第六章:信道编码定理

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译码错误
• A 是接收空间 • w1, w2 … 是发送的码字 Ωi
An
w2 x w1 x x
不知如何译码 不知如何译码 Ω2
• 围绕每个码字有一个译码域 • 如果接收的码字在 Ωi中 ,就 认为发送的是码字 wi
w4
Ω4
发生错误
Ω1
w3
Ω3
•一般, An中 存在一些不属于任 何 Ωi的区域 • 有时接收码字会被映射到错误 的Ωi,进而被译成错误的 wi
广义信道或离散信道
• 注意:信道译码可以不是离散信道译码。只有当解调为 注意:信道译码可以不是离散信道译码。 可以不是离散信道译码
硬判决输出时才是离散信道和离散信道译码
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质 -信道编码的作用
• 信道编码的作用: 信道编码的作用: 在资源、可靠性和传信量之间选择一个好的 在资源、可靠性和传信量之间选择一个好的 工作点(有时还要考虑延时)。 工作点(有时还要考虑延时)。 • 资源指的提供信息传输所付出的代价 资源指的提供信息传输所付出的代价
信道
信宿
传输的信息是否无误? 传输的信息是否无误?
所得信息能否可靠 地确定信道输入? 地确定信道输入?
信息流 H(X)
通信信道 I(X;Y)
C
给定特性的信道最大可达 的信息传输率- 的信息传输率- 信道传输信息的能力度量 信道传输信息的能力度量 信道噪声 信息传输的有效性指标 可以获得的信 息量
实际通信中人们对传输要求什么? 实际通信中人们对传输要求什么?
– 有效性:认为可靠性已满足 有效性: – 可靠性:认为有效性已满足 可靠性:
• 将信源与信道编码分别研究
– 信源编码:解决有效性问题 信源编码: – 信道编码:解决可靠性问题 信道编码:
编码 信源 信源编码 信源编码 信道编码 信道编码
有效性、可靠性问题分别解决 有效性、
信源译码 信源译码 译码 信道译码 信道译码
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质 • 匹配信道特性: 匹配信道特性: -信道编码的实质
–抗白噪声: 抗白噪声: 抗白噪声 • 优秀的调制、信道编码方案, 优秀的调制、信道编码方案, • 扩频方式等。 扩频方式等。 –抗衰落和多径干扰: 抗衰落和多径干扰: 抗衰落和多径干扰 • 功控抗慢衰落, 功控抗慢衰落, • 空间分集抗平滑瑞利(空间选择)衰落, 空间分集抗平滑瑞利(空间选择)衰落, • Rake接收机及自适应均衡抗频率选择性, Rake接收机及自适应均衡抗频率选择性 接收机及自适应均衡抗频率选择性, • 交织编码抗时间选择性衰落等。 交织编码抗时间选择性衰落等。 –抗多址干扰与远近效应: 抗多址干扰与远近效应: 抗多址干扰与远近效应 • 正交码型设计, 正交码型设计, • 功率控制, 功率控制, • 多用户检测, 多用户检测, • 扰乱编码进行能量分集, 扰乱编码进行能量分集, • 智能天线等。 智能天线等。
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质 什么是信道编码? -什么是信道编码?
• 复接、代数编码、调制、成形滤波、扩频、上下变频 复接、代数编码、调制、成形滤波、扩频、 等等都属于广义的信道编码范畴 等等都属于广义的信道编码范畴 广义的信道编码
信信 编编 信信 译编 离离信 道编编 信道 译编 调调 信道 解调
– 包括频率、时间、空间、功率等等。但不包括实现 包括频率、时间、空间、功率等等。 复杂度 – 一个好的编码就是要充分利用资源,传递尽可能多 一个好的编码就是要充分利用资源, 的信息
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质 -信道编码的三种情形
– 给定资源和可靠性要求,通过信道编码尽量提 给定资源和可靠性要求, 高传输速率( 多电平编码) 高传输速率(例:多电平编码) – 给定对信息传输的速率和可靠性要求,通过信 给定对信息传输的速率和可靠性要求, 道编码尽量减少资源开销( 扰乱编码) 道编码尽量减少资源开销(例:扰乱编码) – 给定资源和传输速率,通过编码提高可靠性( 给定资源和传输速率,通过编码提高可靠性( 纠错编码) 例:检、纠错编码)
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质 -信道编码的实质
• 利用冗余降低差错概率
– —— 在信息码中增加一定数量的监督码元,使它们满足一定 在信息码中增加一定数量的监督码元, 的约束关系。 的约束关系。在信道传输中如果码字受干扰而在接收端出现一 些偏差,破坏了其约束关系, 些偏差,破坏了其约束关系,收方通过检验这种约束关系来把 错误识别或校正出来,从而保证通信的可靠性。 错误识别或校正出来,从而保证通信的可靠性。 -差控码
• 将所有可能的输入信息(消息)映射到信道符号(波形 将所有可能的输入信息(消息)映射到信道符号( 空间的点,而这个点的集合要小于(包含于) )空间的点,而这个点的集合要小于(包含于)全信道 空间中点的集合。 空间中点的集合。 – ——通过增加冗余度,即将信息空间映射到更大的信道 通过增加冗余度, 波形空间,以提高不同码字波形间的差异程度, 波形空间,以提高不同码字波形间的差异程度,从而获 得增益。 得增益。
6.1:问题引出与定理描述
通过不可靠的信道可以实现可靠的信息传输
• 只要系统设计的信息传输率 息传输能力之内, 在信道的信 息传输能力之内, 就可以实现可靠传输。 就可以实现可靠传输。 解 码 器
噪声
编 码 器
• 实现有效且可靠传输的途 径是信道编码 信道编码。 径是信道编码。
信源
信道
信宿
信道编码的作用及实质- §6.2:信道编码的作用及实质-什 信道编码的作用及实质
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-5
• 译码准则一:最小错误概率准则(最大后验概率准 译码准则一:最小错误概率准则( 则)
p(g( y) | y) = m p(xm | y) ax
m
• 特点: 特点:
– 优点:理想 优点: – 缺点:1、后验概率不易得到 缺点: 、 2、后验概率依赖于输入分布 、
001
010
100
111
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质
-差错控制编码的基本原理
• 如用三位二进制编码传二个字母 000 A 111 B
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-7
• 译码准则三:最小距离译码准则 译码准则三:
d( y, g( y)) = m d( y, xm ) in
m
• 最小距离译码准则 最大似然译码准则 最小距离译码准则&最大似然译码准则
– 在二进制对称信道中--二者是一致的 在二进制对称信道中--二者是一致的 --
正确译码 正确译码
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-4
• 问题: 问题:
– 在输入和信道特性给定的条件下,差错概率将取决 在输入和信道特性给定的条件下, 于接收矢量空间按什么样的划分准则进行划分
• 划分接收矢量空间的准则 划分接收矢量空间的准则
– --译码器的译码准则 --译码器的译码准则
传输信息量大--传输要有效 传输信息量大--传输要有效 -- 传输信息无差错--传输要可靠 传输信息无差错--传输要可靠 -- 可靠性? 可靠性?
§6.1:问题引出与定理描述
• 提出的与信道传输可靠性有关的问题: 提出的与信道传输可靠性有关的问题: 可靠性有关的问题
– 如何能使信息传输后发生的错误最少? 如何能使信息传输后发生的错误最少? • 错误概率与那些因素有关? 错误概率与那些因素有关? • 有无办法控制? 有无办法控制? 具体信道编码技术 • 能控制到什么程度? 能控制到什么程度? – 无误传输可达的最大信息率是多少? 无误传输可达的最大信息率是多少?
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质
-差错控制编码的基本原理
• 如用三位二进制编码来代表八个字母 000 A 100 E 001 B 101 F 010 C 110 G 011 D 111 H
——R=log8/3=1bit/二进制符号 二进制符号 ——不管哪一位发生错误,都会使传输字母错误฀ 不管哪一位发生错误, 不管哪一位发生错误
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-6
• 译码准则二:wk.baidu.com大似然译码准则 译码准则二:
p( y | g( y)) = m p( y | xm) ax
m
• 最大后验概率译码准则 最大似然译码准则 最大后验概率译码准则&最大似然译码准则
– 输入等概时--二者是一致的 输入等概时--二者是一致的 --
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-8
• 选择好的译码规则可以降低错误概率 • FANO不等式说明 无论什么译码规则 对减少误码 不等式说明,无论什么译码规则 不等式说明 无论什么译码规则,对减少误码 率的作用有限,误码率受信道特性的影响严重。 误码率受信道特性的影响严重 率的作用有限 误码率受信道特性的影响严重。 • 增加码空间 ,并选择适当的编码方法,可以既使 增加码空间M,并选择适当的编码方法 可以既使 错误概率降低,又使码率保持较大 又使码率保持较大。 错误概率降低 又使码率保持较大。 • 适当的编码方法就是适应信道特性的方法即 信道 适当的编码方法就是适应信道特性的方法即:信道 编码
信道编码定理
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-1
• 错误概率与译码规则 错误概率与译码规则
– 错误概率Pe与什么有关? 错误概率 与什么有关?
• 信道的统计特性 • 译码规则
– 译码规则的选择依据
• 最大后验概率准则--理想 最大后验概率准则-- --理想 • 最大似然准则--实用 最大似然准则-- --实用 • 最小距离准则--实用 最小距离准则--实用 --
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-2
消 息 集 合
B C 3 1 A 2
编 码 集 合
发 送 波 形 集 合
B
A
P A1 P A2 P P A3 A5 P A4
1 3 4 5 2
接 收 波 形 集 合
C
编码
编码
错误概率与译码准则、编码方法- 错误概率与译码准则、编码方法-3 信道译码n
§6.1: 问题引出与定理描述
几乎无误
– 问题: 问题:
在有噪信道中,使平均误码率Pe尽可能小的 在有噪信道中,使平均误码率 情况下,可达到的信息传输率是多少? 情况下,可达到的信息传输率是多少?
– 答案: 答案:
信道容量C 信道容量
6.1:问题引出与定理描述
• 信道编码定理: 信道编码定理:
– 设R是信息传输的速率,C是离散无记忆信道的信 是信息传输的速率, 是离散无记忆信道的信 是信息传输的速率 道容量,ε>0是任意小的数,则只要 >0是任意小的数 道容量, >0是任意小的数,则只要R<C就总存在 就总存在 码字长为N 码字数为 码字长为N,码字数为M=2NR的分组码使译码的 平均差错概率Pe<ε。 平均差错概率 。
§6.2:信道编码的作用及实质 信道编码的作用及实质
• 如用三位二进制编码传四个字母 000 A 011 B 101 C
-差错控制编码的基本原理
110 D
——R=(log4)/3=0.67bit/二进制符号 R=(log4)/3=0.67bit/二进制符号 R= ——发生一位错误,准用码字将变成禁用码字,接收端 发生一位错误, 发生一位错误 准用码字将变成禁用码字, 就能知道出错,但是不能纠错。 就能知道出错,但是不能纠错。 禁用码字: 禁用码字:
第六章: 第六章:信道编码定理
信息论研究编码的主要内容
– 回答如下问题 回答如下问题:
• 为什么要编码 为什么要编码? • 什么样的码是好码 什么样的码是好码?
– 不能回答的问题 不能回答的问题:
• 怎样进行编码 怎样进行编码? • 怎样进行译码 怎样进行译码?
信息论研究编码的方法
• 将问题分而治之
么是信道编码? 么是信道编码?
• 通信系统模型
消息集中 一个元素 信道波形 空间中的 一个点 失真后 的波形 恢复的 消息
信信 编编
信道 编编
消息到波 形的映射
信道
信道 译编
判断是消 息集中的 哪个元素
信信 译编
引入失真
• 信道编码:从消息到信道波形或矢量的映射 信道编码:
希望通信系统与信道统计特性相匹配的编码
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