信道編碼在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用

1、信道編碼在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用一、衛(wèi)星通信系統(tǒng)信道編碼技術(shù)衛(wèi)星通信必須通過(guò)地球以外空間的在軌衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)，受到衛(wèi)星本 身放大器件、天線尺寸、遙遠(yuǎn)通信路徑與宇宙其它星體等因素的影響， 衛(wèi)星信道具有：功率受限、帶寬受限、非線性恒參信道、多經(jīng)衰落信 道、通信鏈路遠(yuǎn)時(shí)延大、易受環(huán)境干擾等特點(diǎn)。信道編碼技術(shù)作為保 證信息正確傳輸?shù)挠行侄伪粡V泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過(guò)信 道編碼可以在有限帶寬、低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)信息的低誤碼率傳送， 以達(dá)到節(jié)省發(fā)射機(jī)功率、提高頻譜利用效率的目的。信道編碼技術(shù)一般包括請(qǐng)求重傳ARQ、前向糾錯(cuò)FEC與二 者的混合體制，鑒于衛(wèi)星信道誤碼特性、頻譜利用率、系統(tǒng)延時(shí)等指 標(biāo)的要求FE

2、C技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星系統(tǒng)，對(duì)FEC技術(shù)的研究 不斷深入，國(guó)際上提出了 Turbo 碼、 LDPC Low Density Parity Check、級(jí)聯(lián)編碼、編碼調(diào)制與Raptor碼等優(yōu)秀的過(guò)失控制技術(shù)。1.2 現(xiàn)有衛(wèi)星信道編碼技術(shù)與應(yīng)用11.2.1 卷積碼卷積碼由 Elias 于 1955 年提出，是繼分組碼之后提出的簡(jiǎn)單、 高效編碼方式，上世紀(jì)七十年代， Viterbi 軟判決譯碼算法迅速開展 促使卷積碼被廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)以與深空探測(cè)裝置。VSAT 衛(wèi)星系統(tǒng)于 20 世紀(jì) 80 年代興起之初，采用碼率為 1/2，約 束長(zhǎng)度為 7 的卷積編碼，在 QPSK 調(diào)制下通過(guò) Vit

3、erbi 軟判決譯 碼，誤碼率為10-5時(shí)編碼增益為5 dBo 90年代初INTELSAT提供 的IDRIntermediate Data Rate業(yè)務(wù)使用碼率為3/4的刪余卷積編 碼，它是由效率為 1/2 的卷積碼周期地刪除規(guī)定比特而得到，在 QPSK 調(diào)制方式下應(yīng)用 Viterbi 軟判決譯碼可以提供 10-7 的誤碼性 能,較未編碼的情況獲得了 4 dB的編碼增益。IBSIntelsat Business Service系統(tǒng)采用碼率為1/2卷積碼，一樣條件下可以提供10-8的 BER性能。卷積碼很大程度地改變了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能，卷積碼 與其譯碼算法為串行級(jí)聯(lián)編碼、Turbo碼等優(yōu)秀的編

4、碼方案的提出奠 定了根底。不足之處是，隨著編碼器存儲(chǔ)長(zhǎng)度的增加，Viterbi譯碼 的復(fù)雜度呈指數(shù)上升，使編碼性能的進(jìn)一步提高受到限制，所以，卷 積碼編碼器的設(shè)計(jì)以最小狀態(tài)數(shù)為原如此，使譯碼趨于簡(jiǎn)單。Forney 于 1966 年提出利用短分量碼構(gòu)造較長(zhǎng)好碼的串行級(jí)聯(lián)編 碼技術(shù)，它以非二進(jìn)制、較長(zhǎng)碼作為外碼，以二進(jìn)制、較短碼作為內(nèi) 碼，內(nèi)、外碼之間通過(guò)串行方式級(jí)聯(lián)，接收端應(yīng)用軟判決譯碼算法和 代數(shù)譯碼方法分別對(duì)內(nèi)、外碼進(jìn)展譯碼，在獲得較高的誤碼特性同時(shí) 譯碼復(fù)雜度也在可以承受的X圍。ETSI的現(xiàn)行衛(wèi)星數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn) DVB-S 與美國(guó)數(shù)字衛(wèi)星電視廣播 DBS-TV 系統(tǒng)均采用 RS 碼、卷積 碼

5、串行級(jí)聯(lián)形式，外碼采用 204， 188的 RS 碼糾正多徑衰落引起的突發(fā)錯(cuò)誤，內(nèi)碼采用碼率為 3/4、約束長(zhǎng)度 K=7 的卷積碼糾正 隨機(jī)錯(cuò)誤，內(nèi)、外碼通過(guò)12 X 7 的卷積交織器級(jí)聯(lián)，系統(tǒng)在 QPSK 調(diào) 制方式下信噪比為4 dB時(shí)誤碼性能介于10-1010-11。NASA于1993 年發(fā)射的 ACTS 衛(wèi)星采用 RS 碼、1/2 卷積碼級(jí)聯(lián)編碼方案，最優(yōu) 誤比特性能達(dá) 10-12。我國(guó)的遙感衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)FY-3、歐洲的METOP、美國(guó)EOS、NPP/NPOESS也都采用 CCSDS標(biāo)準(zhǔn)采用 (2,1,7)卷積碼、RS255, 223級(jí)聯(lián)碼推薦的RS與卷積碼級(jí)聯(lián)的 數(shù)據(jù)傳輸方案。另外，通

6、過(guò)把多個(gè)內(nèi)碼和外碼級(jí)聯(lián)可以形成多級(jí)級(jí)聯(lián) 碼,譯碼時(shí)對(duì)級(jí)聯(lián)碼進(jìn)展碼分解和多階段譯碼,既可以獲得較好的誤 碼性能又大大減小了譯碼復(fù)雜程度,對(duì)于不同的通信系統(tǒng)環(huán)境提供了 很大的靈活性。 RS 碼、卷積碼串行級(jí)聯(lián)形式在現(xiàn)行衛(wèi)星系統(tǒng)中得到 廣泛應(yīng)用,根本可以滿足中等誤碼要求的通信系統(tǒng),不足之處是誤碼 性能的提升與譯碼復(fù)雜程度總是一對(duì)矛盾，當(dāng)RS碼非常長(zhǎng)時(shí)，采用 軟判決的譯碼方案很難實(shí)現(xiàn),編碼增益的改善受到一定限制。Turbo 碼“并行級(jí)聯(lián)形式的Turbo碼。Turbo碼特別適合在中等誤碼率需 求、長(zhǎng)信息分組情況下使用，通過(guò)適當(dāng)?shù)牡g碼算法，在不增加設(shè) 備復(fù)雜性的條件下可以獲得幾個(gè)分貝的編碼增益。目前，

7、Turbo碼已 經(jīng)被成功的應(yīng)用到2004年11月歐洲發(fā)射的SMART-1號(hào)月球探測(cè)器 上，理論可實(shí)現(xiàn)編碼增益8 dB。最新的VSAT衛(wèi)星系統(tǒng)也使用Turbo 乘積碼作為過(guò)失控制技術(shù)，為用戶提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，誤 碼性能小于10-9。2005年SSA發(fā)射商用衛(wèi)星IPSTAR-1，前向信道采 用 Turbo 乘積碼編碼和 8PSK 高階調(diào)制技術(shù)，下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)達(dá)到 4 Mb/s速率。Turbo碼的不足之處是在極低誤碼率情況下性能開始下 降，提高功率對(duì)誤碼率改善幾乎沒(méi)有幫助。LDPC 碼LDPC 碼由 Gallager 于 19 世紀(jì) 60 年代首次提出，它是一種線性 分組碼，編碼效率接近香農(nóng)

8、極限、編解碼簡(jiǎn)單、時(shí)延小等特點(diǎn)非常適 合高速信息傳輸系統(tǒng)，是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首選信道編碼方案,ETSI的 第二代衛(wèi)星數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn) DVB-S2 以 BCH 碼和 LDPC 碼的串行 級(jí)聯(lián)取代了 DVB-S 以往的信道編碼方案。 美國(guó) tech 公司的 CDM-600 平臺(tái)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)設(shè)備采用了 LDPC 碼，一樣調(diào)制方式 和誤碼要求下,LDPC碼碼相對(duì)于Turbo碼有0.30.5 dB不等的編 碼增益。噴泉編碼噴泉編碼的典型實(shí)例是 1998 年由美國(guó)學(xué)者 Luby 提出的 LT 碼, LT 碼是一種通用的噴泉碼,編碼的根本思想是通過(guò)噴泉編碼器 的有限輸入與無(wú)限輸出的映射特性生成數(shù)據(jù)包,當(dāng)接收方收

9、到一定數(shù) 量的數(shù)據(jù)包時(shí)就可以恢復(fù)信息,以此來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?噴泉 碼很適合于廣播形式的刪除信道。Raptor碼Raptor codes由Amin Shokrollahi 于 2006 年提出,它是一種經(jīng)過(guò)改良的 LT 碼,通過(guò)將 傳統(tǒng)糾錯(cuò)碼與LT碼串行級(jí)聯(lián)得到oRaptor碼編碼時(shí)對(duì)輸入信息應(yīng)用 常規(guī)糾錯(cuò)編碼技術(shù)如 LDPC 碼進(jìn)展一次預(yù)編碼,把編碼輸出信 息再進(jìn)展LT碼編碼，解碼時(shí)通過(guò)依次對(duì)LT碼、預(yù)編碼進(jìn)展解碼完 成，譯碼復(fù)雜度呈線性變化，較LT碼有很大改善。Raptor碼的編碼 和解碼過(guò)程只進(jìn)展少量的異或運(yùn)算，具有低的復(fù)雜度和很快的編解碼 速度，已經(jīng)被確定為 3GPP 的 MBMS

10、(Multimedia Broadcast and Multicast Services)業(yè)務(wù)的信道編碼標(biāo)準(zhǔn)。Raptor碼作為噴泉編碼的典 型代表是近兩年針對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸而提出的，由于能即時(shí) 生成無(wú)限的數(shù)據(jù)包，在沒(méi)有反應(yīng)信道的情況下保證可靠通信，減小了 通信的傳輸延時(shí)， Raptor 碼被認(rèn)為是衛(wèi)星廣播/組播服務(wù)和電視信號(hào) 傳輸理想的信道編碼技術(shù)，也是未來(lái)衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)展大文件傳 輸和衛(wèi)星移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最理想過(guò)失控制手段。二、移動(dòng)通信系統(tǒng)信道編碼技術(shù)2移動(dòng)通信技術(shù)的開展日新月異，從1 9 7 8年第一代模擬蜂窩通 信系統(tǒng)誕生至今，就已經(jīng)出現(xiàn)了五代的演變。移動(dòng)通信一方面能為

11、人 們帶來(lái)了固定無(wú)法提供的靈活、機(jī)動(dòng)、高效。但另一方面，移動(dòng)通信 系統(tǒng)的研究、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)相較于有線通信系統(tǒng)會(huì)更復(fù)雜、更困難。這 是因?yàn)闊o(wú)線電波傳輸不僅會(huì)隨著傳播距離的增加而造成能量損耗，并 且會(huì)因?yàn)槎鄰叫?yīng)、多普勒頻移和陰影效應(yīng)等使信號(hào)快速衰落，碼間 干擾和信號(hào)失真嚴(yán)重，從而極大地影響了通信質(zhì)量。因此，移動(dòng)無(wú)線 信道是所有通信系統(tǒng)中最惡劣、最難預(yù)測(cè)的通信信道之一。2.2 現(xiàn)有移動(dòng)通信信道編碼技術(shù)與應(yīng)用2.2.1模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)BCH編碼模擬蜂窩系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)信道主要是傳輸模擬FM以與少量模擬信 令，因此未應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)。而控制信道均傳輸數(shù)字信令，并進(jìn)展 了數(shù)字調(diào)制和糾錯(cuò)編碼。以英國(guó)系統(tǒng)為例，采

12、用FSK調(diào)制，傳輸 速率為8kb/s?；静捎玫氖荁CH( 4 0,2 8編碼，漢明 距離d = 5，具有糾正2位隨機(jī)錯(cuò)碼的能力。之后重發(fā)5次，以提高 抗衰落、抗干擾能力；移動(dòng)臺(tái)采用了 BCH4 8,3 6進(jìn)展糾錯(cuò) 編碼，漢明距離d = 5,可糾正2個(gè)隨機(jī)過(guò)失或糾正1個(gè)與檢測(cè)2個(gè) 過(guò)失，然后也是重復(fù)5次發(fā)送。GSM FEC 編碼GSM系統(tǒng)仍是目前使用最廣泛的移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是糾錯(cuò)編碼 最重要的應(yīng)用之一GSM標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用多種FEC 編碼，包括BCH編碼，F(xiàn) IRE碼，CRC碼錯(cuò)誤檢測(cè)，碼同步 和接入，數(shù)據(jù)信道。窄帶 CDMA 系統(tǒng)IS-95FEC 編碼CDMA系統(tǒng)是個(gè)自干擾的系統(tǒng)，因

13、此FEC編碼在對(duì)抗多用戶 干擾MUI和多徑衰落非常重要CDMAIS 95系統(tǒng) 的糾錯(cuò)編碼是分別按反向鏈路和前向鏈路來(lái)進(jìn)展設(shè)計(jì)的，主要包括卷 積編碼、交織、CRC校驗(yàn)等。前向鏈路中除導(dǎo)頻信道外，同步信道、 尋呼信道和前向業(yè)務(wù)信道中的信息在傳輸前都要先進(jìn)展2，1，9 的卷積編碼再交織。反向鏈路包括業(yè)務(wù)信道和接入信道，考慮到移動(dòng) 臺(tái)的信號(hào)傳播環(huán)境，增加編碼長(zhǎng)度，對(duì)信息進(jìn)展3,1,9的卷 積碼。如果整體考慮糾錯(cuò)編碼和擴(kuò)頻調(diào)制，如此可把擴(kuò)頻看作內(nèi)碼， 而信道編碼視作外碼。以后向鏈路為例，編碼交織后是6 4階正交W alsh函數(shù)擴(kuò)頻，然后是被周期為2 1的長(zhǎng)碼直接序列擴(kuò)頻。3G Turbo 碼3G與2G最

14、重要的不同是要提供更高速率、更多形式的數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)，所以對(duì)其中的糾錯(cuò)編碼體制提出了更高的要求數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的過(guò)失 率要小于10。語(yǔ)音和短消息等業(yè)務(wù)仍然采用與GSM和CDMA 相似的卷積碼，而對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)3GPP協(xié)議中已經(jīng)確定Turbo碼 為其糾錯(cuò)編碼方案。4G LDPC 碼同3G等已有的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)應(yīng)具有更高的 數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS。、更高的頻譜利用率、更高的安 全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈活性；4G系統(tǒng)應(yīng) 能支持非對(duì)稱性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù)；4G系統(tǒng)應(yīng)表現(xiàn)移動(dòng)與無(wú) 線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的開展趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)是一個(gè)全I(xiàn)P的網(wǎng) 絡(luò)。被優(yōu)化了的非規(guī)如此LDPC碼采

15、用可信傳播Belief Propaga ti on。譯碼算法時(shí)，能得到比Turbo碼更好 的性能。目前，LDPC碼被認(rèn)為是迄今為止性能最好的碼，采用L DPC編碼的系統(tǒng)性能與香農(nóng)限之間的差距越來(lái)越小。三、水聲通信系統(tǒng)信道編碼技術(shù)3水聲信道是水下聲信號(hào)傳播的物理媒介 ,是構(gòu)成水聲通信系統(tǒng)必 不可少的局部,因其具有時(shí)-空-頻變特性,被認(rèn)為是迄今為止難度最大 的無(wú)線通信信道之一。水聲信道隨海洋介質(zhì)時(shí)-空尺度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不 同而不斷變化的特點(diǎn)稱為時(shí)-空-頻變特性。水聲信道內(nèi)部變化和相對(duì) 運(yùn)動(dòng)構(gòu)成水聲信道的時(shí)變特性,比如隨時(shí)間變化的溫度、水面波浪的 變化等,均能影響水下信號(hào)傳輸 ;水聲信道的聲傳輸特性與頻

16、率有關(guān) , 它的頻率選擇性衰落表現(xiàn)了其頻變特性;水深、海水介質(zhì)的非均勻性、 聲速剖面以與海底地形地貌等空間變化如此構(gòu)成其空變特性。而從聲 波的傳輸過(guò)程來(lái)看,聲傳播速度緩慢、強(qiáng)多途、大起伏、聲傳播損失 大、頻域上多普勒擴(kuò)展、有限頻域帶寬和高環(huán)境噪聲等為水聲信道的 主要物理特性的表現(xiàn)。這些特性增大了水聲聲波傳播路徑和過(guò)程的不 確定因素,限制了依靠聲信號(hào)傳播為根底的水聲通信技術(shù)的有效性和 可靠性。尤其是在淺海水聲信道中的大信號(hào)起伏和強(qiáng)多途情況更為惡 劣,嚴(yán)重影響水聲通信技術(shù)的開展?？偟膩?lái)說(shuō)，與無(wú)線電磁波信道相比,水聲信道有其本身獨(dú)有的某些 特性，如聲速小、載波頻率低、帶寬窄、多普勒頻移相對(duì)嚴(yán)重以與多

17、 途時(shí)延大等特點(diǎn)。3.2.1 RS 碼1960 年 I.S Reed 和 G.Solomond 提出 RS 碼，又稱 Reed-Slolomon 碼，是一類糾錯(cuò)能力很強(qiáng)的多進(jìn)制BCH碼。美國(guó)水聲通信設(shè)備提供 商 Aquatec Electronics Limited 公司的水下遙測(cè)和通信系統(tǒng) AQ203 的 過(guò)失控制編碼選擇的即為BCH編碼和RS編碼。在信噪比擬低時(shí),RS 碼的誤碼特性比擬差，而信噪比越高,RS編碼獲得的編碼增益也越大。 而對(duì)于編碼效率較高的 RS 碼,要獲得一樣的編碼增益,對(duì)信噪比的要 求更高,當(dāng)信噪比擬低時(shí),其性能和沒(méi)有編碼時(shí)差不多。這一類 RS 碼 的譯碼運(yùn)算比擬復(fù)雜,解

18、碼的時(shí)間復(fù)雜度也比擬大,所以高效率的 RS 碼在水聲通信的信道編碼中并不常用。在衛(wèi)星通信中已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了卷積碼的相關(guān)知識(shí)，卷積碼在水聲 通信中也得到應(yīng)用。美國(guó) Benthos 公司的水聲通信設(shè)備,其調(diào)制方式為 非相干的MFSK,根據(jù)海況的不同，工作速率在100-2400bps之間。當(dāng) 通信速率在100-1200bps時(shí)，系統(tǒng)選擇哈達(dá)碼（Hadamard,種線性分組 碼），當(dāng)海況好時(shí)使用碼率為1/2或1/3的卷積碼與Vitethi譯碼可使通 信速率達(dá)到2400bps。與RS碼相比擬，當(dāng)信噪比擬低時(shí)，兩種編碼的 誤碼特性都不好。隨著信噪比的增大,開始表現(xiàn)出編碼的糾錯(cuò)性能,由 于所用卷積碼碼率較之

19、RS 碼的碼率要低,而且卷積碼本身所具有的 更好特性,所以卷積碼的誤碼性能更好。3.2.3 級(jí)聯(lián)碼級(jí)聯(lián)碼方案采用 RS 編碼作為外碼，交織方式為偽隨機(jī)交織，內(nèi) 碼選擇卷積碼。輸入信息先進(jìn)展 RS 碼的外編碼,編碼輸出進(jìn)展交織后 再進(jìn)展卷積碼的內(nèi)編碼,輸出碼字通過(guò)調(diào)制后在信道中傳輸,信道中除 了會(huì)引入AWGN噪聲外，還會(huì)有突發(fā)錯(cuò)誤的產(chǎn)生。接收端將信號(hào)解調(diào) 后,首先進(jìn)展卷積碼內(nèi)譯碼,內(nèi)譯碼輸出經(jīng)過(guò)解交織再進(jìn)展 RS 碼的外 譯碼，從而得到輸出信息。相較于單一的卷積碼或 RS 編碼，在一樣的 信噪比下級(jí)聯(lián)碼有更好的誤碼特性。Turbo 碼Turbo 碼將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼的思

20、 想，同時(shí)采用軟輸出迭代譯碼算法來(lái)逼近最大似然譯碼，可以獲得接 近 Shannon 極限的性能。隨著水聲通信技術(shù)的開展，將 Turbo 碼應(yīng)用 到水聲通信系統(tǒng)中引起了極大的關(guān)注，其性能明顯優(yōu)于無(wú)信道編碼和 卷積碼。但是糾錯(cuò)編碼技術(shù)用來(lái)改善水聲通信的質(zhì)量需要保證信道原 始的誤碼率不能高于某一門限值10-1-10-2，對(duì)于比擬復(fù)雜的信道， 需要結(jié)合一定的調(diào)制解調(diào)技術(shù)使信道的原始誤碼率滿足糾錯(cuò)碼譯碼 器的輸入要求，否如此可能越糾越錯(cuò)。水聲通信中將Turbo碼和擴(kuò)頻 技術(shù)特別是 OFDM 技術(shù)相結(jié)合來(lái)提高水聲通信系統(tǒng)的可靠性。LDPC 碼LDPC 碼因其能夠接近香農(nóng)極限，而成為繼 Turbo 碼之后又

21、一個(gè)倍 受關(guān)注的信道編碼，由于 LDPC 碼具有隨機(jī)碼特性，不需要額外加交織 器，并且在譯碼端采用了并行迭代譯碼算法，因而其復(fù)雜度和延遲都要 比 Turbo 碼低。這些綜合特點(diǎn)使其具有其他糾錯(cuò)碼無(wú)可比擬的性能, 對(duì)提高信道編碼糾錯(cuò)能力,進(jìn)展可靠的水聲數(shù)字通信具有重要意義。2008年康涅狄克大學(xué)、MIT/Woods Hole等研究機(jī)構(gòu)在佛羅里達(dá)州進(jìn) 展海試實(shí)驗(yàn)，主要采用MIMO-OFDM技術(shù)，研宄了水聲通信中LDPC碼 的應(yīng)用，傳輸距離為500 m和1500 m,獲得了幾乎零誤碼的性能，在1/2 碼率情況下,12 kHz帶寬內(nèi)，數(shù)據(jù)率為12.18kbps。針對(duì)LDPC碼逼近香 農(nóng)限的性能是在較長(zhǎng)

22、的碼長(zhǎng)情況下才能得到表現(xiàn)而時(shí) -空-頻變的水 聲信道要求盡可能采用較短的碼長(zhǎng)問(wèn)題，提出了改良LDPC碼，比如 準(zhǔn)循環(huán)低密度奇偶校驗(yàn)(Quasi-Cyclic LDPC, QC-LDPC)碼。目前大多數(shù)的水聲信道編碼都是采用非自適應(yīng)方案 ，不能根據(jù)海 洋信道環(huán)境進(jìn)展編碼方案的調(diào)整。為了在最糟糕的水聲信道條件下也 能保證可承受的通信質(zhì)量，在編碼方案設(shè)計(jì)中一般需要預(yù)留出一個(gè)固 定的鏈路余量。已經(jīng)有研宄明確，在瑞利衰落信道中，非自適應(yīng)編碼方 案可能會(huì)引起高30 dB的信號(hào)功率損失。因此按最糟糕的信道條件進(jìn) 展信道編碼設(shè)計(jì)必然會(huì)導(dǎo)致極低的信道利用率。水聲信道是幅-時(shí)-頻 -空域大動(dòng)態(tài) X 圍變化，所引起

23、的損失將更大，且信道資源更為有限，為 此自適應(yīng)信道編碼技術(shù)被提出應(yīng)用到水聲通信。四、光纖通信系統(tǒng)信道編碼技術(shù)4在光傳輸系統(tǒng)中，主要是加性噪聲以與碼間串?dāng)_導(dǎo)致過(guò)失，另一 方面，當(dāng)光源不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)導(dǎo)致噪聲、干擾的影響前后相關(guān)，突發(fā)出 現(xiàn)成串錯(cuò)誤。因此，三種光傳輸系統(tǒng)模型被提出，分別是：卡方Chi-square信道模型、非對(duì)稱高斯Asymmetric Gaussian信道 模型、加性高斯白噪聲AWGN信道模型，其中卡方信道模型是能 夠最準(zhǔn)確地描述光通信信道的模型，而非對(duì)稱高斯信道模型以與加性 高斯白噪聲信道模型都是對(duì)卡方信道模型的近似。下面將列舉出光纖通信系統(tǒng)中常用的 FEC 碼4.2.1第一代FE

24、C碼-RS碼RSReed-Solomon Code碼是第一代FEC使用的優(yōu)異的糾錯(cuò) 碼。RS碼既能糾正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，又能糾正突發(fā)錯(cuò)誤，在高速譯碼 時(shí)采用硬判決譯碼具有很好的性能。綜合編碼復(fù)雜度、本錢代價(jià)以與 譯碼糾錯(cuò)性能三個(gè)因素， RS 碼是比適宜光纖傳輸?shù)募m錯(cuò)碼型。 ITU-TG.975 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用的碼字即為 RS255， 239碼。4.2.2第二代FEC碼-級(jí)聯(lián)碼第二代 FEC 碼包括不同種類的級(jí)聯(lián)碼, 出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年 代末期。 Ait Sab 等對(duì) RS 239， 223碼與 RS 255， 239碼相級(jí) 聯(lián)的系統(tǒng)在高斯信道下進(jìn)展了仿真，高斯信道中“0和“1是不等 概率的

25、分布，比對(duì)稱高斯信道模型更準(zhǔn)確。至此，第一、二代的 FEC 碼的譯碼算法采用的都是硬判決的譯碼算法。4.2.3第三代FEC碼-Turbo碼：Turbo 碼編碼是通過(guò)對(duì)碼字的偽隨機(jī)交織來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種編碼方式 比擬接近隨機(jī)編碼。而 Turbo 碼的譯碼如此采用的是迭代譯碼的方 法，譯碼復(fù)雜度適中，并且具有接近香農(nóng)限的特性。Turbo碼是一種 并行級(jí)碼，其根本思想是用短碼來(lái)組合構(gòu)成長(zhǎng)碼，它有效地將并行級(jí) 聯(lián)、隨機(jī)交織和迭代譯碼結(jié)合在了一起，在迭代譯碼時(shí)又將長(zhǎng)碼化作 為短碼，與之前的最大似然譯碼相比在不破壞譯碼性能的情況下，降 低了譯碼復(fù)雜度。Turbo碼的出現(xiàn)大大突破了傳統(tǒng)的約束，挖掘出了 級(jí)聯(lián)碼的潛

26、在優(yōu)勢(shì)，獲得與其接近香農(nóng)限的性能，為編碼界帶來(lái)了新 的動(dòng)力和曙光。Turbo碼常用的譯碼算法包括1MAP算法，又稱為最大后驗(yàn) 概率maximum posterior, MP算法。MAP算法也就是將后驗(yàn)概 率密度的對(duì)數(shù)似然比log-likehood ratio, LLR的值作為軟判決的 輸出，由于其中運(yùn)算量較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中 MAP 算法譯碼受到 了一定限制。但它仍是目前 Turbo 碼譯碼的最優(yōu)的算法；2 Lg-MAP 算法，就是將 MAP 算法中等式兩邊加上 Lg 運(yùn)算，這樣就可以將 乘法運(yùn)算簡(jiǎn)化成加法運(yùn)算 ， 簡(jiǎn)化了 譯碼 的 運(yùn)算 復(fù)雜 度 ； 3 MAX-Lg-MAP 算法，就是將

27、 Lg-MAP 算法中的加法運(yùn)算近似為求 最大值運(yùn)算，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了運(yùn)算復(fù)雜度，但是這種近似算法卻影響了 譯碼的準(zhǔn)確性；4 SOVA 算法，它是對(duì) Viterbi 算法的一種修正算 法，刪除低似然路徑時(shí)保存有用信息，同時(shí)為每個(gè)輸出信息提供一個(gè) 可信度，根本思想就是衡量最優(yōu)路徑和被刪除路徑的度量差，假如差 值越小，如此可信度越低。這 4 種譯碼算法準(zhǔn)確度由高到底，譯碼 復(fù)雜度也依次減小。在實(shí)際的通信系統(tǒng)應(yīng)用中，要考慮所硬件條件和 對(duì)傳輸速率的要求來(lái)選擇最恰當(dāng)?shù)淖g碼算法。4.2.4 LDPC 碼LDPC 碼是 Gallager 在 20 世紀(jì) 60 年代提出的一種糾錯(cuò)編碼 方式，但由于當(dāng)時(shí)條件的限制，在當(dāng)時(shí)并未引起人們的注視。一直到 上世紀(jì) 90 年代 MacKay 等人又重新提出了它。根據(jù)他們的研究， LDPC 碼可以實(shí)現(xiàn)非常接近香農(nóng)極限的誤碼率性能，優(yōu)于其它的糾錯(cuò) 碼方式。 LDPC 碼越來(lái)越引起人們的關(guān)注，目前已經(jīng)有許多關(guān)于 LDPC 碼的研究，并在 LDPC 碼的理論和實(shí)際應(yīng)用上都取得了很大 進(jìn)展。但是有關(guān) LDPC 碼的研究大多是針對(duì)移動(dòng)通信的應(yīng)用，許多 碼的設(shè)計(jì)和優(yōu)化化都是以移動(dòng)環(huán)境的信道模型為根底進(jìn)展的。LDPC 碼又叫做低密度奇偶校驗(yàn)矩陣碼，因?yàn)樗男ｒ?yàn)矩陣是一 個(gè)稀疏矩陣，又由于它的校驗(yàn)矩陣中的非零元素很少，使得它