信源编码与信道编码解析

来源：职称驿站所属分类：软件开发论文
发布时间：2012-12-29浏览：229次

　　摘要：衡量一个通信系统性能优劣的基本因素是有效性和可靠性，有效性是指信道传输信息的速度快慢，可靠性是指信道传输信息的准确程度。在数字通信系统中，信源编码是为了提高有效性，信道编码是为了提高可靠性，而在一个通信系统中，有效性和可靠性是互相矛盾的，也是可以互换的。我们可以用降低有效性的办法提高可靠性，也可以用用降低可靠性的办法提高有效性。本文对信源编码和信道编码的概念，作用，编码方式和类型进行了解析,以便于更好的理解数字通信系统的各个环节。

　　关键字：信源编码,信道编码

　　1 引言

　　数字通信系统：

　　信源是把消息转化成电信号的设备，例如话筒、键盘、磁带等。

　　信源编码的基本部分是压缩编码。它用于减小数字信号的冗余度，提高数字信号的有效性，如果是模拟信源，则它还包括数模转换功能，在某些系统中，信源编码还包括加密功能。

　　信道编码的目的是提高信号传输的可靠性。它在经过信源编码的信号中增加一些多余的字符，以求自动发现或纠正传输中发现的错误。这样做必然又增加了信号的冗余度，似乎抵消了信源编码的作用。但是，这里增加的字符是符合特定规律的，他能用于纠错，而在信源编码中减少的冗余是信源本身原有的，多余之物。

　　调制的主要目的是使经过编码的信号特性与信道特性相适应，使信号经过调制后能过顺利经过信道传输。

　　解调、信道译码、解密、信源译码分别是调制、信道编码、加密、信源编码的反变换。

　　2 信源编码

　　为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，对信源输出的符号序列所施行的变换。具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原来的符号序列。

　　1.信源输出的符号序列的变换

　　最原始的信源编码就是莫尔斯电码，另外还有ASCII码和电报码都是信源编码。但现代通信应用中常见的信源编码方式有：Huffman编码、算术编码、L-Z编码，这三种都是无损编码，另外还有一些有损的编码方式。具体实现唯一可译变长编码的方法很多，但比较经典的方法还是仙农编码法、费诺编码法和霍夫曼编码法。其他方法都是这些经典方法的变形和发展。所有这些经典编码方法，都是通过以短码来表示常出现的符号这个原则来实现概率的均匀化，从而得到高的信息载荷效率;同时，通过遵守克拉夫特不等式关系来实现码字的唯一可译。

　　霍夫曼编码方法的具体过程是：首先把信源的各个输出符号序列按概率递降的顺序排列起来，求其中概率最小的两个序列的概率之和，并把这个概率之和看作是一个符号序列的概率，再与其他序列依概率递降顺序排列(参与求概率之和的这两个序列不再出现在新的排列之中)，然后，对参与概率求和的两个符号序列分别赋予二进制数字0和1。继续这样的操作,直到剩下一个以1为概率的符号序列。最后，按照与编码过程相反的顺序读出各个符号序列所对应的二进制数字组，就可分别得到各该符号序列的码字。

　　例如，某个离散无记忆信源的输出符号序列及其对应的概率分布为

　　对这些输出符号序列进行霍夫曼编码的具体步骤和结果如表。

　　由表中可以看出，在码字序列中码元0和1的概率分别为10/21和11/21，二者近乎相等，实现了概率的均匀化。同时，由于码字序列长度满足克拉夫特不等式 2×2-2+3×2-3+2×2-4=1

　　因而码字是唯一可译的，不会在长的码字序列中出现划错码字的情况。

　　在实际工程应用中，往往并不追求无差错的信源编码和译码，而是事先规定一个译码差错率的容许值，只要实际的译码差错率不超过这个容许值即认为满意。

　　3 信道编码

　　数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生图象跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。误码的处理技术有纠错、交织、线性内插等。

　　提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的开销。这就好象我们运送一批玻璃杯一样，为了保证运送途中不出现打烂玻璃杯的情况，我们通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包装起来，这种包装使玻璃杯所占的容积变大，原来一部车能装5000各玻璃杯的，包装后就只能装4000个了，显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个数减少了。同样，在带宽固定的信道中，总的传送码率也是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了。将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了，不同的编码方式，其编码效率有所不同。

　　(1)RS编码

　　RS码即里德-所罗门码，它是能够纠正多个错误的纠错码，RS码为(204，188，t=8)，其中t是可抗长度字节数，对应的188符号，监督段为16字节(开销字节段)。实际中实施(255，239，t=8)的RS编码，即在204字节(包括同步字节)前添加51个全“0”字节，产生RS码后丢弃前面51个空字节，形成截短的(204，188)RS码。RS的编码效率是：188/204。

　　(2)卷积码

　　卷积码非常适用于纠正随机错误，但是，解码算法本身的特性却是：如果在解码过程中发生错误，解码器可能会导致突发性错误。为此在卷积码的上部采用RS码块， RS码适用于检测和校正那些由解码器产生的突发性错误。所以卷积码和RS码结合在一起可以起到相互补偿的作用。卷积码分为两种：

　　①基本卷积码:

　　基本卷积码编码效率为，η=1/2, 编码效率较低,优点是纠错能力强。

　　②收缩卷积码：

　　如果传输信道质量较好，为提高编码效率，可以采样收缩截短卷积码。有编码效率为：η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8这几种编码效率的收缩卷积码。编码效率高，一定带宽内可传输的有效比特率增大,但纠错能力越减弱。

　　(3)Turbo码

　　1993 年诞生的Turbo 码，单片Turbo 码的编码/解码器，运行速率达40Mb/s。该芯片集成了一个32×32 交织器，其性能和传统的RS 外码和卷积内码的级联一样好。所以Turbo码是一种先进的信道编码技术，由于其不需要进行两次编码，所以其编码效率比传统的RS+卷积码要好。

　　(4)交织

　　在实际应用中，比特差错经常成串发生，这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特，而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才最有效(如RS只能纠正8个字节的错误)。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成短串差错，从而可以用前向码对其纠错，例如：在DVB-C系统中，RS(204,188)的纠错能力是8个字节，交织深度为12，那么纠可抗长度为8×12=96个字节的突发错误。

　　实现交织和解交织一般使用卷积方式。交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错，前向纠错码加交积的作用可以理解为扩展了前向纠错的可抗长度字节。纠错能力强的编码一般要求的交织深度相对较低。纠错能力弱的则要求更深的交织深度。

　　(5)伪随机序列扰码

　　进行基带信号传输的缺点是其频谱会因数据出现连“1”和连“0”而包含大的低频成分，不适应信道的传输特性,也不利于从中提取出时钟信息。解决办法之一是采用扰码技术,使信号受到随机化处理，变为伪随机序列，又称为“数据随机化”和“能量扩散”处理。扰码不但能改善位定时的恢复质量，还可以使信号频谱平滑，使帧同步和自适应同步和自适应时域均衡等系统的性能得到改善。

　　扰码虽然“扰乱”了原有数据的本来规律，但因为是人为的“扰乱”，在接收端很容易去加扰，恢复成原数据流。

　　实现加扰和解码，需要产生伪随机二进制序列(PRBS)再与输入数据逐个比特作运算。PRBS也称为m序列，这种m序列与TS的数据码流进行模2加运算后，数据流中的“1”和“0”的连续游程都很短，且出现的概率基本相同。

　　利用伪随机序列进行扰码也是实现数字信号高保密性传输的重要手段之一。一般将信源产生的二进制数字信息和一个周期很长的伪随即序列模2相加，就可将原信息变成不可理解的另一序列。这种信号在信道中传输自然具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上(模2和)同样的伪随机序列，就恢复为原来发送的信息。

　　现在出现一种新的信道编码方法。LDPC编码。LDPC编码是最接近香农定理的一种编码。

　　4 结语

　　信源编码是一种以提高通信有效性为目的而对信源符号进行的变换;为了减少或消除信源剩余度而进行的信源符号变换。信道编码为了与信道的统计特性相匹配，并区分通路和提高通信的可靠性，而在信源编码的基础上，按一定规律加入一些新的监督码元，以实现纠错的编码。它们互相矛盾，互相转换，以满足具体通信系统的要求。

　　参考文献：

　　[1] 姜丹信息论与编码(第三版)中国科学技术大学出版社 2009-12-1

　　[2] 孙丽华，陈荣伶　信息论与纠错编码(第2版)电子工业出版社 2009-8-1

　　[3] 曹雪虹，张宗橙信息论与编码(第2版) 清华大学出版社 2009-2-1

　　[4] 李梅，李亦农　信息论基础教程(第2版) 北京邮电大学出版社 2008-10-1

　　[5]樊昌信通信原理教程电子工业出版社 2004.5