基于matlab的信道編譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已滲入到社會(huì)生活的各個(gè)方面，對(duì)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c有效性的要求也隨之增強(qiáng)。在傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，由于信道的時(shí)變性、衰減性、帶寬資源有限性以及干擾大等特點(diǎn)，再有加性噪聲的影響，勢(shì)必會(huì)造成接收端接收到的信號(hào)存在一定的誤差。為提高無線信道傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)該將誤比特率降到最低。信道編碼技術(shù)正

2、是降低誤比特率、提高通信質(zhì)量的主要技術(shù)手段之一。</p><p>　　本文首先系統(tǒng)介紹信道編碼的研究背景及意義、發(fā)展史、應(yīng)用并對(duì)matlab進(jìn)行概述。接著選取編碼技術(shù)中最常用的種類：線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼。即分別對(duì)線性分組碼、循環(huán)碼和卷積碼的編碼和譯碼原理進(jìn)行闡述，并基于matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真。最后，通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，證明經(jīng)過信道編碼后，能有效降低信道傳輸?shù)恼`碼率，使通信不論在什么環(huán)境下均能高效、可靠

3、的傳輸數(shù)據(jù)，提高了整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。</p><p>　　關(guān)鍵詞：通信系統(tǒng)； 編碼技術(shù)；線性分組碼；循環(huán)碼；卷積碼</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of modern communication technology, its applicatio

4、ns have infiltrated into all aspects of social life, reliability and validity of the data communication system also increases. In practice, the wireless channel is very complex. When transmitting digital signals, due to

5、the time-varying channel attenuation, bandwidth and interference limited resources and other characteristics, and then have an impact additive noise, will inevitably lead to the presence of the signal re</p><p

6、>　　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,

7、convolution codes. Introduces the basic principles of linear block codes, cyclic codes and convolution codes, and simulation based on MATLAB, the simulation results are analyzed, explained after channel coding, enabling

8、communication no matter what the environment can be efficient and </p><p>　　Keywords: communication systems; coding techniques; linear block code; cyclic code; convolution code</p><p><b>　

9、　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義1</p><p>　　1.2 信道編碼技術(shù)的發(fā)展史2</p><p>　　1.3 信道編碼技術(shù)的應(yīng)用4</p><p>　　1.4 Matlab概述5<

10、;/p><p><b>　　2 信道編碼7</b></p><p>　　2.1 信道編碼簡介7</p><p>　　2.2 信道編碼的基本原理8</p><p>　　2.3 信道編碼系統(tǒng)模型10</p><p>　　3 幾種常見的信道編碼12</p><p>

11、;　　3.1 線性分組碼12</p><p>　　3.1.1 線性分組碼簡介12</p><p>　　3.1.2 線性分組碼的編碼與譯碼原理13</p><p>　　3.1.3 線性分組碼的編碼程序及仿真圖14</p><p>　　3.1.4 線性分組碼的譯碼程序及仿真圖16</p><p>　　3

12、.2 循環(huán)碼20</p><p>　　3.2.1 循環(huán)碼簡介20</p><p>　　3.2.2 循環(huán)碼編碼和譯碼原理20</p><p>　　3.2.3 循環(huán)碼的編碼和譯碼程序22</p><p>　　3.3 卷積碼22</p><p>　　3.3.1 卷積碼簡介22</p>&l

13、t;p>　　3.3.2 卷積碼編碼原理23</p><p>　　3.3.3 卷積碼譯碼原理26</p><p>　　3.3.4 卷積碼編碼程序及仿真圖28</p><p>　　3.3.5 卷積碼譯碼程序及仿真圖31</p><p>　　4 抗噪聲性能分析38</p><p>　　4.1 設(shè)計(jì)思

14、路38</p><p>　　4.2 對(duì)線性分組碼誤碼率的分析38</p><p>　　4.2.1 線性分組碼仿真過程源代碼38</p><p>　　4.2.2 線性分組碼仿真過程圖40</p><p>　　4.2.3 線性分組碼誤碼率源代碼43</p><p>　　4.2.4 線性分組碼誤碼率仿真圖45&l

15、t;/p><p>　　4.3 對(duì)循環(huán)碼誤碼率的分析45</p><p>　　4.3.1 循環(huán)碼誤碼率仿真源代碼45</p><p>　　4.3.2 循環(huán)碼誤碼率仿真圖46</p><p>　　4.4 對(duì)卷積碼誤碼率的分析47</p><p>　　4.4.1 卷積碼誤碼率仿真過程源代碼47</p>&

16、lt;p>　　4.4.2 卷積碼誤碼率仿真過程圖48</p><p>　　4.4.3 卷積碼誤碼率仿真源代碼51</p><p>　　4.4.4 卷積碼誤碼率仿真圖52</p><p>　　4.5 不同編碼之間誤碼率的比較53</p><p>　　4.5.1仿真源代碼53</p><p>　　4.5.2

17、仿真圖56</p><p>　　結(jié) 論錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　致 謝58</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)59</b></p><p>　　附錄A 英文全文60</p><p>　　附錄B 中文翻譯66</p>

18、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，用戶對(duì)通信系統(tǒng)的質(zhì)量要求也越來越高，通信系統(tǒng)需要具備更高的可靠性、高效率、低復(fù)雜性來適應(yīng)發(fā)展的需求。而在實(shí)際的通信中，被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必然會(huì)受到干擾和噪聲的影響，致使接收端收到的信號(hào)出現(xiàn)誤差，造成一定程度的失真。這就要求我們尋找一種辦法在確保通信系統(tǒng)的可靠性與高效性的基礎(chǔ)上減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤比

19、特率。而信道編碼是減少數(shù)字信號(hào)誤比特率的主要手段之一。</p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　通信的目的就是要高速、可靠的把信息從發(fā)送端傳遞到接收端，隨著用戶對(duì)通信質(zhì)量和實(shí)時(shí)性等要求的不斷提高，通信需要具備更高可靠性、更高速率、更低復(fù)雜度等性能。然而，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，由于被傳輸數(shù)據(jù)無法避免的會(huì)受到一定的干擾和噪聲等的影響，這就導(dǎo)致接收端接收到的信息和發(fā)送端實(shí)

20、際發(fā)送的信息之間存在一定的差錯(cuò)，信號(hào)就存在一定程度的失真。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，衡量一個(gè)通信系統(tǒng)的優(yōu)劣，有效性和可靠性是其中兩個(gè)最重要的指標(biāo)，同時(shí)它們也是通信技術(shù)設(shè)計(jì)的重要部分。然而，從信息傳輸角度來考慮，既要提高通信系統(tǒng)的有效性（即傳輸速率）又要提高通信系統(tǒng)的可靠性往往是相互矛盾的。為了提高可靠性，可以在二進(jìn)制信息序列中以受控的方式引入一些冗余碼元（即監(jiān)督碼元），使他們滿足一定的約束關(guān)系，以期達(dá)到

21、檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的。但是，由于添加了冗余碼元（監(jiān)督碼元），導(dǎo)致傳輸信息的速率下降；同時(shí)，為了提高有效性，信號(hào)以簡潔、快速的方式傳輸，這樣在遭到干擾和噪聲時(shí)，其自我保護(hù)能力大大下降，從而降低了傳輸?shù)目煽啃?。于是，在?shí)際通信的應(yīng)用中，采取比較折中的方式，可在確?？煽啃灾笜?biāo)達(dá)到系統(tǒng)要求的前提下，盡可能的提高傳輸?shù)乃俾?；抑或在滿足一定有效性的指標(biāo)下，盡量提高傳輸?shù)目煽啃?。通信技術(shù)一直致力于提高信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，其中保證通信的可靠性是現(xiàn)代數(shù)

22、字通信系統(tǒng)需要解決的首要問題。信道編碼技術(shù)正是用來改善通信可靠性問題的主要技術(shù)手段之一。實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)通信系統(tǒng)一般包含信道編碼和信道譯碼兩個(gè)模塊。</p><p>　　信道編碼的主要目的是為了降低誤比特率，提高數(shù)字通信的可靠性，其方法是在二進(jìn)制信息序列中添加一些冗余碼元（監(jiān)督碼元），與信息碼元一起組成被傳輸?shù)拇a字。這些冗余碼元是以受控的方式引入，它們與信息碼元之間有著相互制約的關(guān)系。當(dāng)在信道中傳輸該碼字，如果錯(cuò)

23、誤發(fā)生，信息碼元和冗余碼元之間相互制約的關(guān)系就會(huì)被破壞。那么，在接收端對(duì)接收到的信息序列按照既定的規(guī)則校驗(yàn)碼字各碼元的約束關(guān)系，從而達(dá)到檢錯(cuò)、糾錯(cuò)的目的。通過信道編碼這種方法，可以有效的在接收端克服信號(hào)在無線信道中傳輸時(shí)受到噪聲和干擾產(chǎn)生的影響。信道譯碼也就是信道編碼的逆過程，即接收端將接收信息序列按照既定約束關(guān)系，同時(shí)去掉比特流在傳播過程中混入的噪聲干擾和添加的冗余，恢復(fù)比較完整、可靠的信息的過程。</p><p&

24、gt;　　對(duì)于一個(gè)無線信道來說，非線性、時(shí)變、多普勒頻移等信道特征和來自外界的干擾等等因素，會(huì)使得數(shù)據(jù)經(jīng)無線信道后總會(huì)產(chǎn)生一定的差錯(cuò)，因此，信道編碼在數(shù)字通信中必不可少。信道編碼的方式有很多，例如線性分組碼、卷積碼、Turbo碼等等。在第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，一般情況下，卷積編碼方式多用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，Turbo編碼方式多用于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。</p><p>　　1.2 信道編碼技術(shù)的發(fā)展史</p><

25、;p>　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，信號(hào)受到各種有線和無線信道噪聲和衰落的影響將產(chǎn)生嚴(yán)重失真?？梢岳眯诺谰幋a技術(shù)，在發(fā)射端增加一個(gè)信道編碼模塊給傳輸信號(hào)添加冗余，在接收端增加一個(gè)信道譯碼模塊利用冗余信息檢測(cè)和糾正信號(hào)中的錯(cuò)誤。</p><p>　　1948年香農(nóng)（Shannon）發(fā)表《通信的數(shù)學(xué)理論》這篇文章，該文章對(duì)信道編碼技術(shù)的發(fā)展有著舉足輕重的作用，從此信道編碼技術(shù)的研究方向開始變得明確。在接

26、下來的近五十年，各種新的信道編碼方案也不斷被研究者們研究出來，且這些編碼方案的性能與最佳限（香農(nóng)最佳極限）逐漸接近。到1958年，主要的編碼方案有漢明碼和格雷碼等。</p><p>　　Shannon指出，在信息傳輸速率小于或等于信道容量，即時(shí)，可以通過信道編碼的方法來實(shí)現(xiàn)可靠通信，可是Shannon只提出了這種理論，卻未給出具體實(shí)現(xiàn)的方法。1950年R.Hamming針對(duì)計(jì)算機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)的問題編寫了使計(jì)算機(jī)能在正

27、常運(yùn)行的過程中具備檢錯(cuò)、糾錯(cuò)性能的解決程序。Hamming編寫的程序主要思想為：將輸入的信息比特分組，且每組含有四個(gè)比特，然后計(jì)算每組四個(gè)比特之間的線性組合方程式，并求出三個(gè)冗余比特（校驗(yàn)比特）。由此，每組中除了含有四個(gè)信息比特，還含有三個(gè)冗余比特，它們共同組成待傳送的碼字。將含有七個(gè)比特的碼字輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用其中的三個(gè)冗余比特，根據(jù)某種規(guī)則和算法，達(dá)到檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的目的。漢明碼是分組碼中的一種，它的編碼思想也是分組碼的編碼思想，

28、且這種編碼方案后來被稱之為漢明碼。漢明碼是在原編碼的基礎(chǔ)上附加一部分代碼，使其滿足糾錯(cuò)碼的條件。它屬于線性分組碼，由于線性碼的編碼和譯碼能輕易實(shí)現(xiàn)，至今仍是應(yīng)用最廣泛的一類碼。漢明碼的抗干擾能力較強(qiáng)，但付出的代價(jià)也很大，比如8比特漢明碼有效信息只有總編碼長度的一半，可以糾正1個(gè)差錯(cuò)發(fā)現(xiàn)2個(gè)差錯(cuò)。在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常存在各種突發(fā)干擾，</p><p>　　雖然漢明碼的思想是比較先進(jìn)的，但是它也存在許多難以接受的缺點(diǎn)。首

29、先，漢明碼的編碼效率比較低，它每4個(gè)比特編碼就需要3個(gè)比特的冗余校驗(yàn)比特。另外，在一個(gè)碼組中只能糾正單個(gè)的比特錯(cuò)誤。</p><p>　　格雷碼（Gray Code）是由法國工程師Jean-Maurice-Emlle Baudot提出的一種編碼，而因1953年Frank Gray申請(qǐng)專利而得名。格雷碼又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼，在數(shù)字系統(tǒng)中只能識(shí)別0和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，格雷碼是一種無

30、權(quán)碼，采用絕對(duì)編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補(bǔ)碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機(jī)取數(shù)時(shí)出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補(bǔ)特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯(cuò)誤最小化的編碼方式。但格雷碼不是權(quán)重碼，每一位碼沒有確定的大小，不能直接進(jìn)行比較大小和算術(shù)運(yùn)算，要經(jīng)過一次碼變換，變成自然二進(jìn)制碼，再由上位機(jī)讀取。解碼的方法是用‘0’和采集來的4位格雷碼的最高位（第4位）異或，結(jié)果保留到4位，再將異或的值和下

31、一位（第3位）相異或，結(jié)果保留到3位，再將相異或的值和下一位（第2位）異或，結(jié)果保留到2位，依次異或，直到最低位，依次異或轉(zhuǎn)換后的值（二進(jìn)制數(shù)）就是格雷碼轉(zhuǎn)換后自然碼的值。</p><p>　　20世紀(jì)60年代到20世紀(jì)70年代期間，人們?cè)絹碓街匾暰幋a理論在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，這個(gè)期間是信息編碼的兩個(gè)重要的發(fā)展期，很多性能優(yōu)異的分組碼結(jié)構(gòu)被提出。BCH碼就是這個(gè)時(shí)候被提出來的，它屬于循環(huán)碼中的一種。在這個(gè)時(shí)期，

32、BCH碼得到了很好的發(fā)展，并且編碼增益性能也越來越凸顯，在頻帶有效性不變的前提下，BCH碼比上個(gè)時(shí)期最優(yōu)秀的Gray碼有近2dB新的編碼增益。在這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)了很多譯碼方法，如迭代譯碼、門限譯碼等等，尤其是卷積碼的最優(yōu)譯碼算法——Viterbi譯碼方法。Viterbi譯碼方法能使卷積碼的譯碼變得具有更高效率、更快的速度，從此信道編碼的實(shí)用化有了更快的發(fā)展。</p><p>　　20世紀(jì)80年代之后，信道編碼開始了它

33、的第三個(gè)發(fā)展階段。這個(gè)階段出現(xiàn)的信道編碼方案的特點(diǎn)為：抗干擾能力更強(qiáng)，頻帶利用率更高，且其性能與香農(nóng)極限更加靠近。</p><p>　　20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)期間，信道編碼研究極其活躍，具有歷史意義的Turbo碼就是這個(gè)時(shí)候被提出。1993年C．Berrou在IEEE國際通信會(huì)議上，發(fā)表《Near Shannon limiterror-correcting coding and decoding:Turbo

34、code》一文。此文講述了Turbo碼結(jié)構(gòu)，并證實(shí)利用Turbo碼作為信道編碼，當(dāng)信噪比不小于/>=0.7db時(shí)(Shannon限為/=0db，其誤碼率。具有如此優(yōu)異性能的Turbo碼在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)，受到了廣泛的關(guān)注。從此，Turbo碼成為信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在這個(gè)時(shí)期得到了很好的發(fā)展。Turbo碼的提出具有非常深遠(yuǎn)的歷史意義，其優(yōu)異的性能標(biāo)志著信道編碼理論與技術(shù)進(jìn)入全新的研究階段，以往利用信道截止速率作為實(shí)際容量的時(shí)期將

35、不復(fù)存在。</p><p>　　LDPC碼（低密度奇偶校驗(yàn)碼，Low Density Parity Check Code，LDPC），最早是1963由麻省理工學(xué)院Robert G.Gallager博士提出。LDPC碼的性能非常優(yōu)秀，幾乎逼近香農(nóng)限，且任何信道都能適用。但是，其譯碼算法卻非常復(fù)雜，且當(dāng)時(shí)的研究技術(shù)條件有限，在LDPC碼被提出后并沒有收到廣大學(xué)者的關(guān)注。直到1993年Berrou等人發(fā)現(xiàn)了Turbo碼

36、，在此基礎(chǔ)上，1995年前后MacKay和Neal等人對(duì)LDPC碼重新進(jìn)行了研究，并提出廣為大眾接受的譯碼算法，更進(jìn)一步證實(shí)了該碼優(yōu)異的性能。接下來的十多年里，研究人員對(duì)LDPC碼的研究有了突破性的進(jìn)展，使得LDPC碼的性能更加接近香農(nóng)限，而且對(duì)它的編譯碼理論描述變得簡單，實(shí)際應(yīng)用也變得可行。到現(xiàn)在，對(duì)LDPC碼的研究已經(jīng)非常成熟，并進(jìn)入了無線通信等相關(guān)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　1.3 信道編碼技術(shù)的應(yīng)

37、用</p><p>　　信道編碼技術(shù)在提高數(shù)據(jù)傳輸效率，降低誤比特率方面起到很大的作用，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常寬廣，包括衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光纖通信等。</p><p><b>　?。?）衛(wèi)星通信</b></p><p>　　衛(wèi)星通信必須通過衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)，在通信的過程中，由于受到衛(wèi)星本身放大器件、天線尺寸、遙遠(yuǎn)通信路徑以及宇宙中其它星體等因素的影響，衛(wèi)

38、星通信信道有著功率受限、通信鏈路遠(yuǎn)、時(shí)延大、易受周圍環(huán)境干擾等特點(diǎn)。信道編碼技術(shù)作為保證信息有效、可靠傳輸?shù)挠行侄味粡V泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過信道編碼能在帶寬有限、信噪比較低的條件下實(shí)現(xiàn)信息的有效、可靠傳送，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[6]。</p><p><b>　?。?）移動(dòng)通信</b></p><p>　　移動(dòng)通信方式可以提供相對(duì)于

39、固定電話來說靈活、高效的通信方式，但是移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究、開發(fā)與實(shí)現(xiàn)也會(huì)復(fù)雜很多。移動(dòng)通信主要是以無線電波的方式傳輸信號(hào)，因此在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，損耗、衰落都會(huì)影響通信質(zhì)量。為應(yīng)對(duì)這些技術(shù)難題，數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)問世后，包含信道編碼在內(nèi)的各種數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了很大的發(fā)展。</p><p><b>　?。?）光纖通信</b></p><p>　　系統(tǒng)性能因受到信道自身物理

40、特性及外界的影響而大大下降。前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）是應(yīng)用在光纖通信中的一個(gè)重要信道編碼方案，通過信道編碼達(dá)到降低系統(tǒng)誤比特率的目的。</p><p>　　1.4 Matlab概述</p><p>　　計(jì)算機(jī)對(duì)科學(xué)技術(shù)的幾乎一切領(lǐng)域產(chǎn)成了極其深遠(yuǎn)的影響。熟練掌握并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算研究及工程應(yīng)用已是廣大科研設(shè)計(jì)人員所必備的基本技能之

41、一。從事科學(xué)研究和工程應(yīng)用時(shí)候所遇到的最大的困擾大抵是我們?cè)谟?jì)算涉及矩陣運(yùn)算或畫圖時(shí)，采用Fortran、C及C++等計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分麻煩的工作，不僅需要對(duì)所利用的有關(guān)算法有深刻的了解，還需要掌握所用語言的語法及編程技巧。</p><p>　　Matlab軟件由美國Math Works 公司于1984 年推出,歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)已成為通用科技計(jì)算和圖視交互系統(tǒng)的程序語言，是(IEEE) 國

42、際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一。它的指令表達(dá)與數(shù)學(xué)、工程中常用的習(xí)慣形式十分相似,從而使許多用C 或Fortran 實(shí)現(xiàn)起來十分復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的問題用Matlab就可以輕松地解決。Matlab的典型應(yīng)用包括：數(shù)學(xué)計(jì)算、算法研究、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算結(jié)果可視化、建模與仿真等[21]。</p><p>　　Matlab作為一種數(shù)值計(jì)算和與圖形處理工具軟件，其特點(diǎn)是語法結(jié)構(gòu)簡明、數(shù)值計(jì)算高效、圖形處理完備、易學(xué)易用，它在矩陣代

43、數(shù)數(shù)值計(jì)算、數(shù)字信號(hào)處理、震動(dòng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、動(dòng)態(tài)仿真等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。與C、C++、Fortran等高級(jí)語言相比，Matlab不但在數(shù)學(xué)語言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人機(jī)交互的高度一致，而且具有優(yōu)秀高技術(shù)計(jì)算環(huán)境所不可缺少的如下特征：</p><p>　?。?）高質(zhì)量、高可靠的數(shù)值計(jì)算能力；</p><p>　　（2）基于向量、數(shù)組和矩陣的高維設(shè)計(jì)語言；</p><

44、;p>　?。?）高級(jí)圖形和可視化數(shù)據(jù)處理的能力；</p><p>　　（4）廣泛解決各學(xué)科各專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜問題的能力；</p><p>　?。?）擁有一個(gè)強(qiáng)大的非線性系統(tǒng)仿真工具箱——Simulink；</p><p>　?。?）支持科學(xué)和工程計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的開放式、可交互結(jié)構(gòu)；</p><p><b>　?。?）跨平臺(tái)兼容。<

45、;/b></p><p><b>　　2 信道編碼</b></p><p>　　2.1 信道編碼簡介</p><p>　　1948年，信息論的奠基人C.E.Shannon在他的開創(chuàng)性論文“通信的數(shù)學(xué)理論”中，提出了著名的有噪信道編碼定理。即對(duì)任何信道,只要信息傳輸速率不大于信道容量， 就一定存在這樣的編碼方法：在采用最大似然譯碼時(shí),其

46、誤碼率可以任意小。該定理在理論上給出了對(duì)給定信道通過編碼所能達(dá)到的編碼增益的上限，并指出了為達(dá)到理論極限應(yīng)采用的譯碼方法。在信道編碼定理中，香農(nóng)提出了實(shí)現(xiàn)最佳編碼的三個(gè)基本條件 ：a采用隨機(jī)編譯碼方式 ；b編碼長度，即分組的碼組長度無限；c譯碼采用最佳的最大似然譯碼算法。</p><p>　　由于受到傳輸媒質(zhì)不定性以及噪聲、干擾等的影響，在信道上傳輸信號(hào)時(shí)，接收端所接收到的信號(hào)極可能存在一些偏差。為了能在信噪比的

47、值已知的情況下，提高傳輸質(zhì)量，使通信系統(tǒng)達(dá)到一定的誤比特率的標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)合理設(shè)計(jì)由信源端發(fā)送出來的信號(hào)、并對(duì)這些信號(hào)設(shè)計(jì)有效的調(diào)制與解調(diào)的方式，還可以利用光纖傳輸，以達(dá)到實(shí)際傳輸時(shí)盡可能的降低誤碼率值的目的。</p><p>　　在實(shí)際通信過程中，接收端接收到的信號(hào)由于受到衰減、失真、信道本身特性、環(huán)境干擾等的影響一般都會(huì)出現(xiàn)誤碼率。但是，現(xiàn)代各種用途的通信系統(tǒng)都要求能接收到完全準(zhǔn)確的信息，亦即將誤比特率降低到被

48、允許的程度以下。經(jīng)上述處理方法后，若誤比特率仍不能滿足通信系統(tǒng)的要求，則可以按照某種既定規(guī)律往發(fā)送端發(fā)出的信息序列中添加新的碼元，以使相互無關(guān)的信息序列各碼元之間建立起某種聯(lián)系，并利用這些新的碼元進(jìn)行差錯(cuò)控制，實(shí)現(xiàn)將誤比特率進(jìn)一步降低的目的，這種處理方法稱為信道編碼。信道編碼的另一種名稱為差錯(cuò)控制編碼。進(jìn)行信道編碼前的信息序列承載著所有的有用信息，它們被稱為消息碼元，新添加的碼元不承載任何消息，也不作為最終接收數(shù)據(jù)傳送給用戶，它們完全是

49、為了使得消息碼元之間產(chǎn)生聯(lián)系而存在的碼元，只是通信系統(tǒng)在信道傳輸?shù)倪^程中為了達(dá)到系統(tǒng)性能要求、保證通信質(zhì)量而采用的某種處理過程，接收端對(duì)信道傳輸來的信息利用這些監(jiān)督碼元作相應(yīng)的信道解碼處理后，監(jiān)督碼元便完成了它們的所有任務(wù)，它們被稱為冗余碼元（監(jiān)督碼元）。</p><p>　　信道編碼方法的基本思路：在發(fā)送端，在被傳輸?shù)男畔⒋a元里按照某種既定規(guī)則添加一些冗余碼元；在接收端，根據(jù)該規(guī)則分析消息碼元與冗余碼元的相互制

50、約關(guān)系。當(dāng)傳輸中有錯(cuò)誤存在的時(shí)候，消息碼元與冗余碼元之間原有的這種制約關(guān)系便被改變，接收端利用這一點(diǎn)能夠進(jìn)行檢錯(cuò)、糾錯(cuò)。如果信道的傳輸速率一定，因?yàn)槿哂啻a元的存在，勢(shì)必會(huì)降低用戶輸入的信息速率，新加入的冗余碼元越多，消息碼元與冗余碼元之間的聯(lián)系就更緊密，信號(hào)的檢錯(cuò)能力與糾錯(cuò)能力就會(huì)更強(qiáng)，但同時(shí)也導(dǎo)致信道傳輸消息時(shí)相同時(shí)間內(nèi)傳輸承載有用信息的碼元越少，也就導(dǎo)致了編碼效率變小。所以，通信系統(tǒng)傳輸信息的可靠性與信道傳輸速率兩者是此消彼長的。&

51、lt;/p><p>　　信道編碼的性能指標(biāo)：</p><p>　?。?）編碼效率：設(shè)信息碼元有位，經(jīng)過信道編碼后添加了位冗余碼元，編碼效率。</p><p>　?。?）編碼增益：即在誤比特率一定的條件下，經(jīng)過信道編碼后傳輸?shù)男旁氡扰c未經(jīng)信道編碼的情況下傳輸?shù)男旁氡鹊牟钪担Q為編碼增益。</p><p><b>　　（3）編碼延時(shí)。<

52、;/b></p><p>　　（4） 編碼器與譯碼器的復(fù)雜度。</p><p>　　2.2 信道編碼的基本原理</p><p>　　設(shè)編碼后的碼字碼長為，其中有位信息碼元，則編碼效率。編碼效率表示碼字中有用碼元（信息碼元）所占的比例，的值越大表示碼字中有用的信息越多，碼字中用來承載有用信息的碼元就越多，數(shù)據(jù)傳輸就具有更高的效率。</p><

53、;p>　　為了提高通信系統(tǒng)的可靠性，較少誤比特率，信道容量為公式（2.1）。</p><p>　　C=Blog2(1+S/N)=Blog2(1+S/n0b)(bit/s) (2.1)</p><p>　　其中，表示信道容量，表示信道有效帶寬，表示信號(hào)的功率，表示信噪比，表示噪聲單邊功率譜密度，表示噪聲功率。上式表明，信道容量、帶寬與信噪比在一定情況下可以相互補(bǔ)償。<

54、;/p><p>　　某種編碼方法的性能是好還是差，有很多參數(shù)可以用來衡量，編碼效率就是其中一個(gè)。若將碼字中信息碼元數(shù)用表示，冗余碼元數(shù)用表示，則編碼效率計(jì)算公式為：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　上式說明，當(dāng)值一定時(shí)，的值越大時(shí)，的值越小，單位時(shí)間內(nèi)信道傳送的信息碼元的有效性就越高。</p>&l

55、t;p>　　從編碼的角度來看，編碼后的碼字長度和信道上被傳信息的傳輸速率與誤比特率均有關(guān)，這兩者的函數(shù)關(guān)系為：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　其中，是一個(gè)認(rèn)為設(shè)置的函數(shù)，與信道有關(guān)，稱之為可靠性函數(shù)，其參變量為信息的傳輸速率。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，誤比特率的值越小，通信的可靠性越高。根據(jù)式3.2-3可知，增大碼長或者使可靠性函數(shù)

56、增大，均可使誤比特率減少。又根據(jù)式3.2-1可知，當(dāng)傳輸速率的值不變時(shí)，信道容量的值越大，的值也越大；當(dāng)信道容量的值不變時(shí)，信息的傳輸速率越小，的值也越大。綜上所述，降低信息傳輸速率和增大信道容量均可增大可靠性函數(shù)。</p><p>　　綜合上述分析，為了降低誤比特率，可以采取以下措施：</p><p>　?。?）增大信道容量。信道容量不僅與帶寬和信號(hào)平均功率密切相關(guān)，還與噪聲譜密度也關(guān)系

57、緊密。根據(jù)Shannon第二定理，在其他條件都相同時(shí)，增大信道容量肯定可以提高通信的可靠性，減少誤比特率。為此，可以采取如下措施：</p><p>　　（2）擴(kuò)展帶寬。其主要手段是不斷開發(fā)新的頻段以利用帶寬應(yīng)用，有線通信使用的傳輸媒質(zhì)包括明線、電纜和光纖等，占用的頻帶從幾十赫茲到數(shù)百赫茲；無線通信則從聲波到毫米波、微米波。</p><p>　?。?）加大功率。例如，提高發(fā)送功率，使用高增益

58、天線，應(yīng)用分集接收技術(shù)，根據(jù)智能天線將無方向的漫射改為方向性強(qiáng)的波束或點(diǎn)波束等。</p><p>　?。?）降低噪聲。例如，可以采用噪聲比較低的器件、進(jìn)行濾波處理等等方法。</p><p>　?。?）采取一定的措施盡可能的消除信號(hào)各個(gè)碼元波形之間的干擾，減少誤比特率。</p><p>　?。?）選用優(yōu)良的信號(hào)設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)制與解調(diào)以提高可靠性，減少誤比特率。<

59、/p><p>　　（7）降低信息傳輸速率。當(dāng)要傳輸?shù)男畔⒘坎蛔兊那闆r下，增加更多的冗余信息，也就是在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)挠杏眯畔⒆兩?，因?yàn)楦嗳哂嘈畔⒌拇嬖诙沟眯诺谰幾g碼的能力更加強(qiáng)大，從而提高了可靠性，但延長了傳輸時(shí)間。</p><p>　　假設(shè)在信道中當(dāng)發(fā)生發(fā)送為“0”而接收為“1”，和發(fā)送為“1”而接收為“0”的情況的概率都為（），那么在碼長為的碼組中出現(xiàn)種發(fā)“0”收“1”或者“1”收“0

60、”的概率：</p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　在不作任何糾錯(cuò)處理時(shí)的誤比特率：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　糾錯(cuò)能力為t位的誤比特率：</p><p><b>　　（2.6）</b>

61、;</p><p>　　綜上所述，利用信道編碼方法后，即使只能糾正（或者檢測(cè)）碼字中很少甚至1個(gè)或者2個(gè)錯(cuò)誤，依然能使誤比特率下降幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明，即使是簡單的信道編碼也具有較大的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)然，如果在突發(fā)信道中傳輸，由于錯(cuò)誤是成串集中出現(xiàn)的，所以上述只能糾正碼字中1或2個(gè)錯(cuò)誤的編碼，其效用就不像在隨機(jī)信道中那樣明顯了，需要采用更為有效的糾錯(cuò)編碼。</p><p>　　2.3 信道編碼

62、系統(tǒng)模型</p><p>　　信道的組成如圖（2.1）所示。</p><p>　　圖2.1 信道的一般組成</p><p>　　通信信道其實(shí)是物理媒介，它主要是起到一種橋梁的作用，將發(fā)送機(jī)輸出的信號(hào)傳輸給接收機(jī)。</p><p>　　調(diào)制信道包括三部分，分別是發(fā)轉(zhuǎn)換器裝置、媒質(zhì)和收轉(zhuǎn)換器裝置。調(diào)制信道主要用于研究和分析調(diào)制與解調(diào)的問題，例如調(diào)

63、制器輸入端的信號(hào)與噪聲之間的特性以及輸出的信號(hào)形式。</p><p>　　編碼信道由調(diào)制器、調(diào)制信道以及解調(diào)器三個(gè)部分構(gòu)成。編碼與譯碼問題是編碼信道的主要研究問題。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，采用編碼信道能夠使分析問題相對(duì)變得簡單。編碼信道的主要作用是對(duì)輸入信號(hào)序列按照一定規(guī)則，加入冗余碼，使其輸出信號(hào)序列相對(duì)于輸入信號(hào)序列發(fā)生改變。用概率來描述，用表示發(fā)送端發(fā)送“”碼，接收端接收到為“”碼的概率。對(duì)于二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)，

64、其信道模型如圖（2.2）所示。</p><p>　　圖2.2 二進(jìn)制編碼信道模型</p><p>　　、表示發(fā)送“0”與“1”的先驗(yàn)概率，、表示正確轉(zhuǎn)移的概率，、表示不正確的轉(zhuǎn)移概率。外界干擾、噪聲越多，傳輸發(fā)生的錯(cuò)誤就會(huì)越多，即與的值就越大。</p><p><b>　　（2.7）</b></p><p><b

65、>　?。?.8）</b></p><p><b>　　輸出錯(cuò)誤率：</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)移概率取決于編碼信道的特性，如果信道一定，那么它的轉(zhuǎn)移概率也一定。</p><p>　　由于物理媒質(zhì)的不定性，無線信道發(fā)生時(shí)變沖擊響應(yīng)。

66、因此無線信道的數(shù)學(xué)模型具有時(shí)變、多徑的特點(diǎn)，且每條路徑的衰落因子也是時(shí)變的，也就是在通信時(shí)信號(hào)會(huì)通過多條路徑傳輸，接收端接收到的信號(hào)會(huì)不同步</p><p>　　3 幾種常見的信道編碼</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，為了最大限度的減少接收信號(hào)與大宋信號(hào)之間存在的失真，在消息序列進(jìn)入信道之前進(jìn)行了信道編碼。本章主要介紹了幾種常見信道編碼的編碼和譯碼原理。并列出相應(yīng)的編碼和譯碼程序。&l

67、t;/p><p>　　3.1 線性分組碼</p><p>　　3.1.1 線性分組碼簡介</p><p>　　長度為的二進(jìn)制序列有種，從中選出（）個(gè)不同的序列即可構(gòu)成一個(gè)分組碼，將這個(gè)碼字記為。每個(gè)比特長的信息序列可以映射得到一個(gè)長度為的碼字，稱為碼率。</p><p>　　線性分組碼是最常用的一類分組碼，一個(gè)的線性分組碼是維線性空間上的一個(gè)

68、維線性子空間，假設(shè)它的一組基為，因此線性分組碼的任何一個(gè)碼字都可以表示為基中元素的線性組合：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　上式可以看成是線性分組碼的編碼過程，其中可以表示成長度為的信息序列，表示編碼得到的碼字。若將基序列寫成一個(gè)矩陣的形式</p><p><b>　　（3.2）</b>

69、;</p><p>　　這樣得到的維的矩陣成為生成矩陣，它可以用來定義一個(gè)線性分組碼。在線性分組碼的編碼過程可以利用信息序列與的乘積來進(jìn)行：</p><p><b>　　（3.3）</b></p><p>　　一個(gè)線性分組碼也可以由校驗(yàn)矩陣定義。校驗(yàn)矩陣是一個(gè)維矩陣，生成矩陣的行空間中的任意向量都與的行正交，也即有如下關(guān)系：</p>

70、<p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　由式3.3與3.4可知，所有碼字與校驗(yàn)矩陣均有如下關(guān)系：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　這正是校驗(yàn)矩陣的由來。如果某個(gè)元矢量滿足式4.1.1-5給出的教研關(guān)系，那么極為分組碼的一個(gè)碼字。</p>&

71、lt;p>　　如果分組碼的生成矩陣具有下列形式：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中，代表的單位矩陣，代表的矩陣，那么，稱具有系統(tǒng)形式，對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)矩陣為：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　利用系統(tǒng)形式生成的矩陣通過式3.

72、1.1-3編碼可以得到系統(tǒng)形式的碼字，及碼字的前個(gè)比特是信息序列本身，而剩下的的比特為奇偶校驗(yàn)比特，他們是信息比特的線性組合，如圖（3.1）所示。</p><p>　　圖3.1 碼字的系統(tǒng)形式</p><p>　　3.1.2 線性分組碼的編碼與譯碼原理</p><p>　　線性碼的編碼就是根據(jù)線性碼的校驗(yàn)矩陣和生成矩陣將長為的信息組變換成長為的碼字，即先求出信息

73、元和碼元之間的關(guān)系，再利用此關(guān)系構(gòu)造編碼電路。若由校驗(yàn)矩陣和生成矩陣求出的信息元和碼元之間關(guān)系的結(jié)果是一致的，則編碼電路也相同。</p><p>　　因?yàn)樾畔⑿蛄性趥鬏斶^程中產(chǎn)生了不同程度的差錯(cuò)，接收端接收的序列與發(fā)送端發(fā)送的序列不完全相同：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　其中，為信道的錯(cuò)誤圖樣。</

74、p><p>　　令的伴隨式（校正因子）為：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　則有。</b></p><p>　　時(shí)，譯碼器的主要任務(wù)就是從中求出，并經(jīng)過譯碼計(jì)算得到發(fā)送端發(fā)送的是何種碼字。</p><p>　　線性分組碼的譯碼器的結(jié)果如

75、圖（3.2）所示。</p><p>　　圖3.2 線性分組碼譯碼器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.1.3 線性分組碼的編碼程序及仿真圖</p><p>　　1、線性分組碼的編碼程序</p><p>　　function bitcoded=channelcoding(sym,G,k) %編碼函數(shù)</p><p>　

76、　A=vec2mat(sym,k);%將向量轉(zhuǎn)換為矩陣</p><p>　　U=A*G;%進(jìn)行線性運(yùn)算實(shí)現(xiàn)編碼</p><p>　　U=mod(U,2);%進(jìn)行模運(yùn)算，使矩陣中的每個(gè)元素都為1或0</p><p>　　bitcoded=reshape(U',1,[]);%將矩陣轉(zhuǎn)換為向量</p><p>　　function y=xx

77、fzm()% 主函數(shù)</p><p>　　sym=randint(1,9);</p><p>　　G=[1 0 1 1 1 0 0;</p><p>　　1 0 1 0 0 1 0; %選用（7,3）碼</p><p>　　0 1 1 0 0 0 1;] ;</p><p><b>　　k=3

78、;</b></p><p>　　y= channelcoding(sym,G,k);</p><p>　　subplot(211)</p><p>　　stairs(1:length(sym),sym);</p><p>　　axis([1 length(sym) -0.2 1.2]);</p><p>　

79、　title('隨進(jìn)產(chǎn)生的二進(jìn)制序列');</p><p>　　subplot(212)</p><p>　　stairs(1:1:length(y),y);</p><p>　　axis([1 length(y) -0.2 1.2]);</p><p>　　title('進(jìn)行編碼后的序列') </p&g

80、t;<p>　　2、線性分組碼的編碼仿真圖</p><p>　　首先隨機(jī)產(chǎn)生一段二進(jìn)制序列，其仿真圖形如圖（3.3）所示：</p><p>　　圖3.3隨機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制序列</p><p>　　接著對(duì)二進(jìn)制序列進(jìn)行線性編碼，其編碼圖如圖（3.4）所示</p><p>　　圖3.4線性分組碼編碼序列</p><

81、p>　　3.1.4 線性分組碼的譯碼程序及仿真圖</p><p>　　1、線性分組碼的譯碼程序</p><p>　　function bitdecoded=channeldecoding(recode,Etab,Smatrix,H,n,k)</p><p>　　% 前向糾錯(cuò)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)功能</p><p>　　% bidecoded

82、為糾錯(cuò)后返回的比特流</p><p>　　% recode為輸入的比特流</p><p>　　% E為錯(cuò)誤圖樣表，S為對(duì)應(yīng)的伴隨式表</p><p>　　% H為監(jiān)督矩陣，n,k為碼的類型，如（7，4）碼，n=7，k=4</p><p>　　row=length(recode)/n; %行數(shù)</p><p>　　E=

83、zeros(row,n); %錯(cuò)誤圖樣</p><p>　　RM=zeros(row,n); %糾錯(cuò)之后的矩陣</p><p>　　R=vec2mat(recode,n);</p><p>　　S=R*H'; %伴隨矩陣</p><p>　　S=mod(S,2);</p><p>　　for i=1:row&

84、lt;/p><p>　　for j=1:2^(n-k) %查表糾錯(cuò)</p><p>　　if(S(i,:)==Smatrix(j,:))</p><p>　　E(i,:)=Etab(j,:);</p><p>　　RM(i,:)=R(i,:)+E(i,:);</p><p>　　RM(i,:)=mod(RM(i,:)

85、,2);</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end end</b></p><p>　　m(:,:)=RM(:,((n-k+1):n));</p><p>　　bi

86、tdecoded=reshape(m',1,[]); </p><p>　　function y=xxfzmyi()% 主函數(shù)</p><p>　　sym=randint(1,9);</p><p>　　G=[1 0 1 1 1 0 0;</p><p>　　1 0 1 0 0 1 0;</p><p>　　0

87、 1 1 0 0 0 1;] ;</p><p><b>　　k=3;</b></p><p>　　H=[1 0 0 1 1 0 1;0 1 0 1 0 1 1;0 0 1 1 1 1 0] ; %監(jiān)督矩陣</p><p>　　Etab= [0 0 0 0 0 0 0;0 0 0 0 0 0 1; %錯(cuò)誤圖樣</p>&l

88、t;p>　　0 0 0 0 0 1 0;0 0 0 0 1 0 0;</p><p>　　0 0 0 1 0 0 0;0 0 1 0 0 0 0;</p><p>　　0 1 0 0 0 0 0;1 0 0 0 0 0 0];</p><p>　　Smatrix=Etab*H'</p><p>　　x= channelcodin

89、g(sym,G,k);</p><p>　　y= channeldecoding(x,Etab,Smatrix,H,7,4);</p><p>　　subplot(311)</p><p>　　stairs(1:length(sym),sym);</p><p>　　axis([1 length(sym) -0.2 1.2]);</p&

90、gt;<p>　　title('隨進(jìn)產(chǎn)生的二進(jìn)制序列');</p><p>　　subplot(312)</p><p>　　stairs(1:1:length(x),x);</p><p>　　axis([1 length(x) -0.2 1.2]);</p><p>　　title('進(jìn)行編碼后的序列

91、') </p><p>　　subplot(313)</p><p>　　stairs(1:1:length(y),y);</p><p>　　axis([1 length(y) -0.2 1.2]);</p><p>　　title('經(jīng)過解碼后的序列') </p><p>　　2、線性分組碼

92、的譯碼仿真圖</p><p>　　首先隨機(jī)產(chǎn)生一段二進(jìn)制序列，如圖（3.5）所示</p><p>　　圖3.5 隨機(jī)產(chǎn)生的二進(jìn)制序列</p><p>　　之后對(duì)產(chǎn)生的序列進(jìn)行編碼，如圖（3.6）所示</p><p>　　圖3.6 進(jìn)行編碼后的序列</p><p>　　最后調(diào)用解碼函數(shù)函數(shù)進(jìn)行解碼，如圖（3.7）所示&

93、lt;/p><p>　　圖3.7 進(jìn)行解碼后的序列</p><p>　　由圖(3.5)和圖（3.7）可知，解碼之后的序列和原序列相同，所以證明了編碼和譯碼函數(shù)的正確性</p><p><b>　　3.2 循環(huán)碼</b></p><p>　　3.2.1 循環(huán)碼簡介</p><p>　　循環(huán)碼是線性

94、分組碼中一個(gè)重要的分支。它的檢、糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，編碼和譯碼設(shè)備并不復(fù)雜，而且性能較好，不僅能糾隨機(jī)錯(cuò)誤，也能糾突發(fā)錯(cuò)誤。</p><p>　　循環(huán)碼是目前研究得最成熟的一類碼，并且有嚴(yán)密的代數(shù)理論基礎(chǔ)，故有許多特殊的代數(shù)性質(zhì)，這些性質(zhì)有助于按所要求的糾錯(cuò)能力系統(tǒng)地構(gòu)造這類碼，且易于實(shí)現(xiàn)，所以循環(huán)碼受到人們的高度重視，在FEC系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　循環(huán)碼有兩個(gè)數(shù)學(xué)特征：&

95、lt;/p><p>　　1、線性分組碼的封閉型</p><p>　　2、循環(huán)性，即任一許用碼組經(jīng)過循環(huán)移位后所得到的碼組仍為該許用碼組集合中的一個(gè)碼組。為了用代數(shù)理論研究循環(huán)碼，可將碼組用多項(xiàng)式表示，循環(huán)碼組中各碼元分別為多項(xiàng)式的系數(shù)。長度為n的碼組A=(an-1an-2···a1a0)用碼多項(xiàng)式表示則為</p><p>　　A(x)=an

96、-1+an-2xn-2+···a1x+a0 （3.10）</p><p>　　(3.10)式中,x的冪次是碼元位置的標(biāo)記。</p><p>　　若把一個(gè)碼組左移i位后的碼組記為A(i)=(an-i-1,an-i-2,···,an-i+1,an-i)，其碼多項(xiàng)式為：</p>&l

97、t;p>　　A(l)(x)=an-i-1xn-1+an-i-2+···+an-i+1x+an-i （3.11）</p><p>　　A(i)(x)可以根據(jù)xiA(x)按模xn+1運(yùn)算得到，即</p><p>　　A(i)(x)=xiA(x)mod(xn+1) （3.12）</p>

98、;<p>　　碼多項(xiàng)式之間可以進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算，在二元碼中遵循模2運(yùn)算的規(guī)則。根據(jù)線性碼的封閉性，任意兩碼字經(jīng)模運(yùn)算后仍為本碼組中的碼字。</p><p>　　3.2.2 循環(huán)碼編碼和譯碼原理</p><p>　　如上所述，但循環(huán)碼的生成多項(xiàng)式g(x)確定時(shí)，碼就完全確定了?，F(xiàn)在討論生成多項(xiàng)式g(x)給定以后，如何實(shí)現(xiàn)循環(huán)碼的編碼問題。</p><p>

99、　　若已知 g(x)=gn-kxn-k+gn-k-1xn-k-1+...g1x+g0 （3.13）</p><p>　　并設(shè)信息元多項(xiàng)式 m(x)=mk-1xk-1+mk-2xk-2+...m1x+m0 （3.14）</p><p>　　要編碼成系統(tǒng)循環(huán)碼形式，即

100、碼字的最左邊k位是信息元，其余n-k位是校驗(yàn)元，則要用xn-k 乘以m(x)，再加上校驗(yàn)元多項(xiàng)式r(x),這樣得到的碼字多項(xiàng)式c(x)為</p><p>　　c(x)=xn-km(x)+r(x) =mk-1xn-1+mk-2xn-2+...m0xn-k+rn-k-1xn-k-1+...r1x+r0 （3.15）</p><p>　　其中 r(x)=rn-k-

101、1xn-k-1+...r1x+r0</p><p>　　c(x)一定是g(x)的倍式，即有</p><p>　　c(x)=xn-km(x)+r(x)=q(x)g(x) （3.16）</p><p>　　c(x)=xn-km(x)+r(x)=0，mod g(x) （3.17）<

102、/p><p>　　注意到g(x)為n-k次多項(xiàng)式，而r(x)最多為n-k-1次多項(xiàng)式，必有</p><p>　　r(x)=xn-km(x), mod g(x) （3.18）</p><p>　　即r(x)必是xn-km(x)除以g(x)的余式。</p><p>　　公式(3.26)指出了系統(tǒng)循

103、環(huán)碼的編碼方法：首先將信息元多項(xiàng)式m(x)乘以xn-k成為xn-km(x)，然后將xn-km(x)除以生成多項(xiàng)式g(x)得到余式r(x)，該余式就是校驗(yàn)元多項(xiàng)式，從而得到碼字多項(xiàng)式</p><p>　　c(x)=xn-km(x)+r(x) （3.19）</p><p>　　綜上所述，系統(tǒng)循環(huán)碼的編碼問題，可以歸結(jié)為兩個(gè)多項(xiàng)式的除法

104、運(yùn)算，即將xn-km(x)除以生成多項(xiàng)式g(x)得到余式r(x)的運(yùn)算，因此研究多項(xiàng)式除法的電路實(shí)現(xiàn)是必要的。</p><p>　　當(dāng)碼字c通過噪聲信道傳送時(shí)，會(huì)受到干擾而產(chǎn)生錯(cuò)誤。如信道產(chǎn)生 y=c+e</p><p>　　上式也可以寫成多項(xiàng)式形式 y(x)=c(x)+e(x)</p><p>　　譯碼器的任務(wù)就是從y(

105、x)中得到，然后求得估值碼字=y(x)+(x),并從中得到信息組(x)。</p><p>　　循環(huán)碼的譯碼可按以下三個(gè)步驟進(jìn)行：</p><p>　　1、接收到的y(x)計(jì)算伴隨式式s(x);</p><p>　　2、根據(jù)伴隨式s(x)找到對(duì)應(yīng)的估值錯(cuò)誤圖樣(x);</p><p>　　3、計(jì)算=y(x)+(x),得到估值碼字(x)。若(x)

106、=c(x),則譯碼正確，否則，若(x)≠c(x),則譯碼錯(cuò)誤。</p><p>　　譯碼器實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，往往是一個(gè)糾錯(cuò)碼能否使用的關(guān)鍵。利用循環(huán)碼的循環(huán)特性，經(jīng)常會(huì)使其譯碼運(yùn)算變得簡單，這也是循環(huán)碼受到關(guān)注和重視的重要原因。</p><p>　　3.2.3 循環(huán)碼的編碼和譯碼程序</p><p>　　由于循環(huán)碼是一組特殊的線性分組碼，所以線性分組碼的編碼和譯碼程

107、序?qū)ζ渫耆m用，在此處不再重復(fù)列出。</p><p><b>　　3.3 卷積碼</b></p><p>　　3.3.1 卷積碼簡介</p><p>　　卷積碼最早于1955年由Elias提出，稍后，1957年Wozencraft提出了一種有效地譯碼方法即序列譯碼。1963年Massey提出了一種性能稍差但是比較實(shí)用的門限譯碼方法，使得卷積碼

108、開始走向?qū)嵱没?。而?967年Viterbi提出了最大似然譯碼算法，它對(duì)存儲(chǔ)級(jí)數(shù)較小的卷積碼很容易實(shí)現(xiàn)，被稱作Viterbi譯碼算法，廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代通信中。</p><p>　　卷積碼是一種性能優(yōu)越的信道編碼，它的編碼器和解碼器都比較易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，這使得它的使用越來越廣泛。我們?cè)谝恍┵Y料上可以找到關(guān)于分組碼的一些介紹，分組碼的實(shí)現(xiàn)是將編碼信息分組單獨(dú)進(jìn)行編碼，因此無論是在編碼還是譯碼的過程

109、中不同碼組之間的碼元無關(guān)。卷積碼和分組碼的根本區(qū)別在于，它不是把信息序列分組后再進(jìn)行單獨(dú)編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。即進(jìn)行分組編碼時(shí)，其本組中的n-k個(gè)校驗(yàn)元僅與本組的k個(gè)信息元有關(guān)，而與其它各組信息無關(guān)；但在卷積碼中，其編碼器將k個(gè)信息碼元編為n個(gè)碼元時(shí)，這n個(gè)碼元不僅與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，而且與前面的（N－1）段信息有關(guān)（N為編碼的約束長度）。 </p><p&g

110、t;　　同樣，在卷積碼譯碼過程中，不僅從此時(shí)刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時(shí)刻收到的碼組中提取有關(guān)信息。而且卷積碼的糾錯(cuò)能力隨約束長度的增加而增強(qiáng)，差錯(cuò)率則隨著約束長度增加而呈指數(shù)下降 。卷積碼(n,k,N) 主要用來糾隨機(jī)錯(cuò)誤，它的碼元與前后碼元有一定的約束關(guān)系，編碼復(fù)雜度可用編碼約束長度N*n來表示。一般地，最小距離d表明了卷積碼在連續(xù)N段以內(nèi)的距離特性，該碼可以在N個(gè)連續(xù)碼流內(nèi)糾正(d-1)/2個(gè)錯(cuò)誤。卷積碼

111、的糾錯(cuò)能力不僅與約束長度有關(guān)，還與采用的譯碼方式有關(guān)?？傊?，由于n，k較小，且利用了各組之間的相關(guān)性，在同樣的碼率和設(shè)備的復(fù)雜性條件下，無論理論上還是實(shí)踐上都證明：卷積碼的性能至少不比分組碼差。</p><p>　　以二元碼為例，輸入信息序列為u＝(u0，u1，…)，其多項(xiàng)式表示為u(x)＝u0+u1x＋…＋ulxl＋…。編碼器的連接可用多項(xiàng)式表示為g(1,1)(x)＝1+x+x2和g(1,2)(x)＝1+x2，

112、稱為碼的子生成多項(xiàng)式。它們的系數(shù)矢量g(1,1)=(111)和g(1,2)=(101)稱作碼的子生成元。以子生成多項(xiàng)式為陣元構(gòu)成的多項(xiàng)式矩陣G(x)＝[g(1,1)(x),g(1,2)(x)]，稱為碼的生成多項(xiàng)式矩陣[16]。由生成元構(gòu)成的半無限矩陣 稱為碼的生成矩陣。其中(11,10,11)是由g(1,1)和g(1,2)交叉連接構(gòu)成。編碼器輸出序列為c＝u·G，稱為碼序列，其多項(xiàng)式表示為c(x)，它可看作是兩個(gè)子碼序列c(1

113、)(x)和c(2)(x)經(jīng)過合路開關(guān)S合成的，其中c(1)(x)＝u(x)g(1,1)(x)和c(2)(x)＝u(x)g(1,2)(x),它們分別是信息序列和相應(yīng)子生成元的卷積，卷積碼由此得名。 </p><p>　　在一般情況下，輸入信息序列經(jīng)過一個(gè)時(shí)分開關(guān)被分成k0個(gè)子序列,分別以u(píng)(x)表示,其中i=1，2,…k0，即u(x)＝[u(x),…,u(x)]。編碼器的結(jié)構(gòu)由k0×n0階生成多項(xiàng)式矩陣給

114、定。輸出碼序列由n0個(gè)子序列組成，即c(x)＝[c(x),c(x)，…，c(x)]，且c(x)=u(x)·G(x)。若m是所有子生成多項(xiàng)式g(x)中最高次式的次數(shù)，稱這種碼為(n0，k0，N)卷積碼。卷積碼中編碼后的n個(gè)碼元不僅與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān)，而且也與前面（N-1）段的信息有關(guān)，編碼過程中相互關(guān)聯(lián)的碼元為nN個(gè)。因此，這N時(shí)間內(nèi)的碼元數(shù)目nN通常被稱為這種碼的約束長度。卷積碼的糾錯(cuò)能力隨著N的增加而增大，在編碼器復(fù)雜程