一、概述

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)生如圖像跳躍、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(duì)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，這就是我們通常說的開銷。這就好像我們運(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個(gè)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。

這里結(jié)合數(shù)字視頻廣播（DVB）技術(shù)以說明信道編碼技術(shù)及應(yīng)用。大家知道DVB依據(jù)傳輸媒介一般有3種傳輸模式：衛(wèi)星傳輸（DVB-S）、電纜傳輸（DVB-C）和地面無線傳輸（DVB-T），這3種模式由于其傳輸信道的不同，所應(yīng)用的信道編碼技術(shù)也是不同的。

在數(shù)字視頻廣播（DVB）技術(shù)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(jí)聯(lián)編碼。級(jí)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(duì)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。所以在電視廣播系統(tǒng)（單向傳輸系統(tǒng)）都采用這種信道編碼方式。下圖1是糾錯(cuò)碼的各種類型。下面簡(jiǎn)單介紹以下相關(guān)類型糾錯(cuò)碼。

圖1：糾錯(cuò)碼的類型

二、相關(guān)類型糾錯(cuò)碼

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(zhǎng)度字節(jié)數(shù)，對(duì)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(cè)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)淖饔谩＞矸e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忍芈试龃螅m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(jí)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(zhǎng)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(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)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(zhǎng)串的比特差錯(cuò)變成短串差錯(cuò)，從而可以用前向碼對(duì)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(zhǎng)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(duì)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)碼加交織的作用可以理解為擴(kuò)展了前向糾錯(cuò)的可抗長(zhǎng)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(duì)較低。糾錯(cuò)能力弱的則要求更深的交織深度。下圖2-4-1是交織的原理圖。

圖2-4-1：交織的原理圖

一般來說，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，在發(fā)端先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FEC編碼，然后再進(jìn)行交織處理。在收端次序和發(fā)端相反，先做去交織處理完成誤差分散，再FEC解碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。另外，從上圖可看出，交織不會(huì)增加信道的數(shù)據(jù)碼元。

根據(jù)信道的情況不同，信道編碼方案也有所不同，如在DVB-T里由于是無線信道且存在多徑干擾和其它的干擾，所以信道很“臟”，為此它的信道編碼是：RS+外交織+卷積碼+內(nèi)交織。采用了兩次交織處理的級(jí)聯(lián)編碼，增強(qiáng)其糾錯(cuò)的能力。RS作為外編碼，其編碼效率是188/204（又稱外碼率），卷積碼作為內(nèi)編碼，其編碼效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種（又稱內(nèi)碼率）選擇，信道的總編碼效率是兩種編碼效率的級(jí)聯(lián)疊加。設(shè)信道帶寬8MHz，符號(hào)率為6.8966Ms/s，內(nèi)碼率選2/3，16QAM調(diào)制，其總傳輸率是27.586Mbps，有效傳輸率是27.586x(188/204)x(2/3)=16.948Mbps，如果加上保護(hù)間隔的插入所造成的開銷，有效碼率將更低。

在DVB-C里，由于是有線信道，信道比較“干凈”，所以它的信道編碼是：RS+交織。一般DVB-C的信道物理帶寬是8MHz，在符號(hào)率為6.8966Ms/s，調(diào)制方式為64QAM的系統(tǒng)，其總傳輸率是41.379Mbps，由于其編碼效率為188/204，所以其有效傳輸率是41.379 x 188/204=38.134Mbps。

在DVB-S里，由于它是無線信道，所以它的信道編碼是：RS+交織+卷積碼。也是級(jí)聯(lián)編碼。下圖2-4-2是DVB-T、DVB-C、DVB-S各自的信道編碼方式。

圖2-4-2：DVB三種媒介各自的信道編碼方式

5、偽隨機(jī)序列擾碼

進(jìn)行基帶信號(hào)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)是其頻譜會(huì)因數(shù)據(jù)出現(xiàn)連“1”和連“0”而包含大的低頻成分，不適應(yīng)信道的傳輸特性，也不利于從中提取出時(shí)鐘信息。解決辦法之一是采用擾碼技術(shù)，使信號(hào)受到隨機(jī)化處理，變?yōu)閭坞S機(jī)序列，又稱為“數(shù)據(jù)隨機(jī)化”和“能量擴(kuò)散”處理。擾碼不但能改善位定時(shí)的恢復(fù)質(zhì)量，還可以使信號(hào)頻譜平滑，使幀同步和自適應(yīng)同步和自適應(yīng)時(shí)域均衡等系統(tǒng)的性能得到改善。

擾碼雖然“擾亂”了原有數(shù)據(jù)的本來規(guī)律，但因?yàn)槭侨藶榈摹皵_亂”，在接收端很容易去加擾，恢復(fù)成原數(shù)據(jù)流。

實(shí)現(xiàn)加擾和解碼，需要產(chǎn)生偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）再與輸入數(shù)據(jù)逐個(gè)比特作運(yùn)算。PRBS也稱為m序列，這種m序列與TS的數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行模2加運(yùn)算后，數(shù)據(jù)流中的“1”和“0”的連續(xù)游程都很短，且出現(xiàn)的概率基本相同。

利用偽隨機(jī)序列進(jìn)行擾碼也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)高保密性傳輸?shù)闹匾侄沃弧Ｒ话銓⑿旁串a(chǎn)生的二進(jìn)制數(shù)字信息和一個(gè)周期很長(zhǎng)的偽隨即序列模2相加，就可將原信息變成不可理解的另一序列。這種信號(hào)在信道中傳輸自然具有高度保密性。在接收端將接收信號(hào)再加上（模2和）同樣的偽隨機(jī)序列，就恢復(fù)為原來發(fā)送的信息。

在DVB-C系統(tǒng)中的CA（條件接收）系統(tǒng)原理就源于此，只不過為了加強(qiáng)系統(tǒng)的保密性，其偽隨機(jī)序列是不斷變化的（10秒變一次），這個(gè)偽隨機(jī)序列又叫控制字（CW）。

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