信道編碼技術(shù)及電子系統(tǒng)工程應(yīng)用的探討論文

　　根據(jù)信道編碼理論及編碼、譯碼方法和技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合工程實際從理論到實踐進行了簡要的闡述。

　　隨著信息及信號傳輸技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用電子領(lǐng)域也隨之擴大并得到發(fā)展。通過對信源編碼、信道編碼、編碼的方法，以及對壓縮后的信息進行糾錯編碼，以抗擊信道、網(wǎng)絡(luò)及傳輸過程的誤碼或數(shù)據(jù)丟失，即信道編碼問題的系統(tǒng)認識與理解對實際工程應(yīng)用具有重要的意義。從電子系統(tǒng)工程的應(yīng)用角度，對相關(guān)知識的理解與應(yīng)用體會更為深刻。在此，就實際應(yīng)用中貫穿其中的相關(guān)知識及帶來的思考與啟發(fā)扼要介紹。

　　一、信道編碼理論及編、譯碼問題

　　衡量任何一個信號通信系統(tǒng)性能優(yōu)劣的基本因素是有效性和可靠性，有效性是信道傳輸信息的速度快慢，可靠性是信道傳輸信息的準確程度。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源編碼是為了提高有效性，信道編碼是為了提高可靠性，而在一個通信系統(tǒng)中，有效性和可靠性是互相矛盾的，也是可以互換的。我們可以用降低有效性的辦法提高可靠性，也可以用用降低可靠性的辦法提高有效性。而糾錯編碼，即信道編碼問題是重點。

　　(一)編、譯碼問題

　　信道編碼是以香農(nóng)第二定理和香農(nóng)第三定理為理論支持。在錯誤控制編碼方面，主要是糾錯線性分組碼與非分組的卷積碼。對于線性分組碼，采用增加冗余碼作為監(jiān)督碼，這樣編出的碼具有一定的檢錯和糾錯能力。在譯碼方面，根據(jù)最大似然法譯碼，判斷碼的漢明距離，找到漢明距離最小的碼，那就是在發(fā)送端傳輸過來的碼。編碼是一個比較抽象的概念，采用矩陣的描述方式表示編碼，將輸入的信息序列與生成矩陣相乘，那么就可以得到編碼后的符號。在譯碼方面，通過奇偶校驗矩陣就可以檢測譯碼是否正確。

　　(二)關(guān)于卷積碼

　　卷積碼是編碼不一樣的領(lǐng)域，因為這種碼在判決時用到過去的信息，也就是說，它是需要記憶的。這也就是卷積碼得名的由來。卷積碼的編碼器由一個移位寄存器和相關(guān)邏輯電路組成，對每一個進入的信息幀，編碼器都產(chǎn)生一個碼字幀。當然，還可以畫編碼器的狀態(tài)圖，比較直觀表示編碼器根據(jù)輸入情況而變化。根據(jù)狀態(tài)圖可畫出網(wǎng)格圖;由網(wǎng)格圖很容易地知道卷積碼的距離，這是卷積碼譯碼的一個依據(jù)。卷積碼用一個生成多項式矩陣表示，在編碼方面極為方便，編碼操作可以簡單地描述為信息量矩陣與生成矩陣的乘積。而更加嚴謹、方便地表達，則需要生成函數(shù)。通過修改狀態(tài)圖，很容易得到生成函數(shù)。對生成函數(shù)的級數(shù)展開，可以很直觀地得到漢明距離和輸入路徑的信息，最后還可以知道給定漢明距離全零路徑的數(shù)量。

　　(三)Turbo碼和LDPC碼

　　Turbo碼與LDPC碼是兩種性能接近香農(nóng)極限的信道編碼。Turbo碼在低信噪比的情況下，性能比其他編碼要好。Turbo碼的優(yōu)良性能在非實時數(shù)據(jù)通信方面被廣泛采用。Turbo碼是分組碼和卷積碼的“準”混合物。Turbo碼有并行級聯(lián)卷積碼、串行級聯(lián)卷積碼和混雜級聯(lián)卷積碼三種不同的排列。因為有交織器的存在，所以編碼器的糾錯能力很好。LDPC碼是一類可以用非常稀疏的校驗矩陣或二分圖定義的線性分組碼，其特點是：譯碼算法具有線性復(fù)雜度可采用并行迭代方式，具有譯碼自校驗特性，在高信噪比條件下能有效降低譯碼復(fù)雜度，提高誤比特率性能;可以滿足高性能信號通信要求。LDPC碼以最低的復(fù)雜度提供了最好的性能。這意味著在同等性能情況下， LDPC碼的復(fù)雜度只有Turbo碼的1/4。與Turbo碼相比，LDPC碼尤其是非規(guī)則LDPC碼具有非常出色的性能，優(yōu)于迄今為止已知的其它編碼方式。LDPC碼與其它編碼相比還有一些獨特的優(yōu)點：譯碼可以完全并行，因此可以獲得更高的譯碼速度;譯碼器的復(fù)雜度大幅降低;譯碼是可驗證的;非規(guī)則LDPC碼具有天然的不等錯誤保護能力。

　　二、從信道編碼定理看編、譯碼方法的發(fā)展

　　(一)信道編、譯碼方法的多樣性

　　信道編碼的核心是“糾錯”;信道編、譯碼的最終目的是實現(xiàn)信道與信號通信系統(tǒng)在可靠性指標下的優(yōu)化。其方法是糾錯編碼，即抗干擾編碼。奇偶校驗碼是一種檢錯分組碼;由此原理派生出改進的：水平奇偶校驗碼、垂直奇偶校驗碼、群計數(shù)碼等。定比碼是一種只能發(fā)現(xiàn)錯誤的簡單檢錯碼，且需通過反向信道系統(tǒng)方能實現(xiàn)抗干擾。而重復(fù)碼是前向糾錯碼，也是一種最簡單的糾錯碼，實際應(yīng)用較廣泛。而由漢明碼引出的線性分組碼是一種具有線性代數(shù)關(guān)系的編碼。在實際應(yīng)用中，為得到希望的碼長和信息位長度，將信息位縮減而得到原碼的縮短碼。在漢明碼的基礎(chǔ)上增加一位監(jiān)督元，則產(chǎn)生增余漢明碼或擴展?jié)h明碼，使糾錯能力得到提高。而由完備碼產(chǎn)生的完備譯碼、非完備譯碼，則反映了分組碼的糾錯能力是全部用于糾錯，還是部分糾錯檢錯。循環(huán)碼是線性分組碼中重要的一類碼，從應(yīng)用角度其編碼與譯碼電路較為簡單，易于實現(xiàn);且編、譯碼方法方便、成熟。

　　(二)信道編、譯碼方法的發(fā)展過程與啟示

　　不難看出，信道編碼的方法是豐富多彩的。也是漸進發(fā)展，逐步完善的過程。由此可見，理論指導(dǎo)是發(fā)展的方向。對信道編碼的理論支撐及方向的指引，使得信道編碼方法沿著豐富而日臻完善、接近而趨于極限的方向發(fā)展。從這一發(fā)展過程可以看出，任何一種新的或衍生的方法，都是有局限性的。但這種局限和不完善性，并不會阻礙新的方法的產(chǎn)生和發(fā)展。舊的矛盾解決的同時，新的矛盾又會出現(xiàn)。正如，糾錯檢錯能力的提高，對信息進行錯誤保護，以抵御信道或網(wǎng)絡(luò)等信息傳輸過程的干擾所產(chǎn)生的誤碼或數(shù)據(jù)丟失的同時，也將使編碼及信息傳輸效率降低。由于信道編碼增加了數(shù)據(jù)量，其結(jié)果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價。因此，不同的編碼方式，其糾、檢錯的能力不同，編碼效率(信息傳輸效率)也有所不同。

　　三、從工程應(yīng)用實例看理論支撐點

　　(一)智能住宅小區(qū)建設(shè)中信道編碼技術(shù)的應(yīng)用

　　在工程中首次接觸的，應(yīng)用于數(shù)字電視地面廣播(DTTB)的編碼調(diào)制方案中，涉及到：以多級分組乘積碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行級聯(lián)編碼結(jié)構(gòu)，提高了頻譜效率;同時采用一種多分辨率星座圖，可在一個DTTB信道中提供3種級別的服務(wù).在接收端采用基于MAX—LOG—MAP準則的迭代Turbo譯碼算法以獲得可靠接收。仿真結(jié)果表明，在視覺門限BER=3×10-6處，高優(yōu)先級碼流的比特信噪比約為7dB，適用于高可靠性的服務(wù).中優(yōu)先級和低優(yōu)先級碼流可支持室外固定接收。由此，也加深了對并行級聯(lián)卷積碼的反饋迭代結(jié)構(gòu)的理解。

　　(二)網(wǎng)絡(luò)編碼與網(wǎng)絡(luò)安全

　　在網(wǎng)絡(luò)工程中，接觸到多址信道中聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)編碼和信道編碼的設(shè)計方案。該方案利用LDPC碼和網(wǎng)絡(luò)編碼的線性特性以及軟輸入軟輸出模塊設(shè)計，不僅減少了編譯碼的復(fù)雜度，而且提高了編譯碼效率。同時，了解了網(wǎng)絡(luò)——信道編碼分離定理，以及該定理成立的條件，即當網(wǎng)絡(luò)中的信道是確定型廣播信道時，分離定理不成立。而信道安全編碼與網(wǎng)絡(luò)安全編碼同樣重要，又有所區(qū)別。信道編碼問題，其核心是對傳送的信息進行錯誤保護，以抗擊信道或網(wǎng)絡(luò)等信息傳輸媒介所帶來的誤碼或數(shù)據(jù)丟失。而網(wǎng)絡(luò)中的通信安全是網(wǎng)絡(luò)編碼研究的重要課題之一，網(wǎng)絡(luò)安全編碼更側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)使用者信息及使用的安全層面。網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的發(fā)展可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

　　四、結(jié)束語

　　專業(yè)技術(shù)的專長與拓展并存，這是專業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。身處信息時代，信息科學(xué)是研究信息的獲取、傳輸以及應(yīng)用的科學(xué)，是信息資源與技術(shù)開發(fā)及其推廣應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，是信息技術(shù)及信息產(chǎn)業(yè)的核心。通信工程、電子信息工程、計算機科學(xué)、計算機應(yīng)用等眾多應(yīng)用技術(shù)與信息科學(xué)、信息技術(shù)及信息產(chǎn)業(yè)息息相關(guān)。信道編碼從理論上要解決理想編碼器、譯碼器的存在性問題，即解決信道能傳送的最大信息率的可能性和超過這個最大值時的傳輸問題;同時構(gòu)造性的編碼方法以及這些方法能達到的性能界限。筒言之，通過信道編碼器和譯碼器來實現(xiàn)的用于提高信道可靠性的理論和方法。

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