差错控制编码

对数字通信中差错控制编码的研究摘要：由于实际信道传输特性不理想，使数字信号在传输过程中受到干扰，造成信息码元波形的改变，使传输到接收端后造成信息错误判决，从而产生误码，这将严重影响数字通信系统的可靠性。为了增强数字通信系统的可靠性，由于信道中乘性干扰引起的码间干扰，通常可以采用均衡的办法纠正，而加性干扰的影响则要从其他途径解决。虽然在系统的设计过程中可以采取某些措施来改善数字信号的传输质量，如提高发射功率，选择调制、解调方法等，但这些措施往往要受到某些客观和人为条件的限制，难以到达预期的目的。因此，人们把改善传输质量的目标放在了数字信号的编码上。而本文主要针对差分控制编码进行论述。关键字：数字通信、差错控制、编码、传输质量正文：数字通信由传统的模拟通信发展而来，而又优于模拟通信。数字信号与模拟信号不同，它是一种无论在时问上还是幅度上都属于离散的负载数据信息的信号。与传统的模拟通信相比数字通信具有以下优势。首先，数字信号有极强的抗干扰能力。由于在信号传输的过程中不可避免地会受到系统外部以及系统内部的噪声干扰，而且噪声会跟随信号的传输而进行放大，这无疑会干扰到通信质量。但是数字通信系统传输的是离散性的数字信号，虽然在整个过程中也会受到噪声干扰，但只要噪声的绝对值在一定的范围内就可以消除干扰。其次是在进行远距离的信号传输时，通信质量依然能够得到有效保证。因为在数字通信系统中利用再生中继方式，能够消除长距离传输噪音对数字信号的影响，而且再生的数字信号和原来的数字信号一样，可以继续进行传输，这样一来数字通信的质量就不是因为距离的增加而产生强烈的影响，所以它也比传统的模拟信号更适合进行高质量的远距离通信。此外数字信号要比模拟信号具有更强的保密性，而且与现代技术相结合的形式非常简便，对其设备中所用电路的要求较简单，轻巧、故障少、耗电低、成本低的集成电路即可满足通信需求目前的终端接口都采用数字信号，同时数字信号还便于和电子计算机结合，由计算机来处理信号，能够适应各种类型的业务要求，例如电话、图像以及数据传输等等，它的普及应用也方便实现统一的综合业务，便于采用大规模集成电路，便于实现信息传输的保密处理，便于实现计算机通信网的管理等。数字通信以上的许多优点的实现，离不开模数信号的转变，这就要求编码电路尽可能的严密，以使接收端能够最准确地还原出原始信号。我们知道，信道中的加性干扰主要是指信道中随机的高斯白噪声和突发脉冲产生的干扰。两种干扰产生的误码的分布规律是不同的。通常定义具有随机高斯白噪声的信道称为随机信道；具有突发脉冲产生干扰的信道为突发信道。而实际信道往往是两种干扰的混合，称混合混合信道。随机信道产生的误码是随机出现的，且误码之间是统计独立的；而突发误码产生的信道是成串集中出现的，即在一些短促的时间区间内出现大量的误码；在混合信道中，即存在随机错码又存在突发错误码，短波信道和对流层散射信道是混合信道的典型例子。在实际中，人们是根据不同的误码规律采取不同的差错控制方法。-1-差错控制的基本思想是，在发送端根据要传输的信息码元序列，按一定的规律加入多余码元，使原来不相关的信息码元变成相关的，即编码。传输时将多余码元和信息码元一起传送。接收端根据信息码元和多余码元间的规则进行检验，即译码。通过译码，可以发现传输中出现的错误，再通过反馈信道要求发送方重发有错的数据，或者由译码器自动将错误纠正。这种技术叫做差错控制技术，根据信息码元产生监督码元的方法叫做差错控制编码。常用的差错控制方法有一下几种：1.检错重发法ARQ发送端按一定的编码规则对信息码元加入有一定检错能力的监督码元。接收端根据编码规则检查接收到的编码信息，一旦检测出有错码时，即向发送端发出询问信号请求重发。发送端收到询问信号后，把发生错误的那部分信息重发，直到接收端正确接收为止。因为检错码的检错能力比纠错码的纠错能力要高得多，因而整个系统的纠错能力极强，只需要少量的多余码元就能获得极低的输出误码率。由于检错码的检错能力与信道干扰的变化基本无关，即对各种信道的不同差错特性，有一定自适应能力。其检错译码器简单，成本低，容易实现。但是缺点是由于需要反向信道，故不能用于单向传输系统，也难以用于一发多收系统，并且实现重发控制比较复杂。当信道干扰增大时，整个系统可能处在重发循环中，因而通信效率降低，甚至不能通信，不适于实时性要求严格的传输系统。2.前向纠错法FEC发送端对信息码元按一定的规则产生监督码元，形成具有纠错能力的码字。接收端收到码字后按规定的规则译码，当检测到接收码组中有错误时，不仅能够确定误码的位置，还可以纠正他们。FEC的优点是不需要反馈信道，能用于单向信道，并且译码延时固定，较适用于实时传输系统，如果能够确定误码的位置，就能够纠正它。它的缺点是纠错设备比检错设备复杂，且选择的检错码必须与信道的差错统计特性相一致。此外，为纠正比较多的错误，需附加很多监督元，因而传输效率很低。3.反馈校验法IRQ这种方式是接收端把收到的消息原封不动的通过反馈信道送回发送端，发送端对发送信息与反馈回来的消息比较，如果发现错误，则发送端把传错的消息再次传送，最后达到使对方正确接收消息的目的。差错控制系统是数据通信系统中的一部分，因此在设计差错控制系统以前必须了解用户的各方面要求，并论证是否需要差错控制，采用什么样的差错控制方式，选用什么样的纠、检错码，码的参数如何确定等。还有一些与差错控制有关的其他问题如通信方式、调制体制、同步等。用户提出的要求是设计差错控制系统的主要依据之一，在各种要求中，最主要的有以下几个方面：(1)传输数据的准确度传输数据的准确度或称可靠性是指信息经过数据系统传输到达用户后所能获得的误码率。对不同的用户和使用条件，对数据准确度的要求并不相同。如对于普通的用户来说误码率达到10-4~10-5就满意了，但是对于计算机通信来说，则远远不够，通常要求达到10-9或更低。由于数传系统的误码率主要由调制解调器、信道和差错控制系统的性能决定，因此还必须了解它们的关系。(2)允许的延迟一般而言，数据不但经过信道传输会带来一定的延迟，而且经过差错控制系-2-统后，由于译码器要进行大量的检错和纠错运算，以及反馈纠错中由于重传也会带来延迟。数据信息经过FEC系统后所带来的延迟一般而言是固定的，但若利用卷积码的概率译码如序列译码，则延迟是变化的。对反馈纠错系统来说，由于信道干扰的随机性，因而延迟也是变化的。所以一般说来FEC系统较适合于实时数据传输。(3)数据格式所谓数据格式是指由信源送出及由译码器送至用户的数据的结构，在网通信中数据格式通常都有标准。服务码元由4个码元组成，校验元由16个码元组成，而总的码长也有规定。(4)效性与带宽扩展因子无论是何种类型的差错控制方式，都要使用纠错或检错码，这些码都加了多余码元，从而降低了传输信息数据的速率。另一方面，在反馈重传纠错方式中，由于重传也降低了数据传输速率。对于上述三种差错控制方法，有效性η与数据可靠性通常是矛盾的，有效性高则传输数据可靠性低，反之，则高。因此设计人员必须正确地解决这种矛盾，以满足用户要求。如果加了有效性为η的差错控制系统以后，用户希望仍能以原来的数据速率RI传送信息数据，则必须使数据信道中传输数据的速率RC加快η-1倍，例如若RI=1200b/s，应用η=0.5的差错控制系统后，则要求RC加快至2400b/s才能保持原来的传信率，这通常要求信道的带宽相应地扩展一倍。一般情况下，信道带宽要增加η-1倍，η-1称为带宽扩展因子。设计工作者必须了解信道的带宽能否扩展，以及扩展的困难等问题。知道了用户的要求以后，下一个问题就是全面比较和衡量是否需要差错控制系统，这就是适用性问题。确定是否需要差错控制，需要一个反复比较和分析的过程。为了能进行充分的比较，必须了解和掌握整个系统的各种性能，特别是数据信道的差错统计特性如：误码率pe、错组p(n,≣1)及m个错误的错组率p(n,m)，以及两个错误码元之间的间隔分布等。对其他模型也必须测定相应的参数，以便做分析比较。同时还必须了解为改进信道特性而采用的各种方法如增加功率、利用分集、改善调制制度等，并把它们与各种差错控制技术统一权衡以决定取舍。一般而言，需要从性能成本、使用环境、实现的物质基础等各方面加以分析比较。由通信理论可知，使用不同的调制制度，在收端信噪比相同条件下所得之误码率是不一样的。例如对于二相绝对移相，要达到10-5的误码率，要求信噪比大约为9.6dB，而采用调幅，则需要13.5dB，它们之间差4dB，这就是调相对调幅的制度增益。同样，在应用差错控制系统以后，与不应用差错控制系统相比，在相同的误码率和信息传输速率下，所要求信噪比的减少值，称为编码增益。例如采用纠错码以前要达到10-6的误码率需要的信噪比为10.5dB，采用（127，120）码纠一个错误，仅需8.8dB（考虑了带宽扩展因子），则我们说编码增益为1.7dB。应当指出，并不是码的纠错能力越高编码增益就越大，而是达到某一值后，随着纠错能力的增加，编码增益反而减少。这是由于纠错能力增加时，多余度相应增加，若仍要求传输信息的数据速率不变，则带宽扩展因子增大，从而使噪声影响增加，以至使编码增益下降。通常情况下，若用FEC系统，利用R=1/2码率的线性分组码，能获得最大的编码增益。若用卷积码则编码增益不大于R×d，d为卷积码的最小自由距离。由以上讨论看出，差错控制方式的选择为设计一个数据系统提供了另一个自-3-由度，这就是说我们不仅可以从调制、功率、天线等方面还可以从差错控制方面出发，满足数据系统的设计要求。当然利用差错控制系统以减低误码率是要付出代价的，这就是设备复杂性的增加和带宽的扩展。FEC系统传输数据的速率是固定的，它不像ARQ和HEC方式那样是变化的。通常用ARQ方式，必须具备条件：1.信源输出速率是可控的，或有一定缓存；2.有反馈信道可用；3.实时性要求不高；4.原始码速率不能太高，通常要求低于10-2或10-3，对卫星无线信道要求低于10-4~10-5。上述条件只要有一个不满足，就不能应用检错重传方式，而必须应用FEC。对于信道质量较好，并要求整个系统的误码率很低，通常采用ARQ方式。码的选择及主要参数的确定在各种差错控制方式中，应用何种码主要由用户对误码率的要求以及信道差错情况而定。例如对于FEC系统，若为卫星通信，深空通信或微波线路通信，由于这些信道近似可看成是BSC，在要求误码率不是很低的情况下，则用卷积码的维特比（Viterbi）较好，此时能得到约5dB的编码增益，且设备不太复杂。若要求误码率很低则可用序列译码。随着数字电路技术的飞速发展，差错控制编译码技术已广泛应用于各种通信系统中，解码电路采用微处理器或数字信号处理器，实现简单，检纠错能力强，可降低误码率、确保数据传输的可靠性，大大提高了通信质量、提高了通信传播速率、丰富了通信内容。数字化已经渗透到通信技术的每一个环节，已经形成数字通信技术的专门学科，不仅为整个通信连跳带来了无限商机，其更加快捷、有保障的通信方式也为商业增添了新的活力。参考文献：[1]陈国通《数字通信》哈尔冰工业大学出版社2005；[2]樊昌信、曹丽娜《通信原理（第6版）》国防工业出版社2008；[3]曹雪虹、张宗橙《信息论与编码》清华大学出版社2008；