无线通信的调制编码

无线通信的调制编码

一、背景意义

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。在现代数据通信过程中，想要数据传输的快速与完整，离不开强有力的通信保障。无线电通信技术是现代通信系统的重要组成部分，如何利用现有先进的调制编码技术来实现高容量、高速率通信，是非常紧迫的任务和重点研究方向。无线信道环境恶劣且难以预测。无线电波传输不仅有传播路径损耗，并且受到多径效应、多普勒频移和阴影效应等不利因素的影响，极大地影响了通信质量。为此人们不断研究各种先进的通信技术以提高无线通信的性能，试验结果表明，采用先进的调制和编码技术不仅能提高通信质量，而且节省功率资源。本文将介绍几种现代调制与编码技术。

二、调制编码的几种技术

1.信道编码技术

几十年来，人们一直在寻求实现简单的编译码方法，期望能够逼近香农理论极限。从早期的Hamming码、BCH 码、RS 码，到后来的卷积码、级联码，以及今天的Turbo 码和LDPC码，所能达到的性能与Shannon 限的距离在不断缩小。这些先进的信道编码技术已经在通信领域广泛使用。

1.1RS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。

1.2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。

1.3Turbo 码

Turbo 码又称并行级联卷积码，由法国C.Berrou 等人在1993 年ICC93国际通信会议上提出。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想。Turbo 码采用简单的卷积码级联结构和最大后验概率迭代译码算法，取得了接近香农极限的纠错译码性能。Turbo 码的一个重要特点是它的分量码采用递归系统卷积码，这也是它性能优越的一个重要原因。

另外，采用迭代译码的思想也是Turbo 码的一种重要特点，它的复杂性仅随着信息序列的大小而成线性增长。通常采用MAP 译码算法，或者其简化算法Log-MAP 算法和Max-Log-MAP 算法，将大部分的乘法运算转化为加法运算，既减小了运算复杂度，又便于硬件实现。Turbo 码技术已广泛应用，其许多关键技术已有了多种改进方案，使其性能更高，更有利于软硬件的实现。Turbo码已被美国作为深空通信的标准，同时也被确定为第三代移动通信系统（IMT-2000）的信道编码方案之一，如3GPP 的WCDMA、CDMA2000 和中国的TD-SCDMA 均采用了Turbo 信道编码方案。

1.4交织码

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。

一般来说，对数据进行传输时，在发端先对数据进行FEC编码，然后再进行交积处理。在收端次序和发端相反，先做去交积处理完成误差分散，再FEC解码实现数据纠错。

根据信道的情况不同，信道编码方案也有所不同，在DVB-T里由于由于是无线信道且存在多径干扰和其它的干扰，所以信道很“脏”，为此它的信道编码是：RS＋外交积＋卷积码＋内交积。采用了两次交积处理的级联编码，增强其纠错的能力。RS作为外编码，其编码效率是188/204（又称外码率），卷积码作为内编码，其编码效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五种（又称内码率）选择，信道的总编码效率是两种编码效率的级联叠加。设信道带宽8MHZ，符号率为6.8966Ms/S，内码率选2/3，16QAM调制，其总传输率是27.586Mbps,有效传输率是

27.586*(188/204)*(2/3)=16.948Mbps,如果加上保护间隔的插入所造成的开销，有效码率将更低。

在DVB-C里，由于是有线信道，信道比较“干净”，所以它的信道编码是：RS＋交积。一般DVB-C的信道物理带宽是8MHZ，在符号率为6.8966Ms/s，调制方式为64QAM的系统，其总传输率是41.379Mbps,由于其编码效率为188/204，所以其有效传输率是41.379*188/204=38.134Mbps。

在DVB-S里，由于它是无线信道，所以它的信道编码是：RS＋交积＋卷积码。也是级联编码。

1.5 LDPC 码

LDPC 码，又称为低密度奇偶校验码，是Gallager 于1962 年提出的一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码，LDPC 码的性能可以达到Turbo 码的性能且实现成本远低于Turbo 码。LDPC 码是一类特殊的线性分组码，该码的校验矩阵中绝大多数元素是0，只有很少的部分元素为1，所以是“稀疏”或者“低密度”校验矩阵。LDPC 码分为规则LDPC 码与非规则LDPC码。通常非规则LDPC码性能优于规则LDPC码，因为在变量节点和校验节点的总度数一定时，度数大的变量节点从校验节点得到的信息较多，所以能够更好地被正确译码，这些正确的译码信息经校验节点提供给度数较小的变量节点，使度数较小的变量节点也能更好地被正确译码。近年来，LDPC 码以其优异的性能日益受到重视，在空间通信、光纤通信、个人通信系统、ADSL 和磁记录设备等方面都有较好的发展前景。

2.载波调制技术

2.1OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)调制，可以追溯到本世纪60年代中期。70年代，人们提出用离散傅里叶变换(DFT)实现多载波调制，简化了系统结构，才使得OFDM技术实用化。80年代，人们研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。90年代以来，OFDM技术的研究深入到在无线调频信道上的宽带数据传输。在高速无线环境下，OFDM技术的优势突出，现已被广泛应用于民用通信系统中。

2.1.1 OFDM技术原理

正交频分复用（OFDM）正成为目前大多数无线通信系统中的核心技术。其原理是将高速数据流经串/并转换分配到速率相对较低的若干子信道传输。由于各子信道的符号周期相对增加，故减轻了由信道多径时延产生的时间弥散对系统造成的影响。在OFDM 符号间插入保护间隔，并令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展以消除符号间干扰（ISI）。OFDM 系统子载波间隔为符号周期的倒数，各子载波相互正交，频谱相互重叠；各子信道频谱的最大值于其他子信道频谱零点对应，既减小了子载波间的相互干扰又提高了频谱效率。OFDM 系统结构如图1 所示，首先将并行数据转换为串行数据。OFDM 调制采用信道编码（卷积纠错码、Turbo 码等）来抑制多径效应，数据符号映射到一个相应的星座上（如同QPSK，QAM），结果I 和Q 存储在缓冲中，并应用快速傅里叶反变换（IFFT）生成用于