数字通信原理第5章差错控制编码

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➢发送两个码组之间有停顿时间TI,影响了传输效率
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
② 返回重发
➢其发送端不停地送出一个个连续码组,不再等候 收端返回的ACK信号 ➢一旦收端发现错误并返回NAK信号,则发端从 下一码组开始重发前面的N个码组 ➢N的大小取决于信号传递及处理所带来的延时
第5章 差错控制编码
图5.1-7 混合纠错检错(HEC)
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
核心问题
❖ 发现错误 ❖ 纠正错误
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
在信息码序列中加监督码就称为差错控制编码, 也叫纠错编码。
不同的编码方法,有不同的检错和纠错能力, 增加监督码元越多,检(纠)错能力越强。
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编码三:
➢消息A----“000”;消息B----“111”
➢最小码距3
➢传输中产生一位即使两位错码,都将变成禁用 码组,收端判决传输有错。该编码具有检出两 位错码的能力。
➢在产生一位错码(错1位概率远远大于错2位、 3位概率)情况下,收端可根据“大数”法则进 行正确判决,能够纠正这一位错码。该编码具 有纠正一位错码的能力。例如收到110,认为是 111。
➢ 差错控制编码是在信息序列上附加上一些监督 码元,利用这些冗余的码元,使原来不规律的或 规律性不强的原始数字信号变为有规律的数字信 号。例如奇偶校验。
➢ 差错控制译码则利用这些规律性来鉴别传输过 程是否发生错误,或进而纠正错误。
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
1、差错控制编码分类
❖ 按功能分:检错码和纠错码 ❖ 按监督码元与信息码元关系分:线性码与非线性码 ❖ 按信息码元与监督码元之间的约束关系不同分:分组 码与卷积码 ❖ 按信息码元在编码后是否保持原来的信号形式分:系 统码与非系统码 ❖ 按纠正差错的类型分:纠正随机错误的码与纠正突发 错误的码 ❖ 按码元的取值分:二进制码与多进制码
➢ FEC与ARQ的结合
➢ 发端发出同时具有检错和纠错能力的码,收端 收到后,检查错误情况:如果错误在纠错能力 之内,则自动纠正;若超出纠错能力,但在检 错能力之内,则经反向信道要求重发。
➢ 在实时性和译码复杂性方面是FEC和ARQ的折 衷。
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
发 能够发现和纠正错误的码 收 应答信号
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
2、误码类型
❖ 随机误码
•错码出现是随机的、错码之间统计独立。 •由随机噪声引起 •存在随机误码的信道称为随机信道/无记忆信道
❖ 突发误码
•差错在短时间成串出现,而在其间又存在较长的无差 错区间,且差错之间相关
•例如:脉冲噪声,存储系统中磁带的缺陷或读写头接 触不良引起,再例如用手机过涵洞,且无发射天线
(1)检错重发法(ARQ)
Automatic Repeat reQuest
➢ 收端在接收到的信码中发现错码时,就通 知发端重发,直到正确接收为止。例如奇偶 校验。 ➢ 检错重发方式只用于检测误码,能够在接 收单元中发现错误,但不一定知道该错误码 的具体位置。 ➢ 需具备双向信道。
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
差错出现原因
❖ 外界噪声 ❖ 传输中码间串扰 解决方法
❖ 合理地设计基带信号,选择调制、解调方式 ,采用均衡技术,发送功率等因素,使误比特率 降低。
❖ 差错控制措施。
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
➢ 差错控制编码属信道编码,要求在满足有效性 前提下,尽可能提高数字通信的可靠性。
➢ 不需要纠错、检错的编、译码器,设备简单。
➢ 需要和正向信道相同的反向信道,实时性差
➢ 发端需要一定容量的存储器以存储发送码组
➢ 仅适应于传输速率较低,信道差错率较低,具 有双向传输线路及控制简单的系统
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
(4)混合纠错检错(HEC)
Hybrid Error Correction
ACK
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图5.1-2 停发等候重发
3
NAK
3
发现错误
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
➢发端在Tw时间内送出一个码组; ➢收端收到后检查。
▪ 如果未发现错误,则发回一个认可信号(ACK) 给发送端,发送端收到ACK信号再发下一个码组
▪ 若检测到错误,则发回一个否认信号(NAK), 发送端收到NAK信号后重发前一码组,并再次 等候ACK信号或NAK信号
第5章 差错控制编码
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5.突发信道
❖ 混合信道
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
5、差错控制方法
❖检错重发(ARQ) ➢ 停发等候重发 ➢ 返回重发 ➢ 选择重发
❖前向纠错(FEC) ❖反馈校验(IRQ) ❖混合方式(HEC)
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
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5.1 引言
发送端: 接收端:
1 2 3 45 6 23 45 6 7 89
NAK
从码组2开始重发
1 2 3 45 6 23 4 5 6 7 89
发现错误
图5.1-3 返回重发
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
③ 选择重发
➢也是连续不断地发送码组,收端检测到错误后 发回NAK信号。
➢与返回重发不同的是,发端并不重发错误码组 后的所有码组,而只重发有错的那个码组
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
(2)前向纠错法(FEC)
Forward Error Correction


能够纠正错误的码
信 源
编 码 器
单 向 信 道
输出缓冲 存储器
纠错译码器
图5.1-5 前向纠错(FEC)
第5章 差错控制编码
收 +信

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5.1 引言
➢ 发送端将信息序列编码成能够纠正错误的码,接 收端根据编码规则进行检查,如果有错自动纠正
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能够发现错误的码

应答信号
图5.1-1(a) 检错重发(ARQ)
判断有无错误
编码器和缓


冲存储器

解码器
输出缓冲 存储器


源 重发控制


指令产生器 正确时输出

错误时删除
图5.1-1(b) 检错重发(ARQ)
5.1 引言
① 停发等候重发
停顿时间
Tw
TI
发送端: 1
2
ACK
接收端:
1
3
2、纠错编码的基本思想
❖ 发送端按照某种规则在信息序列上附加监督码 元,接收端则按照同一规则检查两者间关系…… ❖ 以牺牲通信的有效性(信息传输速率)来提高 可靠性
❖ 码的检错和纠错能力是用信息量的冗余来换取 的。一般说来,添加的冗余越多,码的检错、纠 错能力越强,但信道的传输效率下降也越多。
第5章 差错控制编码
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
❖ 最小码距:在一个码字集合中,任意两个码字间 距离的最小值,即码字集合中任意两元素间的最小 距离,记为dmin或d0 ❖ 码重:码字中非零码元的数目定义为该码字的重 量,简称码重。如“10011”码字的码重为3。
纠错码的抗干扰能力完全取决于许用码字之间的距 离,码的最小距离越大,说明码字间的最小差别越 大,抗干扰能力就越强。
第5章 差错控制编码
5.1 引言 5.2 纠错编码的基本原理 5.3 常用的简单编码 5.4 线性分组码 5.5 循环码
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5.1 引言
数字信号在传输过程中受到干扰的影响,使 信号波形变坏,发生误码,可以采用一些方 法解决。
❖ 有效性——信源编码 ❖ 可靠性——信道编码
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
编码二:
➢消息A----“00”;消息B----“11”
➢最小码距2
➢若传输中产生一位错码,则变成“01”或“10”, 收端判决为有错(因“01”“10”为禁用码组),但 无法确定错码位置,不能纠正,该编码具有检出 一位错码的能力。
➢这表明增加一位冗余码元后码具有检出一位错 码的能力
第5章 差错控制编码
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
举例说明:假如要传送A、B两个消息
编码一: ➢消息A----“0”;消息B----“1” ➢最小码距1 ➢若传输中产生错码(“0”错成“1”或“1” 错成“0”)收端无法发现,该编码无检错纠 错能力。
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
接收端将接收到的信码原封不动地转发回发端,
并与原发送信码相比较,若发现错误,发端再重
发。

数据信息

数据信息
图5.1-6 信息反馈法
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
➢ 收端把收到的数据序列全部经反向信道送回发 端,发端比较发出和送回的数据序列,从而发 现有否错误,如果有错误,发端将数据序列再 次传送,直到发端没有发现错误。
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
发送端: 接收端:
12345627 89
NAK
重发码组2
1 2 3 45 6 27 8 9
发现错误
图5.1-4 选择重发
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
三者比较
➢ 选择重发传输效率最高,但成本最贵:控 制机制复杂,发端和收端都要有数据缓冲器;
➢ 返回重发、选择重发需要全双工数据链路, 而停发等候重发只要求半双工的数据链路。
•存在这种差错的信道称为突发信道/有记忆信道
第5章 差错控制编码
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3、错误图样
例如: ➢设发送数据序列为:111111111 ➢接收数据序列为: 111001001 ➢错误图样(差错序列):发送数据序列与接 收序列对应码位的模2和 ➢则差错序列为: 0000000110110
可见
➢发生了两个长度分别为7和5的突发差错, 其错误图样分别为1101001和11011
➢ 不需要反馈信道,特别适合只能提供单向信道场 合
➢ 自动纠错,不要求检错重发,延时小,实时性好
➢ 纠错码必须与信道的错误特性密切配合
➢ 若纠错较多,则编、译码设备复杂,传输效率低
第5章 差错控制编码
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5.1 引言
(3)信息反馈校验法(IRQ) Information Repeat reQuest
➢突发长度:指突发差错首位与末位之间的长 度(中间可能有没错的码位)
5.1 引言
说明
➢差错序列或错误图样中的“0”表示对应 码位没错,而“1”表示有错
➢实际信道很复杂,所出现的差错并不是单 一的,往往是随机和突发差错并存,只不 过以某种错误为主
➢一般说来,纠正随机差错的编译码方法和 设备比较简单,成本较低,效果较显著; 而纠正突发差错的编译码方法和设备比较 复杂,成本较高,效果也不如前者显著
差错控制编码原则上是降低编码效率来换取可 靠性提高。(即误码率更小)。
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5.2 差错控制编码的基本原理
1、纠错编码的理论依据
❖理论依据:Shannon信道编码定理。 ❖定理指出:
对于给定的有干扰信道,若其信道容量为C, 只要发送端以低于C的速率R发送信息,则一 定存在一种编码方法,使编码错误概率P随着 码长n的增加,按指数下降到任意小的值。
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
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A
B
e
dmin
A、B都为许用码;
A发生e个错;
B不能靠在球面上 ,否则收到B无法 判断是否为错码;
➢这表明增加两位冗余码元后码具有检出两位错 码及纠正一位错码的能力。
5.2 差错控制编码的基本原理
(2)最小码距与检错和纠错能力的关系
➢一个码能检测e个错码,则要求其最小码dmin≥e+1 ➢一个码能纠正t个错码,则要求其最小dmin≥2t+1 ➢一个码能纠正t个错码,同时能检测e个错码,则要 求其最小码距 dmin≥e+t+1 (e>t)
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5.2 差错控制编码的基本原理
3、码距与检错和纠错能力的关系
(1)几个概念
❖ 码长:码字中码元的数目。
❖ 码距:两个等长码字中对应码位上不同二进制
码元的位数定义两码字的距离,简称码距(d)。
n
d Ai Bi i 1
对于二进制称作这两个码字的汉明距离。如两码字
“10011”与“11010”间码距为2。
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5.2
E(R)
差错控制编码的基本原理
p e nE(R )
n :编 码 长 度
R :信 息 发 送 速 率
C
E(R ) : 错 误 指 数
为了 P
方法1:C ,但E(R)
C1
C2 n 方法2:n
图5.2-1 误差指数曲线
第5章 差错控制编码
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5.2 差错控制编码的基本原理
0 、复习
❖ 模拟信源:在无线广播中,信源一般是一个语音 源(话音或音乐);在电视广播中,信源主要是活 动图像的视频信号源。这些信源的输出都是模拟信 号,所以称之为模拟源。
❖ 信源编码:将模拟信息源的输出转化为数字信号 ,即A/D转换。
❖ 信源编码目的:提高通信有效性,减少原消息的 冗余度。
第5章 差错控制编码
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