decoding: Turbo code》一文。 Turbo 碼的提出具有非常深遠的歷史意義，其優(yōu)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。直到 1993 年 Berrou 等人發(fā)現(xiàn)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(yōu)異的性能。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(tǒng)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(xiàn)其算法的仿真，并分析仿真結果 。對數字通信系統(tǒng)和無線信道做簡單理論的介紹。 第五章是數字通信系統(tǒng)中信道編碼技術的應用。 圖 數字通信系統(tǒng)模型 在數字通信系統(tǒng)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。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。解調器對失真后的波形進行恢復，主要目的是為了將該波形恢復為與發(fā)送端類型盡可能相匹配的二進制序列。信源解碼器則是對接收到的消息重構成原始的數字信號或者模擬信號。因此，無論中繼站有多少，數字通信依舊具有很好的通信質量。通過一些邏輯運算，對傳輸信號進行加密編碼，可以改變信息的表現(xiàn)形式。 (2)、 需要嚴格的同步系統(tǒng)。 圖 信道的一般組成圖 調制信道包括三部分，分別是發(fā)轉換器裝置、媒質和收轉換器裝置。編碼信道的主要作用是對輸入信號序列按照一定規(guī)則，插入冗余代碼，使其輸出信號序列相對于輸入信號序列發(fā)生改變。外界干擾、噪聲越多，傳輸發(fā)生的錯誤就會越多，即 P(0/1)與 P(1/0)的值就越大。 因為受到傳輸媒質不定性以及噪聲、干擾等的影響，在信道上傳輸信號時，接收端所接收到的信號難免會存在一些差錯。經上述處理方法后，若誤比特率仍不能滿足通信系統(tǒng)的要求，則可以按照某種既定規(guī)律往信息序列 中添加新的碼元，以使相互無關的信息序列各碼元之間建立起某種聯(lián)系，并利用這些新的碼元進行差錯控制，實現(xiàn)將誤比特率進一步降低的目的，這種處理方法稱為信道編碼，信道編碼的另一種名稱為差錯控制編碼。如果信道的傳輸速率一定，因為冗余碼元的存在，勢必會降低用戶輸入的信息速率，新加入的冗余碼元越多，消息碼元與冗余碼元之間的聯(lián)系就更緊密，信號的檢錯能力與糾錯能力就會更強，但同 時也導致信道傳輸消息時相同時間內傳輸承載有用信息的碼元越少，也就導致了編碼效率變小。 (3)編碼延時。η的值越大，則碼字中有用碼元占的比例越大，碼字中用來承載有用信息的碼元就越多，傳輸也就有了更高的有效性。若將碼字中信息碼元數用 k 表示，冗余碼元數用 r 表示，則編碼效率計算公式為： η =k/(k+r) () 由式 ()，當 k 的值一定時，η的值越大，則 r的值越小，也就是單位時間內信道中用來傳送的信息碼元的有效性越高。 綜合上述分析，為了降低誤比特率，可以采取以下措施 ： 增大信道容量 C。其主要手段是不斷開發(fā)新的頻段以利用帶寬應用，有線通信使用的傳輸媒質包括明線、電纜和光纖等，占用的頻帶從幾十赫茲到數百赫茲；無線通信則從聲波到毫米波、微米波。例如，可以采用噪聲比較低的器件、進行濾波處理等等方法。當要傳輸的信息量不變的情況下，增加更多的冗余信息，也就是在單位時間內傳輸的有用信息變少，因為更多冗余信息的存在而使得信道編譯碼的能力更加強大，從而提高了可靠性，但延長了傳輸時間。 信道編碼的分類 差錯控制的基本方式大概可以分成兩大類，第一類被稱為前向糾（ Forward Error Correction： FEC）方式， FEC 方式的傳輸是單向的，其碼的構造非常復雜。 反饋重發(fā) (ARQ)：發(fā)送端經過簡單編碼后發(fā)送出碼元，這些碼元是在信息碼元中添加了少許的冗余碼元，利用這些冗余碼元能夠檢查錯誤，接收端接收這些碼元并對它們進行檢測，如果檢查出錯誤，就利用反饋信道通 知發(fā)送端重新發(fā)送。 發(fā)送有檢錯能力的碼字 圖 檢錯重發(fā) ARQ 信息反饋 (IRQ)：此方式非常原始，是一種最簡單的差錯控制方式，它類似于“回執(zhí)”，接收端將接收到的信息碼元經過反饋信道原封不動的轉發(fā)給發(fā)送端在發(fā)送端，將反饋信道轉發(fā)來的信號與發(fā)送的碼元逐位進行比較，當相同位上有相同碼元存在的時候，發(fā)送端 重新發(fā)送信號。在接收端接收到的碼組中存在少量錯誤的時候，混合糾錯 (HEC)方式能夠自動完成糾錯，在能檢測到錯誤的前提下，若出現(xiàn)的差錯量超出了糾錯能力范圍，則接收端利用反饋信道發(fā)送反饋信息， 發(fā)送端接收到反饋信息后將重新發(fā)送信息。 表 差錯控制方式比較表 第四章 信道 編碼方法的研究 在實際應用中，為了最大限度的減少接收信號與發(fā)送信號之間存在的失真，在消息序列進入信道前對其進行信道編碼。碼重則是指一個碼字中含有“ l”的個數。但是接收端對接收到的碼字進行譯碼時，要求是唯一的，也就是對接收到的 n 個碼宇迸行譯碼后，去掉兀余信息剩下的 k 位為承載信號的有用碼字，接收到的消息和經譯碼后得到的碼字的對應關系唯一。 碼組是所有碼字的集合，一個 n 重的碼組 C 可以表示為 C=[ ... ]。η是衡量信道利用效率和碼性能的參數。 表 （ n,k） 線性分組碼檢錯、糾錯能力