數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方法的研究

張悅

渤海大學(xué)工學(xué)院

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數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方法的研究

張悅

渤海大學(xué)工學(xué)院

糾錯(cuò)編碼對(duì)于數(shù)字通信的可靠性的提高有很大的意義，糾錯(cuò)編碼技術(shù)的發(fā)展是以超大規(guī)模集成電路作為發(fā)展的基礎(chǔ)，其中數(shù)字通信系統(tǒng)中當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程出現(xiàn)了錯(cuò)誤的時(shí)候可以通過(guò)采用差錯(cuò)控制進(jìn)行糾錯(cuò)處理。本文圍繞著選擇數(shù)據(jù)糾錯(cuò)控制的方法進(jìn)行了論述，同時(shí)也指出了關(guān)于數(shù)字通信中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方法。

數(shù)字 通信 糾錯(cuò)

1　引言

長(zhǎng)距離的調(diào)度采用的通信方式是通過(guò)電力線進(jìn)行通信，該過(guò)程的實(shí)現(xiàn)采用的信道是電力網(wǎng)，通過(guò)電力網(wǎng)進(jìn)行交換信道與傳送數(shù)據(jù)，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)效益的增加有著很大的作用，而且發(fā)展空間很廣闊。電力線載波中通道方面提高了可靠性，效率方面也得到了很大的提高，而且投入的成本也比較低，這些是電力載波的優(yōu)勢(shì)。隨著通信方式的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡囊笠苍絹?lái)越高，故障信息的搜集這在電力系統(tǒng)中有著很大的影響意義，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘奶岣撸瑐鬏斔俾实奶嵘@就需要采用合理的調(diào)制解調(diào)方式，更進(jìn)一步地減少誤碼率出現(xiàn)的情況。

實(shí)際中由于噪聲的存在，所以當(dāng)數(shù)據(jù)在信道中進(jìn)行傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)存在數(shù)據(jù)誤差的情況，所以這種情況下，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)處理。通常的解決方法就是在引入監(jiān)督元的作用，監(jiān)督元可以把差錯(cuò)控制的編碼變成糾錯(cuò)的編碼，而對(duì)于冗余的碼元，就會(huì)把信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，這個(gè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程是將信號(hào)的不規(guī)則性向規(guī)則性轉(zhuǎn)化。按照碼元的規(guī)律去判斷在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒讨袝?huì)不會(huì)存在著數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況，而這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就稱為差錯(cuò)控制譯碼。本論文主要介紹的是關(guān)于數(shù)字通信中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方法的解決，介紹了幾種數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的方法，并且也提出了相應(yīng)的解決方案。

2　數(shù)字通信信道模型

數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的處理，目前的研究已經(jīng)有了很多，其中采取的控制措施主要包括了在信號(hào)的信噪比方面進(jìn)行提高處理，針對(duì)信號(hào)功率的發(fā)送盡可能增強(qiáng)，這些糾錯(cuò)方法中其中的提高信噪比和提高功率使用起來(lái)受到的約束比較多， 所以通常情況下是不太會(huì)采用的。因此研究一種新的糾錯(cuò)方法是迫在眉睫，差錯(cuò)控制的編碼在近幾年逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，差錯(cuò)控制技術(shù)的引入對(duì)于信號(hào)接收端中的噪聲起到了抑制的作用，在一定程度上減少了噪聲的干擾，另外發(fā)送功率也得到了提高。

糾錯(cuò)編碼的來(lái)源是通信系統(tǒng)，因此有必要介紹下相關(guān)的通信系統(tǒng)的理論知識(shí)。所謂的通信指的就是通過(guò)一種媒質(zhì)把信息在起點(diǎn)到終點(diǎn)進(jìn)行傳送的過(guò)程，起點(diǎn)稱為信源，終點(diǎn)稱為信宿，當(dāng)傳送的電信號(hào)是連續(xù)的時(shí)候，就叫做模擬的，比如電視信號(hào)，圖像信號(hào)等。如果發(fā)送的信號(hào)是數(shù)字的，那么就稱為是數(shù)字通信，比如電報(bào)。數(shù)字通信的系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1　數(shù)字通信的系統(tǒng)模型

數(shù)字通信的過(guò)程中存在著信道編碼與信源編碼，信道編碼也可以叫做糾錯(cuò)編碼，主要的目的是為了確保信號(hào)傳輸過(guò)程中更加可靠。而信源編碼指的將信源按照具體的規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字序列。

3　數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)糾檢錯(cuò)方法

通信的過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸存在誤差這是一個(gè)避無(wú)可避的問(wèn)題，所以針對(duì)這種現(xiàn)象的出現(xiàn)就需要研究出合理的方法，努力做到保證數(shù)據(jù)的可靠性，其中的差錯(cuò)控制主要可以分為兩種，分別是前向糾錯(cuò)和反饋糾錯(cuò)，還有第三種就是混合糾錯(cuò)，第三種是在前兩種的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，結(jié)合前兩種，第三種就應(yīng)運(yùn)而生。下面分別介紹這兩種差錯(cuò)控制。

3.1前向糾錯(cuò)

前向糾錯(cuò)是一種比較復(fù)雜的糾錯(cuò)方法。其糾錯(cuò)的原理指的是在解碼的過(guò)程中發(fā)信端就可以進(jìn)行錯(cuò)誤編碼的糾錯(cuò)，而且接收端除了找到哪些是錯(cuò)誤的信息之外還會(huì)對(duì)錯(cuò)誤的信息進(jìn)行糾錯(cuò)。前向的糾錯(cuò)方式中重發(fā)這個(gè)步驟是不存在的，而且反饋信息的反復(fù)也是不存在的，即使前向糾錯(cuò)的方法對(duì)設(shè)備的要求比較高，然而在傳輸信息的過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間比較少，在效率方面得到了很大的提高，所以比較適合那些傳輸過(guò)程中信息比較緊的情況。

3.2反饋糾錯(cuò)

這種類型的糾錯(cuò)指的是當(dāng)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)臅r(shí)候，接收信號(hào)的編碼以及校驗(yàn)的檢查是由接收端進(jìn)行控制的，此外接收信號(hào)的單位幀中是否會(huì)存在著錯(cuò)誤這個(gè)判斷的決策也是由接收端進(jìn)行控制的。采用這種方法就是需要發(fā)送信息的那端可以找到哪些編碼是傳輸錯(cuò)誤，監(jiān)督元的參與主要是方便接收端可以很好地按照相關(guān)的編碼規(guī)律查找錯(cuò)誤的編碼，一旦找到了編碼錯(cuò)誤的部分，發(fā)信端就會(huì)收到重發(fā)信息的請(qǐng)求。如果發(fā)信端收到消息后就會(huì)將那些有錯(cuò)誤的編碼重新再次發(fā)送到接收端，重發(fā)結(jié)束的標(biāo)志是重發(fā)的信息內(nèi)容無(wú)錯(cuò)誤。在查找編碼錯(cuò)誤的時(shí)候，并不會(huì)知道哪些地方存編碼錯(cuò)誤，僅僅可以了解到哪些或者哪一個(gè)編碼是錯(cuò)誤的。

3.3混合糾錯(cuò)

混合糾錯(cuò)指的是可以對(duì)接收那些信息錯(cuò)誤得不是很嚴(yán)重的進(jìn)行糾正，而不能處理錯(cuò)誤比較嚴(yán)重的信息，因?yàn)檫@已經(jīng)是自動(dòng)糾錯(cuò)能力所無(wú)法承受的。所以這種情況下錯(cuò)誤信息就得重新發(fā)送到起始位置也就是發(fā)信端，然后向發(fā)信端發(fā)送重發(fā)的命令，發(fā)信端接收到請(qǐng)求后發(fā)起重發(fā)的響應(yīng)。混合糾錯(cuò)是結(jié)合了前向糾錯(cuò)和反饋糾錯(cuò)。

3.4快速譯碼

快速譯碼的對(duì)象是分組碼，在編碼實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中編譯器會(huì)在信息的適當(dāng)位置加入校驗(yàn)位，校驗(yàn)位的加入可以對(duì)信息進(jìn)行改變，這種改變主要表現(xiàn)在將信息的無(wú)規(guī)律性改為有規(guī)律性，然后再信息的接收過(guò)程中根據(jù)相關(guān)性做糾錯(cuò)和檢錯(cuò)的處理，按照糾錯(cuò)能力的高低可以進(jìn)行分類分別是糾錯(cuò)碼與檢錯(cuò)碼，而根據(jù)碼字的結(jié)構(gòu)循環(huán)特點(diǎn)可以分為隨機(jī)的和突發(fā)的。碼的最小距離d0與碼的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力是有聯(lián)系的。如果（N，K）分組碼在碼字內(nèi)：

1）檢測(cè)e個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，要求d0≥2t+1

2）糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，要求 d0≥e+1

3）糾正t個(gè)同時(shí)檢測(cè)e個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，其中e滿足e ≥t，那么要求d0≥t+e+1

3.5循環(huán)冗余差錯(cuò)控制校驗(yàn)碼

電子通信行業(yè)中差錯(cuò)校驗(yàn)碼最經(jīng)常使用的是循環(huán)的冗余校驗(yàn)碼，該校驗(yàn)的特點(diǎn)是隨意選擇相關(guān)的校驗(yàn)與信息的字段，而且可以從整體的布局情況計(jì)算數(shù)據(jù)，這種計(jì)算是多項(xiàng)式的，另外將獲得結(jié)果放在幀的下面，這樣做對(duì)數(shù)據(jù)的完整性以及數(shù)據(jù)的精確性有了很大的保障。

4　常見(jiàn)的糾錯(cuò)碼

1950年漢明發(fā)明了漢明碼，漢明碼主要的針對(duì)對(duì)象是線性的分組碼?？紤]到漢明碼碼率高，適用性強(qiáng)因此受到了很大的推廣。BCH碼作為比較常見(jiàn)的另外一種糾錯(cuò)碼，它是二元的循環(huán)碼，該命名是由是三個(gè)發(fā)明人組成的，BCH碼可以處理數(shù)據(jù)中的隨機(jī)錯(cuò)誤，而且數(shù)量可以是多個(gè)，針對(duì)BCH碼的研究技術(shù)已經(jīng)很成熟了，而且獲得的成就也很高。BCH碼的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，BCH碼按照糾錯(cuò)的能力選擇相應(yīng)的編碼。

4.1漢明碼編碼原理

漢明碼的編碼一種線性的分組，假設(shè)初始的代碼的長(zhǎng)度是k個(gè)比特，而糾錯(cuò)編碼長(zhǎng)度是r個(gè)比特，按照漢明碼的定義碼字的長(zhǎng)度記為n，公式如5，而糾錯(cuò)碼長(zhǎng)的取值范圍是從1遞增到無(wú)窮，糾錯(cuò)碼長(zhǎng)和碼字長(zhǎng)度的關(guān)系是兩者之和等于初始代碼長(zhǎng)度。這個(gè)關(guān)系表示為n=2r-1。

表1　碼字格式設(shè)置

4.2碼字格式

本文主要針對(duì)漢明碼進(jìn)行論述，漢明碼中關(guān)于格式的要求是在1，2，4，8....的相應(yīng)位置放置監(jiān)督位，并且這些監(jiān)督位依次記為D1，D2...，其中監(jiān)督位的放置沒(méi)有固定的要求，通常情況下采用的是種方式，監(jiān)督位的確定使用的是奇偶方式，為了更好地論述漢明碼的格式，設(shè)置了信號(hào)是11位，監(jiān)督位是由4為數(shù)字組成的，從而這種格式稱為15位碼字格式，格式設(shè)置如表1所示。

5　數(shù)字通信系統(tǒng)糾錯(cuò)檢錯(cuò)方案的研究方向

糾錯(cuò)碼的作用除了可以進(jìn)行錯(cuò)誤的檢驗(yàn)之外，還可以進(jìn)行錯(cuò)誤的糾正。進(jìn)行研究數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的方法可以提高信噪比，糾錯(cuò)編碼的相關(guān)技術(shù)的研究對(duì)于通信的可靠性起到了很大作用。

關(guān)于數(shù)字通信系統(tǒng)糾錯(cuò)檢錯(cuò)方向研究可以是通過(guò)進(jìn)行模型的建立，環(huán)境的模擬，其中的瑞利發(fā)布作為一種獨(dú)特的分布類型，主要應(yīng)用的場(chǎng)景是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立多徑分量接受包絡(luò)與平坦衰落信號(hào)的接收包絡(luò)。將兩個(gè)正交的高斯信號(hào)相加起來(lái)形成后的包絡(luò)的分布是瑞利分布，在無(wú)線傳播的情況下會(huì)存在很多的障礙，而這些障礙是以散射的無(wú)線形式存在的。當(dāng)在傳播的環(huán)境下，接收機(jī)接收到?jīng)_激信號(hào)后會(huì)對(duì)獨(dú)立的隨機(jī)變量進(jìn)行疊加的操作，最后不斷反復(fù)優(yōu)化和復(fù)測(cè)，通過(guò)仿真可以查看結(jié)果。

6　結(jié)語(yǔ)

關(guān)于數(shù)字通信系統(tǒng)中數(shù)據(jù)糾錯(cuò)的方法很多，有關(guān)方面的研究也很多，但是從這眾多的研究中找出數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方法的最佳方案，這是主要問(wèn)題的解決關(guān)鍵，因此對(duì)于數(shù)據(jù)糾錯(cuò)方面的研究還需要不斷的努力，需要不斷的進(jìn)行創(chuàng)新，為研究出最佳的解決方案做出貢獻(xiàn)。另外本論文中還介紹到了差錯(cuò)控制的有關(guān)知識(shí)及其自身的優(yōu)點(diǎn)，差錯(cuò)控制在解決數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的這方面有著很大的作用，通過(guò)差錯(cuò)控制能夠找出錯(cuò)誤所在并可以對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正處理。

［1］ 薛鈞義，張彥斌.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1990

［2］ 謝志遠(yuǎn)，范寒柏.電力數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（1）：52-57

［3］ 冷建華，李萍，王良紅，數(shù)字信號(hào)處理［M］，北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002

［4］ 王新梅，肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼原理與方法［M ］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2001