无线通信工程--第07讲－信道编码29499.pptx

无线通信工程无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年12月1日第七讲第七讲无线通信的信道编码无线通信的信道编码引言引言基本概念基本概念n n仙侬定理指出带宽和功率的互换性。当带宽为仙侬定理指出带宽和功率的互换性。当带宽为无限大时，无限大时，E Eb b/N/N0 0趋于趋于-1.6dB-1.6dB，这就是仙侬极限。这就是仙侬极限。n n如何实现带宽和功率的互换，仙侬定理本身没如何实现带宽和功率的互换，仙侬定理本身没有指明。有指明。n n能否用扩频技术实现带宽与功率的互换？不能！能否用扩频技术实现带宽与功率的互换？不能！在高斯白噪声信道上，扩频技术没有任何功率在高斯白噪声信道上，扩频技术没有任何功率增益。增益。n n要实现带宽和功率的互换，可以采用纠错技术。要实现带宽和功率的互换，可以采用纠错技术。纠错属于一种信道编码。纠错属于一种信道编码。基本概念基本概念n n信道编码的目的信道编码的目的信道编码的目的信道编码的目的 信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量信道编码是为了保证信息传输的可靠性、提高传输质量而设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余而设计的一种编码。它是在信息码中增加一定数量的多余码元，使码字具有一定的抗干扰能力。码元，使码字具有一定的抗干扰能力。n n信道编码的实质信道编码的实质信道编码的实质信道编码的实质 信道编码的实质就是在信息码中增加一定数量的多余码信道编码的实质就是在信息码中增加一定数量的多余码元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。举例而言，欲传输举例而言，欲传输k k位信息，经过编码得到长为位信息，经过编码得到长为n(nk)n(nk)的的码字，则增加了码字，则增加了 n-k=r n-k=r 位多余码元，我们定义位多余码元，我们定义 R=k R=k/n/n 为编码效率。为编码效率。基本概念基本概念n n信道编码公式信道编码公式信道编码公式信道编码公式 令信息速率为令信息速率为f fb b，经过编码以后的速率为经过编码以后的速率为f ft t，定义：定义：R Rf fb b/f/ft t为编码率。则对于任何一个信道，总存在一个截止速为编码率。则对于任何一个信道，总存在一个截止速率率R R0 0，只要只要R R R R0 0，总可以达到：总可以达到：BERBER C CR R2 2-nR-nR0 0，其中其中C CR R为某为某个常数，个常数，n n为编码的约束长度。为编码的约束长度。n n对于等概二进码、对于等概二进码、AWGNAWGN信道，有：信道，有：基本概念基本概念基本概念基本概念n n从图可以看出：当带宽，R00，得到Eb/N0 1.4dB，信道编码所能达到的极限比仙侬极限差3dB。n n从图可以看出：若R01，即不加任何信道编码，这时Eb/N0，说明在有限信噪比情况下无法达到无差错传输。n n从图可以看出：对于一定的R0，相当于一定的带宽扩展率，存在一个有限的Eb/N0，这时可以通过选择适当的n达到任意低的差错率。性能指标性能指标n n编码率、编码效率、码率编码率、编码效率、码率n n编码增益编码增益n n编码延时编码延时n n编译码器的复杂度编译码器的复杂度分类分类n n根据码的规律性可分为：正交编码和检、纠错根据码的规律性可分为：正交编码和检、纠错码码n n根据监督元与信息组之间关系可分为：分组码根据监督元与信息组之间关系可分为：分组码和卷积码和卷积码n n根据监督元与信息元之间关系可分为：线性码根据监督元与信息元之间关系可分为：线性码和非线性码和非线性码n n根据码的功能可分为：检错码和纠错码根据码的功能可分为：检错码和纠错码分类（续）分类（续）分组码分组码kkkkkkkkn工作原理工作原理n n图中，图中，n n k k，R Rk/nk/n，称为编码率。称为编码率。n n分组码的基本原理是将信息码分成分组码的基本原理是将信息码分成K K比特一组，然后将比特一组，然后将每组的比特数扩展成每组的比特数扩展成n n（n n k k），），也就是说在信息比也就是说在信息比特中插入特中插入n-kn-k个比特。个比特。n n另一种看法：将另一种看法：将2 2k k矢量空间映射到矢量空间映射到2 2n n矢量空间。矢量空间。工作原理（续）工作原理（续）n n定义几个参数：定义几个参数：码重：一组二进制码中码重：一组二进制码中“1”“1”的个数的个数码距码距d d：二组二进制码之间二组二进制码之间“0”“0”或或“1”“1”不同的位数不同的位数n n定理：定理：（1 1）为检查出）为检查出e e个错误，要求：个错误，要求：d dminmin e+1 e+1（2 2）为纠正为纠正t t个错误，要求：个错误，要求：d dminmin 2t+1 2t+1（3 3）为纠正为纠正t t个错误，同时检查出个错误，同时检查出e e个错误，要求：个错误，要求：d dminmin e+t+1 e+t+1（e e t t）n n用图说明用图说明AABB线性分组码线性分组码-举例举例n n奇偶监督码n n汉明码n nBCH码n nRS码n nCRC码奇偶监督码奇偶监督码n n采用奇偶校验原理。n n只能检错，不能纠错。只能检错，不能纠错。n n只能检查出某一分组的单个错误或奇数个错误，只能检查出某一分组的单个错误或奇数个错误，而不能发现偶数个错误。而不能发现偶数个错误。n n最小码距为最小码距为2 2。n n水平奇偶监督码水平奇偶监督码n n水平垂直奇偶监督码。水平垂直奇偶监督码。汉明汉明码码（Hamming码）码）n n是一种纠正单个错误的线性分组码。是一种纠正单个错误的线性分组码。n n特点：特点：码长码长 n=2 n=2mm-1-1信息码位信息码位 k=2 k=2n n-m-1-m-1监督码位监督码位 r=n-k=m r=n-k=m 最小码距最小码距 d=3 d=3纠错能力纠错能力 t=1 t=1n n扩展的汉明码：将监督码位由扩展的汉明码：将监督码位由mm增至增至m+1m+1，信息位信息位不变，这时最小码距增加到不变，这时最小码距增加到d=4d=4，能纠正，能纠正1 1位错误位错误同时检查出同时检查出2 2位错误。位错误。BCH码码（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem码）码）n n是线性分组码中循环码的一种重要子类，有严密是线性分组码中循环码的一种重要子类，有严密的代数结构，是目前研究较多、应用较广的一的代数结构，是目前研究较多、应用较广的一种线性分组码。种线性分组码。n n具有纠正多个随机错误的能力。具有纠正多个随机错误的能力。n n根据对纠错能力的要求，选择参数，并根据代数根据对纠错能力的要求，选择参数，并根据代数结构构造编译码算法。结构构造编译码算法。n n如：如：n=7,k=4,t=1;n=7,k=4,t=1;n=15,k=7,t=2;n=15,k=7,t=2;n=31,k=16,t=3;n=31,k=16,t=3;n=127,k=50,t=13 n=127,k=50,t=13。RS码码（Reed-Solomon码）码）n n是一种非二进制的是一种非二进制的BCHBCH码。即：在（码。即：在（n,kn,k）RSRS码中，码中，输入信息被分成输入信息被分成kmkm比特一组，每组包括比特一组，每组包括k k个符号，个符号，每个符号由每个符号由mm比特组成。比特组成。n n纠正纠正t t个符号错误的个符号错误的RSRS码参数如下：码参数如下：码长码长 n=2 n=2mm-1-1符号，符号，或或m(2m(2mm-1)-1)比特比特信息段信息段 k k符号，符号，或或kmkm比特比特监督段监督段 n-k=2t n-k=2t符号，符号，或或m(n-k)m(n-k)比特比特最小码距最小码距 d=2t+1 d=2t+1符号，符号，或或m(2t+1)m(2t+1)比特比特CRC码码（循环冗余校验码）（循环冗余校验码）n n是一种循环码，用于检错。是一种循环码，用于检错。n n具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容易实现。因而在数据通信中得到广泛应用。易实现。因而在数据通信中得到广泛应用。n n可以检测出的错误如下：可以检测出的错误如下：（1 1）突发长度）突发长度 n-kn-k的突发错误；的突发错误；（2 2）大部分突发长度）大部分突发长度n-k+1n-k+1的错误；的错误；（3 3）大部分突发长度）大部分突发长度 n-k+1n-k+1的错误；的错误；（4 4）所有与许用码组的码距）所有与许用码组的码距 d dminmin-1-1的错误；的错误；（5 5）所有奇数个随机错误。）所有奇数个随机错误。卷积码卷积码概述概述n n分组码分组码卷积码卷积码n n固定窗型固定窗型滑动窗型滑动窗型kkkkkkkknnnnnnnnkkkkkkkknnnnnnnn概述（续）概述（续）n n例：例：R R1/21/2卷积码卷积码kkkkkkkkIkakbk编码原理编码原理n n原理图编码原理（续）编码原理（续）n n几个例子返回编码原理（续）编码原理（续）n n卷积码的参数约束长度约束长度N N，输入比特输入比特k k，输出比特输出比特n n，编码率编码率R Rk/nk/n编码原理（续）编码原理（续）n n状态转移图和状态转移图和trellistrellis图表示图表示 译码原理译码原理-方法分类方法分类n n代数译码：纠错译码的经典方法。利用纠错码的代数结构，经过一定的代数运算，消除误差，恢复正确的信息。常用的有：大数译码逻辑。特点：电路简单，编码增益低。n n概率译码：纠错译码的新方法。考虑到信道的统计特性。常用的有：序列译码、维特比译码。特点：电路复杂，编码增益高。译码原理译码原理-序列译码序列译码n n原理：在码树图中每向前走一步，在决定走哪一个分支时根据该分支子码与该时刻接收子码之间的相似程度来判断。亦称为逐分支译码。n n一般采用对数似然值度量该相似程度 log P(R|C)=logiP(ri|ci)=ilog(p(ri|ci)n n堆栈译码和费诺译码 译码原理译码原理-序列译码（续）序列译码（续）n n优点运算量和约束长度无关。运算量和约束长度无关。n n缺点运算量和信道质量有关。运算量和信道质量有关。没有利用卷积码的记忆特性，不是最优算法。没有利用卷积码的记忆特性，不是最优算法。译码原理译码原理-维特比译码维特比译码n n最大后验与最大似然译码 MAP:ML:n n硬判决和软判决硬判决：解调器直接判硬判决：解调器直接判0 0，1 1软判决：解调器对输出进行量化软判决：解调器对输出进行量化译码原理译码原理-维特比译码（续）维特比译码（续）n nViterbi译码原理ViterbiViterbi译码是建立在最大似然译码基础上的译码是建立在最大似然译码基础上的译码方法译码方法在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些在译码过程中只需考虑整个路径集合中那些能使似然函数最大的路径能使似然函数最大的路径最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷最大似然序列译码要求序列有限，因此对卷积码来说，要求能收尾积码来说，要求能收尾译码原理译码原理-维特比译码（续）维特比译码（续）n nViterbi译码举例设对于编码前信息比特为设对于编码前信息比特为(0,0,0,0,0,0)(0,0,0,0,0,0)的的接收序列为接收序列为 则硬判结果为则硬判结果为 基于软判决时，采用如下路径度量基于软判决时，采用如下路径度量译码原理译码原理-维特比译码（续）维特比译码（续）Trellis图译码原理译码原理-维特比译码（续）维特比译码（续）Trellis图译码原理译码原理-维特比译码（续）维特比译码（续）n nViterbi译码的特点维特比算法是最大似然的序列译码算法维特比算法是最大似然的序列译码算法 译码复杂度与信道质量无关译码复杂度与信道质量无关 运算量和存贮量都与码长呈线性关系运算量和存贮量都与码长呈线性关系 运算量和存贮量都与状态数呈线性关系运算量和存贮量都与状态数呈线性关系 状态数随状态数随k k及及mm呈指数关系呈指数关系 Turbo码码产生背景产生背景n n交织块交织：行写入，列读出块交织：行写入，列读出卷积交织：卷积交织：产生背景（续）产生背景（续）n n串行级联码n n优点：性能较一般短码有很大改善优点：性能较一般短码有很大改善n n缺点：编码效率低；当缺点：编码效率低；当R/C 1R/C 1时性能迅速恶化时性能迅速恶化产生背景（续）产生背景（续）n n软输入软输出和迭代译码对数似然比对数似然比LLRLLR产生背景（续）产生背景（续）n n软输入软输出和迭代译码返回编译码原理编译码原理n n编码原理编译码原理（续）编译码原理（续）n n译码原理迭代译码几点说明几点说明n nTurbo码具有优越性能的原因n n寻找构造好码的规律（分量码构造，交织器构造等）n n译码延时大，译码算法复杂n n广泛应用于移动通信、军事通信、深空及卫星通信等谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH