脈沖噪聲環(huán)境下編碼信道抗噪聲性能研究*

姚 娟，萬 瑤，李麗芳，張 謙

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

0 引言

傳統(tǒng)的信號處理理論和技術(shù)基本上是基于高斯分布和二階統(tǒng)計量的，其重要原因之一是當(dāng)時缺乏對更復(fù)雜信號噪聲模型進行分析和處理的工具。隨著計算機技術(shù)和信號處理理論的迅速發(fā)展，人們已有能力對更復(fù)雜的模型進行分析和處理，非高斯信號處理的理論和技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。本文將以α穩(wěn)定分布和信道編碼理論為基礎(chǔ)，采用α穩(wěn)定分布噪聲模型，對脈沖噪聲環(huán)境下編碼信道的抗噪聲性能進行研究。

1 信道編碼

信道編碼［1］是在信息碼中增加一定數(shù)量的可控制冗余碼元(稱為監(jiān)督碼元)，使信息碼元和冗余碼元之間滿足一定的約束關(guān)系，當(dāng)傳輸過程中出現(xiàn)差錯時約束關(guān)系被破壞，在接收端按照既定的規(guī)則校驗，恢復(fù)出正確的數(shù)據(jù)序列，從而達到糾錯的目的。

分組碼［2］是一組固定長度的碼組，可表示為(n，k)。在編碼時，k個信息位被編為n位碼組長度，而n－k個監(jiān)督位的作用就是實現(xiàn)檢錯與糾錯。信息碼元與監(jiān)督碼元成線性關(guān)系時的分組碼稱為線性分組碼。循環(huán)碼就是一類重要的線性分組碼，因其代數(shù)構(gòu)造和線性反饋移位寄存器的數(shù)學(xué)構(gòu)造相同，使其編譯碼器可以由線性反饋移位寄存器實現(xiàn)，常將碼長為n的碼組表示為代數(shù)形式

卷積碼［3］是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。卷積碼至今尚未找到嚴密的數(shù)學(xué)手段，把糾錯性能與碼的結(jié)構(gòu)十分有規(guī)律地聯(lián)系起來，目前大多采用計算機來進行編碼。卷積碼編碼后的n個碼元不僅與當(dāng)前段的k個信息有關(guān)，而且還與前面N段的信息有關(guān)。卷積碼編碼器一般由N個1位的移位寄存器及n個模2和加法器組成。

2 α穩(wěn)定分布

α穩(wěn)定分布的概念最先是由利維(Levy)于1925年給出的。近年來，α穩(wěn)定分布和相應(yīng)分數(shù)低階統(tǒng)計量理論研究和應(yīng)用為不同領(lǐng)域的許多現(xiàn)象提供了非常有用的模型。

2.1 α穩(wěn)定分布的定義

如果對于任何正數(shù)A和B，存在正數(shù)C和一個實數(shù)D，滿足

則隨機變量X是穩(wěn)定分布的。式中，X1和X2為X的獨立樣本，符號“=d”表示分布相同。α穩(wěn)定分布［4］沒有統(tǒng)一的封閉的概率密度函數(shù)，通常用其特征函數(shù)式(3)來描述

式中:(1)α∈(0，2］為特征指數(shù)，表示α穩(wěn)定分布概率密度函數(shù)拖尾的厚度;(2)γ＞0為分散系數(shù)，表示分布的分散程度;(3)β∈［－1，1］為對稱參數(shù)，當(dāng)β=0時稱為對稱α穩(wěn)定分布，記為SαS;(4)a∈(－∞，∞)為位置參數(shù)，對于SαS，a表示分布的均值或中值。

α穩(wěn)定分布隨機變量的概率密度存在且連續(xù)，但除了少數(shù)例外之外，它們沒有封閉的形式。這種例外包括高斯分布N(μ，2σ2)(其中 μ =α，σ2=γ/2)，其密度函數(shù)為:

由式(3)可知，當(dāng)α=2時，α穩(wěn)定分布與高斯分布的特征函數(shù)完全相同，因此認為α穩(wěn)定分布是廣義的高斯分布，并定義0＜α＜2的α穩(wěn)定分布為分數(shù)低階α穩(wěn)定分布。

α穩(wěn)定分布作為建模工具非常靈活，主要原因在于它的特征指數(shù)α可以用于控制概率密度函數(shù)拖尾的厚度。α值越小，表明所對應(yīng)的信號噪聲中有越顯著的尖峰脈沖;α越接近2，則更接近高斯特性;當(dāng)α=2時，則為高斯分布。

2.2 α穩(wěn)定分布隨機變量的算法

假定我們要產(chǎn)生階數(shù)為α(0＜α≤2)的α穩(wěn)定分布序列x(n)，滿足a=0和－1＜β＜1。定義:

這樣，滿足給定α值的分數(shù)低階α穩(wěn)定分布的隨機變量X［5］由式(18)給出

2.3 分數(shù)低階α穩(wěn)定分布噪聲條件下混合信噪比的設(shè)定

在分數(shù)低階α穩(wěn)定分布噪聲條件下，由于不存在有限的二階矩，致使噪聲的方差變得沒有意義，因此需要采用混合信噪比。混合信噪比定義為:

式中，s(n)為按照給定信噪比調(diào)整幅度后的信號，Var［s'(n)］表示信噪比設(shè)定之前信號的方差。按照式(21)調(diào)整給定信號s'(n)的幅度，就可以實現(xiàn)設(shè)定信噪比的目的。

3 α穩(wěn)定分布噪聲下編碼信道抗噪聲性能分析

3.1 α穩(wěn)定分布噪聲的產(chǎn)生

在使用分數(shù)低階α穩(wěn)定分布作脈沖噪聲模型時，不失一般性的，常設(shè)參數(shù)μ=0，α=1，β=0。由式(18)可獲得一個包含參數(shù)α、β、γ、μ的隨機變量 X，循環(huán)便得到 x(n)序列。當(dāng)給定混合信噪比m時，若已知信號方差，根據(jù)式(19)即可求得γ，

將以上各參數(shù)代入式(18)，即可獲得脈沖噪聲。以下是β=0、γ=1、μ=0的不同α下的噪聲波形。

圖1 α=0.9時的噪聲波形

圖2 α=1.5時的噪聲波形

圖3 高斯噪聲(α=2)

3.2 信道編碼與譯碼的實現(xiàn)

MATLAB中進行信道編譯碼非常方便，循環(huán)編碼時可以應(yīng)用函數(shù) encode，譯碼則應(yīng)用decode，并根據(jù)需要設(shè)置為“cyclic”編碼方式。卷積編碼時先應(yīng)用函數(shù)poly2trellis定義一個trellis矩陣，再用convenc進行編碼，譯碼時使用維特比譯碼方法，可應(yīng)用函數(shù)vitdec。譯碼后可以直接應(yīng)用函數(shù)symerr計算出誤碼率，并進行抗噪聲性能的比較。

3.3 抗噪聲性能分析

當(dāng)信息碼元一致時，在循環(huán)碼編碼信道條件下，分別加入α穩(wěn)定分布噪聲和高斯噪聲，譯碼后對誤碼率進行比較。由圖4可知:當(dāng)0＜MSNR＜20 dB時，高斯噪聲誤碼率小于脈沖噪聲的誤碼率，且脈沖噪聲α=1.5時的誤碼率小于α=0.9時的誤碼率;當(dāng)誤碼率開始為0時，高斯噪聲，α=1.5和 α =0.9 的脈沖噪聲的MSNR 分別為6 dB，9.2 dB，16.4 dB。由此可知，相同條件下，脈沖噪聲所造成的誤碼影響比高斯噪聲所造成的誤碼影響大得多，且脈沖噪聲的α越小，誤碼率越大。

圖4 循環(huán)碼編碼信道下的誤碼率比較(β=0，μ=0)

圖5 卷積碼編碼信道下的誤碼率比較(β=0，μ=0)

同樣的，當(dāng)信息碼元一致時，在卷積碼編碼信道條件下，分別加入α穩(wěn)定分布噪聲和高斯噪聲，譯碼后對誤碼率進行比較。由圖5可知:當(dāng)0＜MSNR＜20 dB時，高斯噪聲誤碼率小于脈沖噪聲的誤碼率，且脈沖噪聲α=1.5時的誤碼率小于α=0.9時的誤碼率;當(dāng)誤碼率開始為0時，高斯噪聲，α=1.5和 α=0.9的脈沖噪聲的 MSNR 分別為 5.2 dB，9.2 dB，16 dB。由此可知，相同條件下，脈沖噪聲所造成的誤碼影響比高斯噪聲所造成的誤碼影響大得多，且脈沖噪聲的α越小，誤碼率越大。此結(jié)論與圖5得出的結(jié)論相同。

4 結(jié)論

本文分析總結(jié)了編碼信道及α穩(wěn)定分布的基礎(chǔ)理論，并以α穩(wěn)定分布噪聲為脈沖噪聲模型，研究了脈沖噪聲環(huán)境下編碼信道的抗噪聲性能，并同高斯噪聲下的編碼信道性能相比較。仿真結(jié)果表明，相同條件下，高斯噪聲所造成的誤碼影響比脈沖噪聲所造成的誤碼影響小得多;且當(dāng)脈沖噪聲的參數(shù)β、γ、μ相同，α越小時，拖尾越長，脈沖噪聲所造成的誤碼率越大;高斯噪聲所造成的誤碼率在信噪比較小的情況下即可達到零，遠小于脈沖噪聲所要求的信噪比。

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