信道編碼技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2007/8/20 0:00:00 訪問次數(shù):550
數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因,使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼,從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié),對數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理,使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力,可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性內(nèi)插等。
提高數(shù)據(jù)傳輸效率,降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。但信道編碼會(huì)使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少,信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元,從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的,這就是我們常常說的開銷。這就好象我們運(yùn)送一批玻璃杯一樣,為了保證運(yùn)送途中不出現(xiàn)打爛玻璃杯的情況,我們通常都用一些泡沫或海棉等物將玻璃杯包裝起來,這種包裝使玻璃杯所占的容積變大,原來一部車能裝5000各玻璃杯的,包裝后就只能裝4000個(gè)了,顯然包裝的代價(jià)使運(yùn)送玻璃杯的有效個(gè)數(shù)減少了。同樣,在帶寬固定的信道中,總的傳送碼率也是固定的,由于信道編碼增加了數(shù)據(jù)量,其結(jié)果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價(jià)了。將有用比特?cái)?shù)除以總比特?cái)?shù)就等于編碼效率了,不同的編碼方式,其編碼效率有所不同。
數(shù)字電視中常用的糾錯(cuò)編碼,通常采用兩次附加糾錯(cuò)碼的前向糾錯(cuò)(FEC)編碼。RS編碼屬于第一個(gè)FEC,188字節(jié)后附加16字節(jié)RS碼,構(gòu)成(204,188)RS碼,這也可以稱為外編碼。第二個(gè)附加糾錯(cuò)碼的FEC一般采用卷積編碼,又稱為內(nèi)編碼。外編碼和內(nèi)編碼結(jié)合一起,稱之為級聯(lián)編碼。級聯(lián)編碼后得到的數(shù)據(jù)流再按規(guī)定的調(diào)制方式對載頻進(jìn)行調(diào)制。
前向糾錯(cuò)碼(FEC)的碼字是具有一定糾錯(cuò)能力的碼型,它在接收端解碼后,不僅可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,而且能夠判斷錯(cuò)誤碼元所在的位置,并自動(dòng)糾錯(cuò)。這種糾錯(cuò)碼信息不需要儲(chǔ)存,不需要反饋,實(shí)時(shí)性好。所以在廣播系統(tǒng)(單向傳輸系統(tǒng))都采用這種信道編碼方式。
下圖是糾錯(cuò)碼的各種類型:
1、RS編碼
RS碼即里德-所羅門碼,它是能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼,RS碼為(204,188,t=8),其中t是可抗長度字節(jié)數(shù),對應(yīng)的188符號(hào),監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段)。實(shí)際中實(shí)施(255,239,t=8)的RS編碼,即在204字節(jié)(包括同步字節(jié))前添加51個(gè)全“0”字節(jié),產(chǎn)生RS碼后丟棄前面51個(gè)空字節(jié),形成截短的(204,188)RS碼。RS的編碼效率是:188/204。
2、卷積碼
卷積碼非常適用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤,但是,解碼算法本身的特性卻是:如果在解碼過程中發(fā)生錯(cuò)誤,解碼器可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊, RS碼適用于檢測和校正那些由解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤。所以卷積碼和RS碼結(jié)合在一起可以起到相互補(bǔ)償?shù)淖饔。卷積碼分為兩種:
(1)基本卷積碼:
基本卷積碼編碼效率為,η=1/2, 編碼效率較低,優(yōu)點(diǎn)是糾錯(cuò)能力強(qiáng)。
(2)收縮卷積碼:
如果傳輸信道質(zhì)量較好,為提高編碼效率,可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為:η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。
編碼效率高,一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试龃?但糾錯(cuò)能力越減弱。
3、Turbo碼
1993 年誕生的Turbo 碼,單片Turbo 碼的編碼/解碼器,運(yùn)行速率達(dá)40Mb/s。該芯片集成了一個(gè)32×32 交織器,其性能和傳統(tǒng)的RS 外碼和卷積內(nèi)碼的級聯(lián)一樣好。所以Turbo碼是一種先進(jìn)的信道編碼技術(shù),由于其不需要進(jìn)行兩次編碼,所以其編碼效率比傳統(tǒng)的RS+卷積碼要好。
4、交織
在實(shí)際應(yīng)用中,比特差錯(cuò)經(jīng)常成串發(fā)生,這是由于持續(xù)時(shí)間較長的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到幾個(gè)連續(xù)的比特,而信道編碼僅在檢測和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長的差錯(cuò)串時(shí)才最有效(如RS只能糾正8個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤)。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤,可以運(yùn)用交織技術(shù)來分散這些誤差,使長串的比特差錯(cuò)變成短串差錯(cuò),從而可以用前向碼對其糾錯(cuò),例如:在DVB-C系統(tǒng)中,RS(204,188)的糾錯(cuò)能力是8個(gè)字節(jié),交織深度為12,那么糾可抗長度為8×12=96個(gè)字節(jié)的突發(fā)錯(cuò)誤。
實(shí)現(xiàn)交織和解交織一般使用卷積方式。
交織技術(shù)對已編碼的信號(hào)按一定規(guī)則重新排列,解交織后突發(fā)性錯(cuò)誤在時(shí)間上被分散,使其類似于獨(dú)立發(fā)生的隨機(jī)錯(cuò)誤,從而前向糾錯(cuò)編碼可以有效的進(jìn)行糾錯(cuò),前向糾錯(cuò)碼加交積的作用可以理解為擴(kuò)展了前向糾錯(cuò)的可抗長度字節(jié)。糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編碼一般要求的交織深度相對較低。糾錯(cuò)能力弱的則要求更深的交織深度。
下圖是交織的原理圖:
數(shù)字信號(hào)在傳輸中往往由于各種原因,使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼,從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié),對數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理,使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力,可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)、交織、線性內(nèi)插等。
提高數(shù)據(jù)傳輸效率,降低誤碼率是信道編碼的任務(wù)。信道編碼的本質(zhì)是增加通信的可靠性。但信道編碼會(huì)使有用的信息數(shù)據(jù)傳輸減少,信道編碼的過程是在源數(shù)據(jù)碼流中加插一些碼元,從而達(dá)到在接收端進(jìn)行判錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的,這就是我們常常說的開銷。這就好象我們運(yùn)送一批玻璃杯一樣,為了保證運(yùn)送途中不出現(xiàn)打爛玻璃杯的情況,我們通常都用一些泡沫或海棉等物將玻璃杯包裝起來,這種包裝使玻璃杯所占的容積變大,原來一部車能裝5000各玻璃杯的,包裝后就只能裝4000個(gè)了,顯然包裝的代價(jià)使運(yùn)送玻璃杯的有效個(gè)數(shù)減少了。同樣,在帶寬固定的信道中,總的傳送碼率也是固定的,由于信道編碼增加了數(shù)據(jù)量,其結(jié)果只能是以降低傳送有用信息碼率為代價(jià)了。將有用比特?cái)?shù)除以總比特?cái)?shù)就等于編碼效率了,不同的編碼方式,其編碼效率有所不同。
數(shù)字電視中常用的糾錯(cuò)編碼,通常采用兩次附加糾錯(cuò)碼的前向糾錯(cuò)(FEC)編碼。RS編碼屬于第一個(gè)FEC,188字節(jié)后附加16字節(jié)RS碼,構(gòu)成(204,188)RS碼,這也可以稱為外編碼。第二個(gè)附加糾錯(cuò)碼的FEC一般采用卷積編碼,又稱為內(nèi)編碼。外編碼和內(nèi)編碼結(jié)合一起,稱之為級聯(lián)編碼。級聯(lián)編碼后得到的數(shù)據(jù)流再按規(guī)定的調(diào)制方式對載頻進(jìn)行調(diào)制。
前向糾錯(cuò)碼(FEC)的碼字是具有一定糾錯(cuò)能力的碼型,它在接收端解碼后,不僅可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,而且能夠判斷錯(cuò)誤碼元所在的位置,并自動(dòng)糾錯(cuò)。這種糾錯(cuò)碼信息不需要儲(chǔ)存,不需要反饋,實(shí)時(shí)性好。所以在廣播系統(tǒng)(單向傳輸系統(tǒng))都采用這種信道編碼方式。
下圖是糾錯(cuò)碼的各種類型:
1、RS編碼
RS碼即里德-所羅門碼,它是能夠糾正多個(gè)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)碼,RS碼為(204,188,t=8),其中t是可抗長度字節(jié)數(shù),對應(yīng)的188符號(hào),監(jiān)督段為16字節(jié)(開銷字節(jié)段)。實(shí)際中實(shí)施(255,239,t=8)的RS編碼,即在204字節(jié)(包括同步字節(jié))前添加51個(gè)全“0”字節(jié),產(chǎn)生RS碼后丟棄前面51個(gè)空字節(jié),形成截短的(204,188)RS碼。RS的編碼效率是:188/204。
2、卷積碼
卷積碼非常適用于糾正隨機(jī)錯(cuò)誤,但是,解碼算法本身的特性卻是:如果在解碼過程中發(fā)生錯(cuò)誤,解碼器可能會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性錯(cuò)誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊, RS碼適用于檢測和校正那些由解碼器產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤。所以卷積碼和RS碼結(jié)合在一起可以起到相互補(bǔ)償?shù)淖饔。卷積碼分為兩種:
(1)基本卷積碼:
基本卷積碼編碼效率為,η=1/2, 編碼效率較低,優(yōu)點(diǎn)是糾錯(cuò)能力強(qiáng)。
(2)收縮卷積碼:
如果傳輸信道質(zhì)量較好,為提高編碼效率,可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為:η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。
編碼效率高,一定帶寬內(nèi)可傳輸?shù)挠行П忍芈试龃?但糾錯(cuò)能力越減弱。
3、Turbo碼
1993 年誕生的Turbo 碼,單片Turbo 碼的編碼/解碼器,運(yùn)行速率達(dá)40Mb/s。該芯片集成了一個(gè)32×32 交織器,其性能和傳統(tǒng)的RS 外碼和卷積內(nèi)碼的級聯(lián)一樣好。所以Turbo碼是一種先進(jìn)的信道編碼技術(shù),由于其不需要進(jìn)行兩次編碼,所以其編碼效率比傳統(tǒng)的RS+卷積碼要好。
4、交織
在實(shí)際應(yīng)用中,比特差錯(cuò)經(jīng)常成串發(fā)生,這是由于持續(xù)時(shí)間較長的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到幾個(gè)連續(xù)的比特,而信道編碼僅在檢測和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長的差錯(cuò)串時(shí)才最有效(如RS只能糾正8個(gè)字節(jié)的錯(cuò)誤)。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤,可以運(yùn)用交織技術(shù)來分散這些誤差,使長串的比特差錯(cuò)變成短串差錯(cuò),從而可以用前向碼對其糾錯(cuò),例如:在DVB-C系統(tǒng)中,RS(204,188)的糾錯(cuò)能力是8個(gè)字節(jié),交織深度為12,那么糾可抗長度為8×12=96個(gè)字節(jié)的突發(fā)錯(cuò)誤。
實(shí)現(xiàn)交織和解交織一般使用卷積方式。
交織技術(shù)對已編碼的信號(hào)按一定規(guī)則重新排列,解交織后突發(fā)性錯(cuò)誤在時(shí)間上被分散,使其類似于獨(dú)立發(fā)生的隨機(jī)錯(cuò)誤,從而前向糾錯(cuò)編碼可以有效的進(jìn)行糾錯(cuò),前向糾錯(cuò)碼加交積的作用可以理解為擴(kuò)展了前向糾錯(cuò)的可抗長度字節(jié)。糾錯(cuò)能力強(qiáng)的編碼一般要求的交織深度相對較低。糾錯(cuò)能力弱的則要求更深的交織深度。
下圖是交織的原理圖:
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