数字信号处理中的信道编码毕业设计Word下载.doc

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Thepaperintroducesthesystemframeworkandbasicprincipleofdigitalcommunication.Andthen,reviewedthedevelopmenthistoryofthechannelcodingtechnology;

introducedandusedMatlabtosimulatelinearblockcode、convolutioncode、RScodeandTurbocode.Analysisthesimulationresult,anddeduceeffectivecodingschemeinordertomakecommunicationtransmitdataefficaciouslyandreliablywhenevertheenvironmentisgoodorrelativelycomplexwithit.

KEYWORDS:

RSCode.,ConvolutionalCode,TurboCode

第一章绪论

1.1信道编码研究背景及意义

随着现代无线通信技术的迅猛发展，数字信号已经逐渐取代了模拟信号成为主要的传输信号类型，与模拟信号相比较，数字通信具有高抗干扰能力，易于加密提高保密性，可以使用现代数字信号处理技术等优势。

通信的目的就是要高速、可靠的把信息从发送端传递到接收端，随着用户对通信质量和实时性等要求的不断提高，通信需要具备更高可靠性、更高速率、更低复杂度等性能。

然而，在实际的通信系统中，由于被传输数据无法避免的会受到一定的干扰和噪声等的影响，这就导致接收端接收到的信息和发送端实际发送的信息之间存在一定的差错，信号就存在一定程度的失真。

在实际应用中，衡量一个通信系统的优劣，其中的两个指标最为重要，即有效性和可靠性，同时它们也是通信技术设计的重要部分。

然而，从信息传输角度来考虑，既要提高通信系统的有效性（即传输速率）又要提高通信系统的可靠性往往是相互矛盾的。

为了提高可靠性，可以在二进制信息序列中以受控的方式引入一些冗余码元（即监督码元），使他们满足一定的约束关系，以期达到检错和纠错的目的。

但是，由于添加了冗余码元（监督码元），导致传输信息的速率下降；

同时，为了提高有效性，信号以简洁、快速的方式传输，这样在遭到干扰和噪声时，其自我保护能力大大下降，从而降低了传输的可靠性。

于是，在实际通信的应用中，采比较折中的方式，可在确保可靠性指标达到系统要求的前提下，尽可能的提高传输的速率；

抑或在一定有效性的指标下，尽量提高传输的可靠性。

通信技术一直致力于提高信息传输的有效性和可靠性，其中保证通信的可靠性是现代数字通信系统需要解决的首要问题。

由于信道的特性复杂，当调制好的信号在信道里进行传输的时候，必然要受到信道的影响，信道的影响可以分成以下三个主要方面：

第一是信道本身对信号的产生的衰落：

由于信道本身频率响应特性不理想，造成对信号的破坏；

第二是信道中的各种噪声，如背景噪声，脉冲噪声等等，这些噪声叠加在信号上面，改变信号的幅度、相位和频率，使信号在解调时产生错误；

第三，是信号在传输过程中由于反射或沿不同路径传播从而带来的叠加效应，即多径效应，这会带来时间上前后信号互相干扰。

总之这三种加性干扰都会导致在接收端信号解调的错误，使系统的误码率大大增加。

导致了其在无线信道中传输过程极易受到干扰而使码元波形变坏，所以传输到接收端后可能发生错误判决。

信道的信道编码技术正是用来改善通信可靠性问题的主要技术手段之一。

实际应用中，一个通信系统一般包含信道编码和信道译码两个模块。

信道编码的主要目的是为了降低误比特率，提高数字通信的可靠性，其方法是在二进制信息序列中添加一些冗余码元（监督码元），与信息码元一起组成被传输的码字。

这些冗余码元是以受控的方式引入，它们与信息码元间有着相互制约的关系。

当在信道中传输该码字，如果错误发生，信息码元和冗余码元之间相互制约的关系就会被破坏。

那么在接收端对接收到的信息序列按照既定的规则校验码字各码元的约束关系，从而达到检错、纠错的目的。

通过信道编码这种方法，可以有效的在接收端克服信号在无线信道中传输时受到噪声和干扰产生的影响。

信道译码也就是信道编码的逆过程，即接收端将接收信息序列按照既定约束关系，同时去掉比特流在传播过程中混入的噪声干扰和添加的冗余，恢复比较完整、可靠的信息的过程。

对于一个无线信道来说，非线性、时变、多普勒频移等信道特征和来自外界的干扰等等因素，会使得数据经无线信道后总会产生一定的差错，因此，信道编码在数字通信中必不可少。

信道编码的方式有很多，例如线性分组码、卷积码、Turbo码等等。

在第3代移动通信系统中，一般情况下，卷积编码方式多用于实时业务，Turbo编码方式多用于非实时业务。

1.2信道编码技术的发展历史

1948年香农（Shannon）发表《通信的数学理论》这篇文章，该文章对信道编码技术的展有着举足轻重的作用，从此信道编码技术的研究方向开始变得明确。

在接下来的近五十年，各种新的信道编码方案也不断被研究者们研究出来，且这些编码方案的性能与最佳限（香农最佳极限）逐渐接近。

到1958年，主要的编码方案有汉明码和格雷码等。

Shannon指出，在信息传输速率R小于或等于信道容量C，即R≤C时，可以通过信道编码的方法来实现可靠通信，可是Shannon只提出了这种理论，却未给出具体实现的方法。

1950年R.Hamming针对计算机经常出现的问题编写了使计算机能在正常运行的过程中具备检错、纠错性能的解决程序。

Hamming编写的程序主要思想为：

将输入的信息比特分组，且每组含有四个比特，然后计算每组四个比特之间的线性组合方程式，并求出三个冗余比特（校验比特）。

由此，每组中除了含有四个信息比特，还含有三个冗余比特，它们共同组成待传送的码字。

将含有七个比特的码字输入到计算机，计算机利用其中的三个冗余比特，根据某种规则和算法，达到检错和纠错的目的。

汉明码是分组码中的一种，它的编码思想也是分组码的编码思想，且这种编码方案后来被称之为汉明码。

汉明码是在原编码的基础上附加一部分代码，使其满足纠错码的条件。

它属于线性分组码，由于线性码的编码和译码能轻易实现，至今仍是应用最广泛的一类码。

汉明码的抗干扰能力较强，但付出的代价也很大，比如8比特汉明码有效信息只有总编码长度的一半，可以纠正1个差错发现2个差错。

在实际应用中经常存在各种突发干扰，使连续多位数据发生差错。

为了纠正3个以上的差错，就要加大码距，使代码冗余度大大增加，通信效率下降。

虽然汉明码的思想是比较先进的，但是它也存在许多难以接受的缺点。

首先，汉明码的编码效率比较低，它每4个比特编码就需要3个比特的冗余校验比特。

另外，在一个码组中只能纠正单个的比特错误。

格雷码（GrayCode）是由法国工程师Jean-Maurice-EmlleBaudot提出的一种编码，而因1953年FrankGray申请专利而得名。

格雷码又叫循环二进制码或反射二进制码，在数字系统中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，格雷码是一种无无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。

格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式。

但格雷码不是权重码，每一位码没有确定的大小，不能直接进行比较大小和算术运算，要经过一次码变换，变成自然二进制码，再由上位机读取。

解码的方法是用‘0’和采集来的4位格雷码的最高位（第4位）异或，结果保留到4位，再将异或的值和下一位（第3位）相异或，结果保留到3位，再将相异或的值和下一位（第2位）异或，结果保留到2位，依次异或，直到最低位，依次异或转换后的值（二进制数）就是格雷码转换后自然值的值。

20世纪60年代到20世纪70年代期间，人们越来越重视编码理论在实际系统中的应用研究，这个期间是信息编码的两个重要的发展期，很多性能优异的分组码结构被提出。

BCH码就是这个时候被提出来的，它属于循环码中的一种。

在这个时期，BCH码得到了很好的发展，并且编码增益性能也越来越凸显，在频带有效性不变的前提下，BCH码比上个时期最优秀的Gray码有近2dB新的编码增益。

在这个时期出现了很多译码方法，如迭代译码、门限译码等等，尤其是卷积码的最优译码算法——Viterbi译码方法。

Viterbi译码方法能使卷积码的译码变得具有更高效率、更快的速度，从此信道编码的实用化有了更快的发展。

20世纪80年代之后，信道编码开始了它的第三个发展阶段。

这个阶段出现的信道编码方案的特点为：

抗干扰能力更强，频带利用率更高，且其性能与香农极限更加靠近。

20世纪90年代到21世纪期间，信道编码研究极其活跃，具有历史意义的Turbo码就是这个时候被提出。

1993年C．Berrou在IEEE国际通信会议上，发表《NearShannonlimiterror-correctingcodinganddecoding:

Turbocode》一文。

此文讲述了Turbo码结构，并证实利用Turbo码作为信道编码，当信噪比BEN0.7dBb0≥时（Shannon限为EN0dBb0=），其误码率BER≤。

具有如此优异性能的Turbo码在当时引起了轰动，受到了广泛的关注。

从此，Turbo码成为信道编码领域的研究热点，并在这个时期得到了很好的发展。

Turbo码的提出具有非常深远的历史意义，其优异的性能标志着信道编码理论与技术进入全新的研究阶段，以往利用信道截止速率作为实际容量的时期将不复存在。

LDPC码（低密度奇偶校验码，LowDensityParityCheckCode，LDPC），最早是1963年由麻省理工学院RobertG.Gallager博士提出。

LDPC码的性能非常优秀，几乎逼近香农限，且任何信道都能适用。

但是，其译码算法却非常复杂，且当时的研究技术条件有限，在LDPC码被提出后并没有收到广大学者的关注。

直到1993年Berrou等人发现了Turbo码，在此基础上，1995年前后MacKay和Neal等人对LDPC码重新进行了研究，并提出广为大众接受的译码算法，更进一步证实了该码优异的性能。

接下来的十多年里，研究人员对LDPC码的研究有了突破性的进展，使得LDPC码的性能更加接近香农限，而且对它的编译码理论描述变得简单，现实实现也变得可行。

到现在，对LDPC码的研究已经非常成熟，并进入了无线通信等相关领域的标准。

1.3信道编码技术的应用

信道编码技术在提高数据传输效率，降低误比特率方面起到很大的作用，其应用领域也非常宽广，包括卫星通信、移动通信、光纤通信等。

1、卫星通信

卫星通信必须通过卫星来实现，在通信的过程中，由于受到卫星本身放大器件、天线尺寸、遥远通信路径以及宇宙中其它星体等因素的影响，卫星通信信道有着功率受限、通信链路远、时延大、易受周围环境干扰等特点。

信道编码技术作为保证信息有效、可靠传输的有效手段而被广泛应用于各种卫星通信系统，通过信道编码能在带宽有限、信噪比较低的条件下实现信息的有效、可靠传送，以达到节省发射机功率、提高频谱利用效率的目的。

2、移动通信

移动通信方式可以提供相对于固定电话来说灵活、高效的通信方式，但是移动通信系统的研究、开发与实现也会复杂很多。

移动通信主要是以无线电波的方式传输信号，因此在远距离传输时，损耗、衰落都会影响通信质量。

为应对这些技术难题，数字移动通信系统问世后，包含信道编码在内的各种数字信号处理技术得到了很大的发展。

3、光纤通信

系统性能因受到信道自身物理特性及外界的影响而大大下降。

前向纠错编码技术（ForwardErrorCorrection，FEC）是应用在光纤通信中的一个重要信道编码方案，通过信道编码达到降低系统误比特率的目的。

1.4本文的主要研究内容与组织结构

本文的主要研究内容是：

在不同信道环境下，通信总会受到不同程度的干扰和噪声，这就需要纠错检错能力比较强的信道编码方法。

课题旨在设计出一种信道编码方案，研究的主要内容有：

研究、分析数字通信系统的基本框架与工作原理；

研究、分析信道编码的基本原理，结合理论利用Matlab实现其算法的仿真，并分析仿真结果由此设计出本课题的信道编码方案；

将设计的编码方案应用在远程水质监测系统上，在进行数据传输的过程中，首先利用信道编码方案对发送数据进行编码，然后在接收端对接收的数据进行译码，由此完成信道编解码过程，并对收发的数据进行比较和分析，得出结论。

本文的主要结构如下：

第一章绪论。

主要介绍课题的研究目的、发展现状、课题应用及研究的主要内容。

第二章为数字通信的基本理论。

对数字通信系统和无线信道做简单理论的介绍。

第三章介绍信道编码的基本原理。

这一章主要介绍信道编码的基本概念以及信道编码的分类。

第四章重点讨论线性分组码、卷积码、RS码以及Turbo码的理论，并利用Matlab仿真并分析其性能。

第五章是数字通信系统中信道编码技术的应用。

在第四章的基础上，结合实际的数字通信系统，设计出有效的信道编码方案并应用于实际。

第二章数字通信的基本理论

2.1数字通信系统简介

采用数字/模拟信号作为消息载体的通信方式就是数字/模拟通信。

一般而言，数字通信系统主要包含用来传输信息的传输系统和用来存储信息的计算机存储系统，数字通信系统模型主要构成模块和功能性框图如图2.1所示。

图2.1数字通信系统模型

在数字通信系统中，原始信号在信源部分分为模拟信号和数字信号，例如，无线电与电视广播中的电磁波、电话传输中的音频信号等等都属于模拟信号；

DVD光盘向外输出的则是数字信号。

信源编码的目的是为了减少码元数目和降低码元速率，即数据压缩；

另一个作用是为了将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。

经过信源编码器模块编码后输出的“0”、“1”序列，再经过为增强信息保密性的加密模块处理后被传送到信道编码器。

由于信号在传送的过程中会受到来自外界及信道自身因素等的不同程度的干扰导致信号存在一定的失真，所以，信道编码器对接收到的信号进行编码，编码的方法是在信号中按照一定的规则加入一些冗余码，目的是为了克服信号在传输时因噪声和外界干扰等引起的失真。

实际上，所增加的冗余本质上是用来提高接收端接收到的数据的可靠性，和提高接收信号的逼真度的。

二进制信号经过信道编码后发送端的发送机将其发送到通信信道接口设备——调制器。

信道输信号时，通常是以波形的形式进行传输，故在此使用一个调制器，它的作用是将信息序列变换成信号波形的形式以适应信道的传输。

信号波形在信道中传输，在这个过程中信号波形必定存在一定程度的失真。

解调器对失真后的波形进行恢复，主要目的是为了将该波形恢复为与发送端类型尽可能相匹配的二进制序列。

但是，这个二进制序列只是对发送端发送的二进制序列最大限度的估计，与原始的发送序列相比仍然存在着一定的错误。

这时，将它们传送给信道解码器，信道解码器按照与信道编码器相对应的编码规则，对接收到的信号进行译码。

经信道译码后的信号再由与发送端的加密器相对应的方法进行解密。

信源解码器则是对接收到的消息重构成原始的数字信号或者模拟信号。

一般通信系统的主要性能指标如表2.1。

表2.1通信系统的主要性能指标

性能指标

解释

可靠性

即传输消息的能力或可靠性

有效性

即传输消息的“速率”

适应性

即系统对使用环境的条件选择

保密性

即系统在发送端对信号进行加密处理

数字通信的主要优点：

（1）、抗噪声能力以及抗干扰能力强。

数字通信抗噪声性能主要体现在微波中继通信中，用离散的电平来表示二进制“0”和“1”，当通信信道中发生噪声时，利用抽样判决电平将数字信号进行分离，在无错码发生的情况下，再生的数字信号能去除噪声叠加，消除噪声积累。

因此，无论中继站有多少，数字通信依旧具有很好的通信质量。

（2）、具有差错可控的能力。

利用数字通信系统中的信道编码，发送端发送的数字信号在传输过程中出现的错误（差错），可以利用信道编码技术来检测和纠正以降低误比特率，以增强通信的可靠性。

（3）、保密性好。

通过一些逻辑运算，对传输信号进行加密编码，可以改变信息的表现形式。

数字信号与模拟信号相比，更加易于进行加密、解密操作。

相对于模拟通信而言，数字通信的主要劣势为：

（1）、低频带利用率。

模拟信号占用的频带相对较窄，假如通信系统传输的带宽一定，与数字通信相比较，模拟通信的频带利用率高。

（2）、需要严格的同步系统。

在数字通信中，要准确的恢复信号，必须要求接收端和发送端保持同步，因此，要达到这种要求，数字通信系统和设备都会比较复杂。

2.2无线信道

通信信道其实是物理媒介，它的主要作用是起到一种桥梁的作用，将发送机输出的信号传输给接收机。

信道的一般组成如图2.2所示。

图2.2信道的一般组成图

调制信道包括三部分，分别是发转换器装置、媒质和收转换器装置。

调制信道主要用于研究和分析调制与解调的问题，例如调制器输入端的信号与噪声之间的特性以及输出的信号形式。

编码信道有三个部分，分别是调制器、调制信道以及解调器。

编码与译码问题是编码信道的主要研究问题，在数字通信系统中，采用编码信道能够使分析问题相对变得简单。

编码信道的主要作用是对输入信号序列按照一定规则，插入冗余代码，使其输出信号序列相对于输入信号序列发生改变。

如果用概率来描述，将P（x/y）表示发送端发“y”码，接收端收到为“x”码的概率。

对于二进制数字通信系统，其信道模型如图2.3所示。

图2.3二进制编码信道模型

P（0）、P

（1）表示发送“0”与“1”的先验概率，P（0/0）与P（1/1）表示正确转移的概率，而P（0/1）与P（1/0）表示不正确的转移概率。

外界干扰、噪声越多，传输发生的错误就会越多，即P（0/1）与P（1/0）的值就越大。

P（0/0）=1-P（1/0）（2.1）

P（1/1）=1-P（0/1）（2.2）

输出的错误率和为：

=P（0）P（1/0）+P

（1）P（0/1）

转移概率取决于编码信道的特性，如果信道一定，那么它的转移概率也是确定不变的。

由于物理媒质的不定性，无线信道发生时变冲击响应。

因此无线信道的数学模型具有时变、多径的特征，且每条路径的衰落因子也是时变的，也就是在通信时信号会通过多条路径传输，接收端接收到的信号会不同.

第三章信道编码

3.1信道编码简介及其意义

由Shannon定理，信道容量C=W×

（