1、沈阳理工大学学士学位论文I摘 要随着现代通信技术的迅猛发展，其应用领域已渗入到社会生活的各个方面，对通信系统的数据传输的可靠性与有效性的要求也随之增强。在传输数字信号时，由于信道的时变性、衰减性、带宽资源有限性以及干扰大等特点，再有加性噪声的影响，势必会造成接收端接收到的信号存在一定的误差。为提高无线信道传输数据的质量，应该将误比特率降到最低。信道编码技术正是降低误比特率、提高通信质量的主要技术手段之一。本文首先系统介绍信道编码的研究背景及意义、发展史、应用并对 matlab 进行概述。接着选取编码技术中最常用的种类：线性分组码、循环码、卷积码。即分别对线性分组码、循环码和卷积码的编码和译码原
2、理进行阐述，并基于 matlab 平台进行仿真。最后，通过对仿真结果进行分析，证明经过信道编码后，能有效降低信道传输的误码率，使通信不论在什么环境下均能高效、可靠的传输数据，提高了整个通信系统的质量。关键词：通信系统； 编码技术；线性分组码；循环码；卷积码沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractWith the rapid development of modern communication technology, its applications have infiltrated into all aspects of social life, reliability and vali
3、dity of the data communication system also increases. In practice, the wireless channel is very complex. When transmitting digital signals, due to the time-varying channel attenuation, bandwidth and interference limited resources and other characteristics, and then have an impact additive noise, wil
4、l inevitably lead to the presence of the signal receiver receives a certain error. To improve the quality of the wireless channel, the bit error rate should be reduced to a minimum. One channel coding technology is to reduce the bit error rate and improve the quality of the main technical means of c
5、ommunication.Firstly, referral channel coding system research background and significance, history, and Matlab application overview. Then select the most commonly used coding technology types: linear block codes, cyclic codes, convolution codes. Introduces the basic principles of linear block codes,
6、 cyclic codes and convolution codes, and simulation based on MATLAB, the simulation results are analyzed, explained after channel coding, enabling communication no matter what the environment can be efficient and reliable transport data to improve the quality of the communication system.Keywords: co
7、mmunication systems; coding techniques; linear block code; cyclic code; convolution code沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 绪论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 信道编码技术的发展史 .21.3 信道编码技术的应用 .41.4 Matlab 概述 .52 信道编码 .72.1 信道编码简介 .72.2 信道编码的基本原理 .82.3 信道编码系统模型 .103 几种常见的信道编码 .123.1 线性分组码 .123.1.1 线性分组码简介 .123.1.2 线性分组码的编码与译码原理 .133.
8、1.3 线性分组码的编码程序及仿真图 .143.1.4 线性分组码的译码程序及仿真图 .163.2 循环码 .203.2.1 循环码简介 .203.2.2 循环码编码和译码原理 .203.2.3 循环码的编码和译码程序 .223.3 卷积码 .223.3.1 卷积码简介 .223.3.2 卷积码编码原理 .23沈阳理工大学学士学位论文IV3.3.3 卷积码译码原理 .263.3.4 卷积码编码程序及仿真图 .283.3.5 卷积码译码程序及仿真图 .314 抗噪声性能分析 .394.1 设计思路 .394.2 对线性分组码误码率的分析 .394.2.1 线性分组码仿真过程源代码 .394.2.
9、2 线性分组码仿真过程图 .414.2.3 线性分组码误码率源代码 .444.2.4 线性分组码误码率仿真图 .464.3 对循环码误码率的分析 .464.3.1 循环码误码率仿真源代码 .464.3.2 循环码误码率仿真图 .474.4 对卷积码误码率的分析 .484.4.1 卷积码误码率仿真过程源代码 .484.4.2 卷积码误码率仿真过程图 .494.4.3 卷积码误码率仿真源代码 .524.4.4 卷积码误码率仿真图 .534.5 不同编码之间误码率的比较 .544.5.1 仿真源代码 .544.5.2 仿真图 .57结 论 .59致 谢 .60参考文献 .61附录 A 英文全文 .6
10、2沈阳理工大学学士学位论文V附录 B 中文翻译 .68沈阳理工大学学士学位论文11 绪论随着现代通信技术的迅猛发展，用户对通信系统的质量要求也越来越高，通信系统需要具备更高的可靠性、高效率、低复杂性来适应发展的需求。而在实际的通信中，被传输的数据必然会受到干扰和噪声的影响，致使接收端收到的信号出现误差，造成一定程度的失真。这就要求我们寻找一种办法在确保通信系统的可靠性与高效性的基础上减少数据传输过程中的误比特率。而信道编码是减少数字信号误比特率的主要手段之一。1.1 研究背景及意义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
11、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，有效性和可靠性是其中两个最重要的指标，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
12、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，采取比较折中的方式，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；抑或在满足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。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
13、，其方法是在沈阳理工大学学士学位论文2二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，它们与信息码元之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
14、、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史在移动通信系统的数据传输过程中，信号受到各种有线和无线信道噪声和衰落的影响将产生严重失真。可以利用信道编码技术，在发射端增加一个信道编码模块给传输信号添加冗余，在接收端增加一个信道译码模块利用冗余信息检测和纠正信号中的错
15、误。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发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 小于或等于信道容量 ，即 时，可以通过RCR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
16、、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，还含沈阳理工大学学士学位论文3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
17、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（Gray Code）是由法国工程师 Jean-Maurice-Emlle Baudot 提出的一种编码，而因 1
18、953 年 Frank Gray 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，格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一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
19、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码的值。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
20、。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 译沈阳理工大学学士学位论文4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 CBerrou 在 IEEE 国际通信会议上，发表Near Shannon
21、 limiterror-correcting coding and decoding:Turbo code一文。此文讲述了 Turbo码结构，并证实利用 Turbo 码作为信道编码，当信噪比不小于/=0.7db 时(Shannon 限为/=0db ，其误码率 。具有如此优异性能的 Turbo 码在当时引起了轰动，受510BER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
22、码，Low Density Parity Check Code，LDPC） ，最早是1963 由麻省理工学院 Robert G.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
23、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，实际应用也变得可行。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）卫星通信沈阳理工大学学士学位论文5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
24、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 6。（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（Forward Error Correct
25、ion，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 Matlab 概述计算机对科学技术的几乎一切领域产成了极其深远的影响。熟练掌握并利用计算机进行科学计算研究及工程应用已是广大科研设计人员所必备的基本技能之一。从事科学研究和工程应用时候所遇到的最大的困扰大抵是我们在计算涉及矩阵运算或画图时，采用 Fortran、C 及 C+等计算机语言进行程序设计是一项十分麻烦的工作，不仅需要对所利用的有关算法有深刻的了解，还需要掌握所用语言的语法及编程技巧。Matlab 软件由美国 Math Works 公司于 1984 年推出,历经十几年的发展和竞争，现已成为通用科技计算和图视交互系统的程序语言，是(IEEE) 国际公认的最优秀的科技应用软件之一。它的指令表达与数学、工程中常用的习惯形式十分相似,从而使许多用 C 或 Fortran 实现起来十分复杂和费时的问题用 Matlab 就可以轻松地解决。Matlab的典型应用包括：数学计算、算法研究、数据分析和计算结果可视化、建模与仿真等21。Matlab 作为一种数值计算和与图形处理工具软件，其特点是语法结构简明、数值
