数字数据通信的优点

CRC码编码译码器的设计

一．数字数据通信的优点

与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点：

●数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，

并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设

备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能价格比高；

●来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，

并通过数字通信系统传输；

●在长距离数字通信中可以通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整

性而不累积噪音；

●以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正

通信错误，从而有效保证通信的可靠性；

●

●多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。

二．差错控制编码

1．概述

通信系统中，信道存在的大量噪声和干扰使得经信道传输后接收到的码元波形变坏，故在接收端可能发生错误判决，造成误码（差错）。由信道中乘性干扰引起的码间串扰，通常可以采用均衡的方法纠正；而加性干扰的影响则要通过其他途径解决。通常，在设计数字通信系统时，首先应从合理地选择调制制度、解调方法以及发送功率等方面考虑。若采取上述措施仍难以满足要求，则要考虑采用下述的差错控制技术了。

按加性干扰引起的错码分布规律的不同，可将差错分为三种类型：

（l）随机差错：由随机噪声（如热噪声）造成的误码。错码的出现是随机的，错码之间没有相关性，是统计独立的，错码的分布是零散的。

（2）突发差错：由脉冲噪声（如闪电等）造成的误码。错码的出现是成串的，差错分布比较密集，也就是说，在一些短促的时间区间内会出现大量错码；差错之间有相关性。差错的持续时间称为突发长度。

（3）混合差错：既出现随机差错又出现突发出错，而且哪一种都不能忽略不计时的差错称为混合差错。

出现上述三种差错的信道，分别称为随机信道、突发信道和混合信道。

为了降低误码率，提高数字通信的可靠性，往往要采用差错控制技术来发现可能产生的错码或发现并纠正错码。差错控制方式常用的有以下四种：（1）检错重发方式（ARQ－Automation Repeat Request）：接收端收到发送端发出的信码后经检验，如果发现有错码，但不知道该错码的准确位置，则通过反向信道把这一判断结果告诉发送端。然后，发送端把前面发出的信息重新传送，直到接收端确认已正确地收到信息为止。这种方式实时性不是很强，而且需要具备双向信道。适用于非实时通信系统，如计算机数据通信；。

（2）前向纠错方式（FEC－Forward Error Correction）：接收端在收到的信码中不仅能发现错码，而且还能够确定错码的准确位置，并纠正错码。对于二进制系统，如果能够确定错码的位置，就能够纠正它（只要将出错处的bit取反即

可）。这种方式的优点是不需要反向清道（传送重发指令），也不存在由于反复重发所造成的时延，实时性好；但是纠错设备要比检错设备复杂。适用于实时通信系统，如语音通信等。

（3）反馈校验方式：接收端将收到的信码原封不动地转发回发送端，并与原发送信码相比较。如果发现错误，则发送端再进行重发。这种方法原理和设备都较简单，但需要有双向信道。由于每一信码都相当于至少传送了两次，所以传输效率较低。

（4）混合纠错方式（HEC－Hybrid Error Correction）：该方式是（1）、（2）两种方式的结合，接收端若发现有少量错码，在码的纠错能力以内，则用前向纠错方式进行纠错；如果错码很多，超出了码的纠错能力范围，但能检测出有错码，则自动采用检错重发方式。这种方式能使通信系统的误码率达到很低，因此得到了广泛应用。此法又称为“纠检结合方式”。

在上述几种方法中，第（1）、（2）和（4）种都需要在接收端识别有无错码。但信息码元序列是一随机序列，接收端是无法预知的（如果预先知道，就没有必要发送了），也无法识别其中有无错码。为了能够在接收端识别错码，要由发送端的信道编码器在信息码元序列中增加一些监督码元。这些监督码元和信码之间有一定的关系，使接收端可以利用这种关系由信道译码器来发现或纠正可能存在的错码。这种在信息码元序列中加入监督码元的编码就称为差错控制编码，又称为信道编码或纠错编码。在信息码中附加冗余的监督码降低了编码效率。可见，信道编码是以降低通信的有效性为代价来换取通信可靠性的提高。

差错控制编码可以从不同的角度进行分类：

按码的控制功能分为：检错码（只能发现差错）和纠错码（能发现并纠正错码）。

按信息码元和附加的监督码元之间的关系分为：分组码和非分组码。将信息码分组，为每组信码附加若干监督码，监督码元仅监督本码组中的信息码元，也就是说，每个码组的监督码元只和该码组的信息码元相关，而与其它组的信息码元无关，则这种码组称为分组码。如果分组内信息码元和监督码元之间是线性关系，则称为线性分组码；否则称为非线性分组码。如果采用的编码规则使若干个相邻的码组都具有了一定的相关性，则称这种码为非分组码。常用的卷积码就是非分组码中最主要的一类。卷积码虽然编码后的码元序列也划分为码组，但每组的监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且与前面码组的信息码元也有约束关系。

2．纠错编码的基本原理

如前所述，信道编码是在被传送的信息中附加一些监督码元，来检错和纠错。下面以三位二进制码组为例，说明检错纠错的基本原理。三位二进制码元共有23=8种可能的组合；000、001、010、011、100、101、110、111。下面分三种情况讨论

（l）如果这8种码组都用于传送消息，即每个码组都是许用码组。在传输过程中若发生一个或多个误码，则一种码组会错误地变成另一种码组。这样的编码既不能检错，也不能纠铝，完全没有抗干扰能力；

（2）若只选其中的000、011、101、110四种码组作为许用码组。除上述4种许用码组以外的另外4种码组001、010、100、111称为禁用码组。经观察我们可以发现，许用码组中“1”的个数为偶数个，禁用码组中“1”的个数为奇数个。