數字信號的差錯控制編碼分析

摘 要：由于數字信號在傳輸過程中受到干擾的影響，使信號碼元波形變壞，故傳輸到接收端后可能發生錯誤判決。由信道中乘性干擾引起的碼間干擾，通常可以采用均衡的辦法糾正，而加性干擾的影響則要從其他途徑解決。通常，在設計數字通信系統時，首先應從合理地選擇調制制度、解調方法以及發送功率等方面考慮。若采取上述措施仍難以滿足要求，貝）就要考慮采用本章所述的差錯控制措施了。

關鍵詞：數字信號；差錯控制；編碼

中圖分類號：TN911.22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 06-0000-01

從差錯控制角度看，按加性干擾引起的錯碼分布規律的不同，信道可以分為三類，即隨機信道、突發信道和混合信道。在隨機信道中，錯碼的出現是隨機的，且錯碼之間是統計獨立的。例如，由正態分布白噪聲引起的錯碼就具有這種性質。因此，當信道中加性干擾主要是這種噪聲時，就稱這種信道為隨機信道。在突發信道中，錯碼是成串集中出現的，也就是說，在一些短促的時間區間內會出現大量錯碼，而在這些短促的時間區間之間卻又存在較長的無錯碼區間。這種成串出現的錯碼稱為突發錯碼。產生突發錯碼的主要原因之一是脈沖干擾，而信道中的衰落現象也是產生突發錯碼的另一主要原因。當信道中加性干擾主要是這種干擾時，便稱這種信道為突發信道。我們把既存在隨機錯碼又存在突發錯碼，且哪一種都不能忽略不計的信道，稱為混合信道。對于不同類型的信道，應采用不同的差錯控制技術。

差錯控制方法，常用的有以下幾種：

（1）檢錯重發法接收端在收到的信碼中檢測出（發現）錯碼時，即設法通知發送端重發，直到正確收到為止。所謂檢測出錯碼，是指在若干接收碼元中知道有一個或一些是錯的，但不一定知道該錯碼的準確位置。采用這種差錯控制方法需要具備雙向信道。

（2）前向糾錯法接收端不僅能在收到的信碼中發現有錯碼，還能夠糾正錯碼。對于二進制系統，如果能夠確定錯碼的位置，就能夠糾正它。這種方法不需要反向信道（傳遞重發指令），也不存在由于反復重發而延誤時間，實時性好。但是糾錯設備要比檢錯設備復雜。

（3）反饋校驗法接收端將收到的信碼原封不動地轉發回發送端，并與原發送信碼相比較。如果發現錯誤，則發送端再進行重發。這種方法原理和設備都較簡單，但需要有雙向信道。因為每一信碼都相當于至少傳送了兩次，所以傳輸效率較低。

上述三種差錯控制方法可以結合使用，例如，檢錯和糾錯結合使用。當出現少量錯碼并在接收端能夠糾正時，即用前向糾錯法糾正；當錯碼較多超過糾正能力但尚能檢測時，就用檢錯重發法。此外，在某些特定場合，可采用檢錯刪除法，即接收端將其中存在錯誤的部分碼元刪除，不送給輸出端。此法適用于信息內容有大量多余度或多次重復發送的場合。

在上述三種方法中，前兩種方法的共同點都是在接收端識別有無錯碼。那么，接收端根據什么來識別呢？由于信息碼元序列是一種隨機序列，接收端是無法預知的（如果預先知道，就沒有必要發送了），也無法識別其中有無錯碼。為了解決這個問題，可以由發送端的信道編碼器在信息碼元序列中增加一些監督碼元。這些監督碼和信碼之間有一定的關系，使接收端可以利用這種關系由信道譯碼器來發現或糾正可能存在的錯碼。

在信息碼元序列中加入監督碼元就稱為差錯控制編碼，有時也稱為糾錯編碼。不同的編碼方法，有不同的檢錯或糾錯能力，有的編碼只能檢錯，不能糾錯。一般說來，付出的代價越大，檢錯的能力就越強。這里所說的代價，就是指增加的監督碼元多少，它通常用多余度來衡量。例如，若編碼序列中，平均每兩個信息碼元就有一個監督碼元，則這種編碼的多余度為1/3。換一種說法，也可以說這種編碼的編碼速率為2/3。可見，差錯控制編碼原則上是以降低信息傳輸速率為代價來換取傳輸可靠性的提高。

自動要求重發系統通常簡稱為ARQ系統，它就是一種檢錯重發系統。其組成原理方框圖如圖所示。這種系統中具有雙向信道。在發送端，輸入的信息碼元在編碼器中被分組編碼（加入監督碼元）后，除立即發送外，尚暫存于緩沖存儲器中。若接收端解碼器檢出錯碼，則由解碼器控制產生一重發指令，經反向信道送至原發送端。這時，由發送端重發控制器控制緩沖存儲器重發一次。接收端僅當解碼器認為接收信息碼元正確時，才將信碼送給收信者，否則在輸出緩沖存儲器中刪除掉。當接收端解碼器未發現錯碼時，經反向信道發出不需重發指令。發送端收到此指令后，即繼續發送后一碼組，發送端的緩沖存儲器中的內容也隨之更新。

ARQ方式的主要優點是：

（1）只需要少量的多余碼元（一般為總碼元的5%-20%）就能獲得極低的輸出誤碼率；

（2）要求使用的檢錯碼基本上與信道的差錯統計特性無關，也就是說，對各種信道的不同差錯特性，有一定自適應能力；

（3）其檢錯譯碼器與前向糾錯法中的糾錯譯碼器相比，成本和復雜性均低得多。

這種方法的主要缺點是：

（1）由于需要反向信道，故不能用于單向傳輸系統，也難以用于廣播（一發多收）系統，并且實現重發控制比較復雜；

（2）當信道干擾增大時，整個系統可能處在重發循環中，因而通信效率降低，甚至不能通信；

（3）不大適于要求嚴格實時傳輸的系統。

[作者簡介]烏爾娜（1978.08-），工程師，本科，中級職稱，研究方向：廣電系統。