1、通信原理课件通信原理课件第九章第九章 信道编码信道编码9.1 9.1 引言引言9.2 9.2 信道编码的基本原理信道编码的基本原理9.3 9.3 线性分组码线性分组码 9.4 9.4 循环码循环码9.5 卷积码卷积码 通信原理课件通信原理课件9.1 引言引言 由于实际信道存在噪声和干扰，使得经过信道传输后收到由于实际信道存在噪声和干扰，使得经过信道传输后收到的码字与发送码字之间存在差错。一般情况下，信道噪声的码字与发送码字之间存在差错。一般情况下，信道噪声和干扰越大，码字产生差错的可能性也就越大。信道编码和干扰越大，码字产生差错的可能性也就越大。信道编码的目的在于改善通信系统的传输质量，发现或
2、者纠正差错，的目的在于改善通信系统的传输质量，发现或者纠正差错，以提高通信系统的可靠性。以提高通信系统的可靠性。从信道编码的构造方法看，其基本思路是根据一定的规律从信道编码的构造方法看，其基本思路是根据一定的规律在待发送的信息码元中加入一些冗余的码元，这些码元称在待发送的信息码元中加入一些冗余的码元，这些码元称为监督码元，也叫校验码元。这样接收端就可以利用监督为监督码元，也叫校验码元。这样接收端就可以利用监督码元与信息码元的关系来发现或纠正错误，以使受损或出码元与信息码元的关系来发现或纠正错误，以使受损或出错的信息仍能在接收端恢复。错的信息仍能在接收端恢复。通信原理课件通信原理课件通信原理课件
3、通信原理课件9.2 信道编码的基本原理信道编码的基本原理香农的信道编码定理指出：对于一个给香农的信道编码定理指出：对于一个给定的有扰信道，如果信道容量为定的有扰信道，如果信道容量为C，只要发，只要发送端以低于送端以低于C的信息速率的信息速率R发送信息，则一发送信息，则一定存在一种编码方法，使译码差错概率随定存在一种编码方法，使译码差错概率随着码长的增加，按指数规律下降到任意小着码长的增加，按指数规律下降到任意小的值。这就是说，通过信道编码可以使通的值。这就是说，通过信道编码可以使通信过程不发生差错，或者使差错控制在允信过程不发生差错，或者使差错控制在允许的数值之下。许的数值之下。通信原理课件通
4、信原理课件9.2.1 信道编码的检错和纠错能力信道编码的检错和纠错能力是通过信息信道编码的检错和纠错能力是通过信息量的冗余度来换取的。为了便于理解，先量的冗余度来换取的。为了便于理解，先通过一个简单的例子来说明。例如，要传通过一个简单的例子来说明。例如，要传送送A和和B两个消息，可以用一个二进制码元两个消息，可以用一个二进制码元来表示一个消息，比如来表示一个消息，比如“0”码代表码代表A，“1”码表示码表示B。在这种情况下，若传输中产。在这种情况下，若传输中产生错码，即生错码，即“0”错成错成“1”，或，或“1”错成错成“0”，接收端将无法检测到差错，因此，接收端将无法检测到差错，因此，这种编
5、码没有检错和纠错能力。这种编码没有检错和纠错能力。通信原理课件通信原理课件如果用两个二进制码元来表示一个消息，有如果用两个二进制码元来表示一个消息，有4种可能的码字，即种可能的码字，即“00”、“01”、“10”和和“11”。比如规定。比如规定“00”表示消息表示消息A，“11”表示表示消息消息B。码字。码字“01”或或“10”不允许使用，称为禁不允许使用，称为禁用码字，对应地，用来表示消息的码字称为许用用码字，对应地，用来表示消息的码字称为许用码字。如果在传输消息的过程中发生一位错码，码字。如果在传输消息的过程中发生一位错码，则变成禁用码字则变成禁用码字“01”或或“10”，译码器就可判，译
6、码器就可判决为有错。这表明在信息码元后面附加一位监督决为有错。这表明在信息码元后面附加一位监督码元以后，当只发生一位错码时，码字具有检错码元以后，当只发生一位错码时，码字具有检错能力。但由于不能判决是哪一位发生了错码，所能力。但由于不能判决是哪一位发生了错码，所以没有纠错能力。以没有纠错能力。通信原理课件通信原理课件进一步，如果在信息码元之后附加两位相同的监督码进一步，如果在信息码元之后附加两位相同的监督码元，即用元，即用“000”代表消息代表消息A，“111”表示表示B。由于。由于3位的位的二元码有二元码有8种组合，除去种组合，除去2组许用码字外，余下的组许用码字外，余下的6组组001、01
7、0、100、011、101、110均为禁用码字。此时，如均为禁用码字。此时，如果传输中产生一位错误，接收端将收到禁用码字，可以判果传输中产生一位错误，接收端将收到禁用码字，可以判决传输有错，而且还可以根据决传输有错，而且还可以根据“大数法则大数法则”来译码，即来译码，即3位码字中如有位码字中如有2个或个或3个个“0”，则译为消息，则译为消息A；如有；如有2个或个或3个个“1”，则译为消息，则译为消息B。所以，此时可以纠正一位错码。所以，此时可以纠正一位错码。如果在传输中产生两位错码，接收端也将收到禁用码字，如果在传输中产生两位错码，接收端也将收到禁用码字，译码器仍可检错，但是不再具有纠错能力。
8、如果在传输中译码器仍可检错，但是不再具有纠错能力。如果在传输中产生三位错码，接收端收到是许用码字，这时不再具有检产生三位错码，接收端收到是许用码字，这时不再具有检错能力。因此，这时的信道编码具有检出两位和两位以下错能力。因此，这时的信道编码具有检出两位和两位以下错码的能力或者具有纠正一位错码的能力。错码的能力或者具有纠正一位错码的能力。通信原理课件通信原理课件编码中的几个定义编码中的几个定义 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件9.2.2 信道编码的译码方法通信原理课件通信原理课件一、最大后验概率（一、最大后验概率（MAP）译码）译码通信原理课件通信原理课件二、最大似然（二、最大似
9、然（ML）译码）译码通信原理课件通信原理课件三、最小汉明距离译码三、最小汉明距离译码通信原理课件通信原理课件9.3 线性分组码线性分组码 通信原理课件通信原理课件图图9-3 (n，k）线性分组码为系统码的结构）线性分组码为系统码的结构通信原理课件通信原理课件9.3.1线性分组码的编码在介绍线性分组码的原理之前，首先我在介绍线性分组码的原理之前，首先我们来看一种简单而又常用的线性分组码们来看一种简单而又常用的线性分组码奇偶监督码（也称为奇偶校验码），分奇偶监督码（也称为奇偶校验码），分为奇数监督码和偶数监督码。无论信息码为奇数监督码和偶数监督码。无论信息码元有多少，监督码元只有一位。在偶数监元有
10、多少，监督码元只有一位。在偶数监督码中，监督码元的加入使得每个码字中督码中，监督码元的加入使得每个码字中“1”的数目为偶数；在奇数监督码中，监的数目为偶数；在奇数监督码中，监督码元的加入使得每个码字中督码元的加入使得每个码字中“1”的数目的数目为奇数。为奇数。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件线性分组码的编码原理线性分组码的编码原理 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件生成矩阵和监督矩阵的联系生成矩阵和
11、监督矩阵的联系 通信原理课件通信原理课件9.3.2 线性分组码的译码通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件9.3.3 汉明码 通信原理课件通信原理课件9.4 循环码循环码在线性分组码中，有一种重要的码称为在线性分组码中，有一种重要的码称为循环码。它除了具有线性分组码的一般特循环码。它除了具有线性分组码的一般特点，还具有循环性：若循环码中任一码字点，还具有循环性：若循环码中任一码字的码元循环移位（左移或右移）后仍是该的码元循环移位（左移或右移）后仍是该码的一个码字。由于循环码是在严密的现码的一个码字。由于循环码是在严密的现代代数理论的基础上发展起来的，其编码代代数理论的基础上发展起来的
12、，其编码和译码的电路较简单，且它的检、纠错能和译码的电路较简单，且它的检、纠错能力较强，目前它已成为研究最深入、理论力较强，目前它已成为研究最深入、理论最成熟、应用最广泛的一类线性分组码。最成熟、应用最广泛的一类线性分组码。通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件9.4.1 循环码的码多项式通信原理课件通信原理课件多项式的按模运算多项式的按模运算 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件 9.4.2 循环码的生成多项式和生成矩阵 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件9.4.3 循环码的检错和纠错通信原理课件通信原理课件9.4.4 循环码的编码
13、和译码电路循环码最引人注目的特点有两个：一是循环码最引人注目的特点有两个：一是由于循环码有许多固有的代数结构，从而由于循环码有许多固有的代数结构，从而可以找到各种简单实用的译码方法；二是可以找到各种简单实用的译码方法；二是用反馈线性移位寄存器可以很容易地实现用反馈线性移位寄存器可以很容易地实现其编码和监督子的计算。其编码和监督子的计算。通信原理课件通信原理课件一、循环码的编码电路一、循环码的编码电路通信原理课件通信原理课件图图 9-4 （7，4）循环码的编码电路）循环码的编码电路通信原理课件通信原理课件二、循环码的译码电路二、循环码的译码电路通信原理课件通信原理课件图图9-5 （7，4）循环码
14、的译码电路示意图）循环码的译码电路示意图通信原理课件通信原理课件9.5 卷积码卷积码通信原理课件通信原理课件9.5.1卷积码的解析表示通信原理课件通信原理课件图图9-6 (3，1，2)卷积码编码器卷积码编码器通信原理课件通信原理课件一、生成矩阵和监督矩阵一、生成矩阵和监督矩阵通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件监督矩阵监督矩阵 通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件二、多项式表示二、多项式表示通信原理课件通信原理课件通信原理课件通信原理课件9.5.2卷积码的图形描述以图以图9-6所示的（所示的（3，1，2）卷积码编码器为例来
15、说）卷积码编码器为例来说明其工作过程。假设移位寄存器的起始状态全为零。当第明其工作过程。假设移位寄存器的起始状态全为零。当第一个输入比特为一个输入比特为“0”时，输出的子码为时，输出的子码为000；若当第一个；若当第一个输入比特为输入比特为“1”时，输出的子码为时，输出的子码为111。当输入第二比特。当输入第二比特时，第一比特右移一位，此时的输出比特显然与当前输入时，第一比特右移一位，此时的输出比特显然与当前输入比特和前一输入比特有关。当输入第三比特时，第一比特比特和前一输入比特有关。当输入第三比特时，第一比特和第二比特都右移一位，此时的输出比特显然与当前输入和第二比特都右移一位，此时的输出比
16、特显然与当前输入比特和前二位输入比特有关。当输入第四比特时，第二比比特和前二位输入比特有关。当输入第四比特时，第二比特和第三比特都右移一位，此时的输出比特与当前输入比特和第三比特都右移一位，此时的输出比特与当前输入比特和前二个输入比特有关，而这时第一比特已经不再影响特和前二个输入比特有关，而这时第一比特已经不再影响当前的输入比特了。编码器在移位过程中可能产生的各种当前的输入比特了。编码器在移位过程中可能产生的各种序列，可用树状图来描述。序列，可用树状图来描述。通信原理课件通信原理课件图图9-7给出了卷积码的树状图。由树状图，给出了卷积码的树状图。由树状图，已知输入信息序列就可以得到输出序列，已
17、知输入信息序列就可以得到输出序列，当输入码元是当输入码元是0时，则由节点出发走上支路；时，则由节点出发走上支路；当输入码元是当输入码元是1时，则由节点出发走下支路。时，则由节点出发走下支路。例如当输入编码器的信息序列为例如当输入编码器的信息序列为0110时，时，输出的序列为输出的序列为000 111 101 011 。通信原理课件通信原理课件图图9-7 卷积码的树状图卷积码的树状图通信原理课件通信原理课件9.5.3卷积码的几种译码方法卷积码有三种主要的译码方法：序列译码、门限译码和最大似然卷积码有三种主要的译码方法：序列译码、门限译码和最大似然译码。译码。1957年伍成克拉夫年伍成克拉夫(Wo
18、zencraft)提出了一种有效的译码方提出了一种有效的译码方法，即序列译码。法，即序列译码。1963年梅西年梅西(Massey)提出了一种性能稍差，但提出了一种性能稍差，但比较实用的门限译码方法。比较实用的门限译码方法。1967年维特比年维特比(Viterbi)提出了最大似然提出了最大似然译码法，它又称为维特比译码。门限译码是一种代数译码法，序列译译码法，它又称为维特比译码。门限译码是一种代数译码法，序列译码和维特比最大似然译码都是概率译码。码和维特比最大似然译码都是概率译码。代数译码利用编码本身得代数结构进行解码，并不考虑信道的统代数译码利用编码本身得代数结构进行解码，并不考虑信道的统计特
19、性。比如门限译码，它以分组码理论为基础，其主要特点是算法计特性。比如门限译码，它以分组码理论为基础，其主要特点是算法简单，易于实现，但是它的误码性能要比概率译码差。它的译码方法简单，易于实现，但是它的误码性能要比概率译码差。它的译码方法是从线性码的监督子出发，找到一组特殊的能够检查信息位置是否发是从线性码的监督子出发，找到一组特殊的能够检查信息位置是否发生错误的方程组，从而实现纠错译码。生错误的方程组，从而实现纠错译码。概率译码的基本思想是：把已经接收到的序列与所有可能的发送概率译码的基本思想是：把已经接收到的序列与所有可能的发送序列相比较，选择其中汉明距离最小的一个序列作为发送序列。维特序列
20、相比较，选择其中汉明距离最小的一个序列作为发送序列。维特比译码是目前用得较多的一种译码方法。它是一种最大似然译码，其比译码是目前用得较多的一种译码方法。它是一种最大似然译码，其译码的复杂性均随译码的复杂性均随m按指数增长。最大似然译码对存储器级数较小的按指数增长。最大似然译码对存储器级数较小的卷积码很容易实现，被广泛地应用于现代通信中。随着大规模集成电卷积码很容易实现，被广泛地应用于现代通信中。随着大规模集成电路技术的发展，对存储器级数较大的卷积码也可以采用最大似然译码。路技术的发展，对存储器级数较大的卷积码也可以采用最大似然译码。目前维特比译码已经得到了广泛的应用。目前维特比译码已经得到了广泛的应用。
