信道編碼技術(shù)及電子系統工程應用的探討論文

　　根據信道編碼理論及編碼、譯碼方法和技術(shù)的發(fā)展，結合工程實(shí)際從理論到實(shí)踐進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

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

　　一、信道編碼理論及編、譯碼問(wèn)題

　　衡量任何一個(gè)信號通信系統性能優(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。在數字通信系統中，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(gè)通信系統中，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(wèn)題是重點(diǎn)。

　　(一)編、譯碼問(wèn)題

　　信道編碼是以香農第二定理和香農第三定理為理論支持。在錯誤控制編碼方面，主要是糾錯線(xiàn)性分組碼與非分組的卷積碼。對于線(xiàn)性分組碼，采用增加冗余碼作為監督碼，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(guò)來(lái)的碼。編碼是一個(gè)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(guò)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(shí)用到過(guò)去的信息，也就是說(shuō)，它是需要記憶的。這也就是卷積碼得名的由來(lái)。卷積碼的編碼器由一個(gè)移位寄存器和相關(guān)邏輯電路組成，對每一個(gè)進(jìn)入的信息幀，編碼器都產(chǎn)生一個(gè)碼字幀。當然，還可以畫(huà)編碼器的狀態(tài)圖，比較直觀(guān)表示編碼器根據輸入情況而變化。根據狀態(tài)圖可畫(huà)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(gè)依據。卷積碼用一個(gè)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(jiǎn)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。通過(guò)修改狀態(tài)圖，很容易得到生成函數。對生成函數的級數展開(kāi)，可以很直觀(guān)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量。

　　(三)Turbo碼和LDPC碼

　　Turbo碼與LDPC碼是兩種性能接近香農極限的信道編碼。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(shí)時(shí)數據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(lèi)可以用非常稀疏的校驗矩陣或二分圖定義的線(xiàn)性分組碼，其特點(diǎn)是：譯碼算法具有線(xiàn)性復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雜度，提高誤比特率性能;可以滿(mǎn)足高性能信號通信要求。LDPC碼以最低的復雜度提供了最好的性能。這意味著(zhù)在同等性能情況下， LDPC碼的復雜度只有Turbo碼的1/4。與Turbo碼相比，LDPC碼尤其是非規則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(diǎn)：譯碼可以完全并行，因此可以獲得更高的譯碼速度;譯碼器的復雜度大幅降低;譯碼是可驗證的;非規則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(shí)現信道與信號通信系統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(jìn)的：水平奇偶校驗碼、垂直奇偶校驗碼、群計數碼等。定比碼是一種只能發(fā)現錯誤的簡(jiǎn)單檢錯碼，且需通過(guò)反向信道系統方能實(shí)現抗干擾。而重復碼是前向糾錯碼，也是一種最簡(jiǎn)單的糾錯碼，實(shí)際應用較廣泛。而由漢明碼引出的線(xiàn)性分組碼是一種具有線(xiàn)性代數關(guān)系的編碼。在實(shí)際應用中，為得到希望的碼長(cháng)和信息位長(cháng)度，將信息位縮減而得到原碼的縮短碼。在漢明碼的基礎上增加一位監督元，則產(chǎn)生增余漢明碼或擴展漢明碼，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(xiàn)性分組碼中重要的一類(lèi)碼，從應用角度其編碼與譯碼電路較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現;且編、譯碼方法方便、成熟。

　　(二)信道編、譯碼方法的發(fā)展過(guò)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(jìn)發(fā)展，逐步完善的過(guò)程。由此可見(jiàn)，理論指導是發(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(zhù)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(guò)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(huì )阻礙新的方法的產(chǎn)生和發(fā)展。舊的矛盾解決的同時(shí)，新的矛盾又會(huì )出現。正如，糾錯檢錯能力的提高，對信息進(jìn)行錯誤保護，以抵御信道或網(wǎng)絡(luò )等信息傳輸過(guò)程的干擾所產(chǎn)生的誤碼或數據丟失的同時(shí)，也將使編碼及信息傳輸效率降低。由于信道編碼增加了數據量，其結果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價(jià)。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、從工程應用實(shí)例看理論支撐點(diǎn)

　　(一)智能住宅小區建設中信道編碼技術(shù)的應用

　　在工程中首次接觸的，應用于數字電視地面廣播(DTTB)的編碼調制方案中，涉及到：以多級分組乘積碼代替傳統的串行級聯(lián)編碼結構，提高了頻譜效率;同時(shí)采用一種多分辨率星座圖，可在一個(gè)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。仿真結果表明，在視覺(jué)門(mén)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構的理解。

　　(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計方案。該方案利用LDPC碼和網(wǎng)絡(luò )編碼的線(xiàn)性特性以及軟輸入軟輸出模塊設計，不僅減少了編譯碼的復雜度，而且提高了編譯碼效率。同時(shí)，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(shí)，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，又有所區別。信道編碼問(wèn)題，其核心是對傳送的信息進(jìn)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(lái)的誤碼或數據丟失。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、結束語(yǔ)

　　專(zhuān)業(yè)技術(shù)的專(zhuān)長(cháng)與拓展并存，這是專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。身處信息時(shí)代，信息科學(xué)是研究信息的獲取、傳輸以及應用的科學(xué)，是信息資源與技術(shù)開(kāi)發(fā)及其推廣應用的理論基礎，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)、計算機應用等眾多應用技術(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(wèn)題，即解決信道能傳送的最大信息率的可能性和超過(guò)這個(gè)最大值時(shí)的傳輸問(wèn)題;同時(shí)構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(guò)信道編碼器和譯碼器來(lái)實(shí)現的用于提高信道可靠性的理論和方法。

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