【導(dǎo)讀】核準(zhǔn)通過，歸檔資料。未經(jīng)允許，請勿外傳！當(dāng)今社會，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在社會的各個不同領(lǐng)域，人們對在無線信道中傳輸多媒體數(shù)據(jù)日。無線信道具有時(shí)變性、衰減性、帶寬資源有限、干擾很大等特點(diǎn)，因此。減少信號的冗余，增加系統(tǒng)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(shù)正是降低誤比特率、提高通信質(zhì)量的主要技術(shù)手段之一。雜的環(huán)境下，都能高效、可靠的傳輸數(shù)據(jù)。

　　

【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(xiàn)代無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號已經(jīng)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(shù)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(shù)字信號處理技術(shù)等優(yōu)勢。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(zhì)量和實(shí)時(shí)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(fù)雜度等性能。然而，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，由于被傳輸數(shù) 據(jù)無法避免的會受到一定的干擾和噪聲等的影響，這就導(dǎo)致接收端接收到的信息和發(fā)送端實(shí)際發(fā)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(shí)際應(yīng)用中，衡量一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，其中的兩個指標(biāo)最為重要，即有效性和可靠性，同時(shí)它們也是通信技術(shù)設(shè)計(jì)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(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。為了提高可靠性，可以在二進(jìn)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(guān)系，以期達(dá)到檢錯和糾錯的目的。但是，由于添加 了冗余碼元 (監(jiān)督碼元 )，導(dǎo)致傳輸信息的速率下降；同時(shí)，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(shí)，其自我保護(hù)能力大大下降，從而降低了傳輸?shù)目煽啃?。于是，在?shí)際通信的應(yīng)用中，采比較折中的方式，可在確?？煽啃灾笜?biāo)達(dá)到系統(tǒng)要求的前提下，盡可能的提高傳輸?shù)乃俾剩灰只蛟谝欢ㄓ行缘闹笜?biāo)下，盡量提高傳輸?shù)目煽啃浴? 通信技術(shù)一直致力于提高信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃裕渲斜ＷC通信的可靠性是現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)需要解決的首要問題。由于信道的特性復(fù)雜，當(dāng)調(diào)制好的信號在信道里進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)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(chǎn)生的衰落：由于信道本身頻率響應(yīng)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(diào)時(shí)產(chǎn)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(yīng)，即多徑效應(yīng)，這會帶來時(shí)間上前后信號互相干擾?？傊@三種加性干擾都會導(dǎo)致在接收端信號解調(diào)的錯誤，使系統(tǒng)的誤碼率大大增加。導(dǎo)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?shù)浇邮斩撕罂赡馨l(fā)生錯誤判決。 信道的信道編碼技術(shù)正是用來改善通信可靠性問題的主要技術(shù)手段之一。實(shí)際應(yīng)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。 信道編碼的主要目的是為了降低誤比特率，提高數(shù)字通信的可靠性，其方法是在二進(jìn)制信息序列中添加一些冗余碼元（監(jiān)督碼元），與信息碼元一起組成被傳輸?shù)拇a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(guān)系。當(dāng)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(guān)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(guī)則校驗(yàn)碼字各碼元的約束關(guān)系 ，從而達(dá)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(shí)受到噪聲和干擾產(chǎn)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(guān)系，同時(shí)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(fù)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(shí)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(shù)據(jù)經(jīng)無線信道后總會產(chǎn)生一定的差錯，因此，信道編碼在數(shù)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(tǒng)中，一般情況下，卷積編碼方式多用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)， Turbo 編碼方式多用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。 信道編碼技術(shù)的發(fā)展歷史 1948 年香農(nóng) (Shannon)發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》這篇文章，該文章對信道編碼技術(shù)的展有著舉足輕重的作用，從此信道編碼技術(shù)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(nóng)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(shí)，可以通過信道編碼的方法來實(shí)現(xiàn)可靠通信，可是 Shannon 只提出了這種理論，卻未給出具體實(shí)現(xiàn)的方法。 1950 年 針對計(jì)算機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的問題編寫了使計(jì)算機(jī)能在正常運(yùn)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(jì)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(yàn)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用其中的三個冗余比特，根據(jù)某種規(guī)則和算法，達(dá)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一類碼。漢明碼的抗干擾能力較強(qiáng)，但付出的代價(jià)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(fā)現(xiàn) 2 個差錯。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常存在各種突發(fā)干擾，使連續(xù)多位數(shù)據(jù)發(fā)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(jìn)的，但是它也存在許多難以接受的缺點(diǎn)。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(yàn)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(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼，在數(shù)字系統(tǒng)中只能識別 0 和 1，各種數(shù)據(jù) 要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，格雷碼是一種無無權(quán)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(bǔ)碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補(bǔ)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(quán)重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算，要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進(jìn)制碼，再由上位機(jī)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(jié)果保留到 4 位，再將異或的值和下一位（第 3 位 ）相異或，結(jié)果保留到 3位，再將相異或的值和下一位（第 2 位）異或，結(jié)果保留到 2 位，依次異或，直到最低位，依次異或轉(zhuǎn)換后的值（二進(jìn)制數(shù)）就是格雷碼轉(zhuǎn)換后自然值的值。 20 世紀(jì) 60 年代到 20 世紀(jì) 70 年代期間，人們越來越重視編碼理論在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)被提出。 BCH 碼就是這個時(shí)候被提出來的，它屬于循環(huán)碼中的一種。在這個時(shí)期， BCH 碼得到了很好的發(fā)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(shí) 期最優(yōu)秀的 Gray 碼有近 2dB 新的編碼增益。在這個時(shí)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。 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(shí)用化有了更快的發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代之后，信道編碼開始了它的第三個發(fā)展階段。這個階段出現(xiàn)的信道編碼方案的特點(diǎn)為：抗干擾能力更強(qiáng)，頻帶利用率更高，且其性能與香農(nóng)極限更加靠近。 20 世紀(jì) 90 年代到 21 世紀(jì)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(shí)候被提出。 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。此文講述了 Turbo 碼結(jié)構(gòu)，并證實(shí)利用 Turbo 碼作為信道編碼，當(dāng)信噪比 ≥ 時(shí) (Shannon 限為 EN0dBb0= )，其誤碼率 BER ≤。具有如此優(yōu)異性能的 Turbo 碼在當(dāng)時(shí)引起了轟動，受到了廣泛的關(guān)注。從此， Turbo 碼成為信道編碼領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)，并在這個時(shí)期得到了很好的發(fā)展。 Turbo 碼的提出具有非常深遠(yuǎn)的歷史意義，其優(yōu)異的性能標(biāo)志著信道編碼理論與技術(shù)進(jìn)入全新的研究階段，以往利用信道截止速率作為實(shí)際容量的時(shí)期將不復(fù)存在。 LDPC 碼（低密度奇偶校驗(yàn)碼， Low Density Parity Check Code， LDPC），最早是 1963 年由麻省理工學(xué)院 Robert 博士提出。 LDPC 碼的性能非常優(yōu)秀，幾乎逼近香農(nóng)限，且任何信道都能適用。但是，其譯碼算法卻非常復(fù)雜，且當(dāng)時(shí)的研究技術(shù)條件有限，在 LDPC 碼被提出后并 沒有收到廣大學(xué)者的關(guān)注。直到 1993 年 Berrou 等人發(fā)現(xiàn)了 Turbo 碼，在此基礎(chǔ)上， 1995 年前后 MacKay 和 Neal 等人對 LDPC 碼重新進(jìn)行了研究，并提出廣為大眾接受的譯碼算法，更進(jìn)一步證實(shí)了該碼優(yōu)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(jìn)展，使得 LDPC 碼的性能更加接近香農(nóng)限，而且對它的編譯碼理論描述變得簡單，現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)也變得可行。到現(xiàn)在，對 LDPC 碼的研究已經(jīng)非常成熟，并進(jìn)入了無線通信等相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。 本文的主要研究內(nèi)容與組織結(jié) 構(gòu) 本文的主要研究內(nèi)容是： 在不同信道環(huán)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(qiáng)的信道編碼方法。課題旨在設(shè)計(jì)出一種信道編碼方案，研究的主要內(nèi)容有： 研究、分析數(shù)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(jié)合理論利用 Matlab 實(shí)現(xiàn)其算法的仿真，并分析仿真結(jié)果 。 本文的主要結(jié)構(gòu)如下： 第一章緒論。主要介紹課題的研究目的、發(fā)展現(xiàn)狀、課題應(yīng)用及研究的主要內(nèi)容。 第二章為數(shù)字通信的基本理論。對數(shù)字通信系統(tǒng)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(diǎn)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(shù)字通信系統(tǒng)中信道編碼技術(shù)的應(yīng)用。在第四章的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出有效的信道編碼方案并應(yīng)用于實(shí)際。 第二章 數(shù)字通信的基本理論 數(shù)字通信系統(tǒng)簡介 采用數(shù)字 /模擬信號作為消息載體的通信方式就是數(shù)字 /模擬通信。一般而言，數(shù)字通信系統(tǒng)主要包含用來傳輸信息的傳輸系統(tǒng)和用來存儲信息的計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)，數(shù)字通信系統(tǒng)模型主要構(gòu)成模 塊和功能性框圖如圖 所示。 圖 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，原始信號在信源部分分為模擬信號和數(shù)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(shù)字信號。信源編碼的目的是為了減少碼元數(shù)目和降低碼元速率，即數(shù)據(jù)壓縮；另一個作用是為了將信源的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以實(shí) 現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化傳輸。 經(jīng)過信源編碼器模塊編碼后輸出的“ 0”、“ 1”序列，再經(jīng)過為增強(qiáng)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(dǎo)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(jìn)行編碼，編碼的方法是在信號中按照一定的規(guī)則加入一些冗余碼，目的是為了克服信號在傳輸時(shí)因噪聲和外界干擾等引起的失真。實(shí)際上，所增加的冗余本質(zhì)上是用來提高接收端接收到的數(shù)據(jù)的可靠性，和提高接收信號的逼真度的。 二進(jìn)制信號經(jīng)過信道編碼后發(fā)送端的發(fā)送機(jī)將其發(fā)送到通信信道接口設(shè)備 —