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研究生《数据通信及应用》第八部分 分组码和卷积信道码
分组码和卷积信道码
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回顾:
编码是达到Shannon信道容量的途径;
随机选择的码也可以产生接近于信道容量的性能;
在正交信号集的情况下,当信号数目趋于无穷时,可以达到信道容量的极限。
本章讨论特定的编码方法,编码特性等
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8.1 线性分组码
4
线性分组码
线性分组码
基本概念:
由一组固定长度的码字矢量组成。 码长——矢量元数的个数 n。
码字元素选自由q个元素组成的字符集(二进制分组码,非二进制分组码)
长度为n的码字
2n个码字
k个信息比特
2k种组合
(n, k) 码
映射
信息比特与码字之间的关系
码率:
5
任何码字都是G的矢量 的线性组合:
生成矩阵和奇偶校验矩阵
假设:k个信息比特
码字(n位)
编码运算:
矩阵形式:
j = 1, … n
G —— 生成矩阵
线性分组码
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(n,k)线性码的对偶码
是一种(n, n-k)线性码,有2n-k 个码矢量
生成矩阵H,由n-k个线性无关的码矢量组成
由于对(n, k)码的每个码字都成立,于是:
(n, k)码
线性分组码
(n, k) 码任意一个码字 Cm 都正交于矩阵H的每一行
对偶码 (n, n-k)
正交于
H矩阵用于译码器检查收到的码字Y是否满足 YHT=0
H矩阵称为(n,k)码的一致校验矩阵 (简称校验矩阵)
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循环码
是线性码的一个子集。 码字
码字C的所有循环移位都是码字
码字多项式: n-1次多项式,用它与码字C联系起来
特点:
若两边同乘p:
pC(p) 除于 pn+1:
其中:
C1(p) 代表码字:
C1(p) 是pC(p)除于pn+1的余式,因此:
循环移位得到
线性分组码
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BCH码的生成多项式由 的因式构成
BCH码
特点:
循环码的一个大类 ; (二进制,非二进制)
二进制BCH码:
m和t是任意正整数,
非二进制BCH码:包括Reed-Solomon码
线性分组码
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线性分组码的译码
软判决译码
不进行量化,直接对滤波器输出进行译码;
译码按照最大相关度量准则进行。
制约因素:
要形成M个相关度量,比较这些量并获取最大值的过程中,需要巨大的计算量。
硬判决译码
先将模拟样值量化,然后用数字方式实现译码。
(软判决译码,硬判决译码)
线性分组码
译码过程
计算接收码字与 2k 个可能发送码字之间的距离
(硬判决——汉明距离;软判决——欧氏距离)
选择离接收码字最接近的码字作为判决输出。
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8.2 卷积码
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二进制数据移位输入到编码器,沿着移存器每次移动k比特;
每个k比特长的输入序列对应一个n比特长的输出序列;码率:Rc=k/n
K(移存器的级数)称为卷积码的约束长度。
编码器由K级移存器(每级k比特)和n个模2加法器组成
编码过程:
卷积码
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卷积码译码
卷积码没有固定长度,有记忆,采用序列译码;
译码器是一个最大似然序列估计器;
译码过程:搜遍网格图找出最可能的序列
译码度量:硬判决——汉明距离;软判决——欧氏距离
卷积码
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级联码
分组码与分组码级联
分组码与卷积码级联
卷积码与卷积码级联
分组码—— RS码
卷积码—— 双k码
外码:常选用非二进制码
内码:可选用二进制码,也可选用非二进制码;
可以是分组码,也可以是卷积码。
卷积码
带交织的并行级联卷积码—— Turbo码 1993,Berrou等人提出
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编码器结构:
由两个并联的卷积编码器组成,第2级编码器前串接了一个交织器
交织器:信息比特进入下一级编码器之前对它们重新排序
对二进制卷积编码器输出的校验比特进行删余处理,目的是为了提高码率
卷积码
带交织的并行级联卷积码—— Turbo码 1993,Berrou等人提出
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特色之一:
两个编码器与交织结合的效果:
使码字变得相对稀疏,即各码字极少有离它很靠近的邻码。
交织导致紧邻码字数量的减少,由此使编码增益提高。
已经证明,当交织器长度为N时,紧邻码字的数目减少N倍
特色之二:
使用基于MAP准则的迭代译码
卷积码
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Turbo码的性能
影响Turbo码性能的一个重要因素——交织长度(交织增益)
大交织产生的问题:译码时延;计算复杂
带交织的串行级联卷积码 1998年 Benedetto
另一种级联卷积码
在低误码率时,具有比并行级联码更好的性能
使用足够大的交织器,采用MAP迭代译码
Turbo码的性能可以非常接近Shannon限
卷积码
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8.3 网格编码调制 TCM
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背景
分组码和卷积码:性能的改善是通过扩大传输信号带宽为代价而获得的;
这种情况主要适用于
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