[培训-无线通信基础-6]:信道编码(分组码、卷积吗、Polar码、LDPC码、Turbo码)

2023-11-12

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目录

前言:

第1部分 为什么需要信道编码

1.1 为什么需要信道编码

1.2 信道编码的实质

1.3 信道码的发展

第2部分 线性分组码

第3部分 卷积码

第4部分 Turbo编码

第5部分 LDPC编码

第6部分 Polar编码

6.1 简介

 6.2 原理

3.3 译码

第7部分 衰弱信道的编码



前言:

 

第1部分 为什么需要信道编码

1.1 为什么需要信道编码

备注:

 在信道编码之前,信息的传输出错是通过重传来保障数据的可靠传输。

香农给出了有噪声信道的编码定理:即使信道有噪声,也可以通过增加冗余信息的信道编码,确保数据的传输的误码率得到无限小。把有噪声的信道转换成看起来“没有噪声的信道”:

  • 有噪声信道的干扰越大,经过信道编码后,转换成的“没有噪声的信道”的有效数据速率越低。
  • 有噪声信道的干扰越小,经过信道编码后,转换成的“没有噪声的信道”的有效数据速率越高。

也就是通过增加冗余信息,降低有效数据的速率,可以使的一个有干扰的信道,变成一个使用起来“没有噪声的信道”。这就是物理层信道编码的目的。

这就是香农编码第二定理的神奇和伟大之处,他开创了在不可靠信道、有干扰信道上,不需要通过重传就可以实现可靠传输的思想的先河,为信道编码奠定了理论基础!!!

1.2 信道编码的实质

1.3 信道码的发展

备注:

3G/4G: Turbo码

5G: LDPC编码 + Polar编码

 

 

 

长码:物理层业务数据信道采用LDPC编码

短码:物理层小区广播信道采用Polar编码

 

备注:

(1)坐标轴

  • 横坐标:编码率,与冗余码的比例成反比。
  • 纵坐标:信噪比

很显然:

信噪比越大,理论的极限编码率越高,达到无干扰信道所需要的冗余比特就越少。

信噪比越小,理论的极限编码率越高。达到无干扰信道所需要的冗余比特就越多。

或者说,在相同的编码率的情况下,不同的编码,所需要的信噪比不同, 比如在1/2编码率(有效比特占所有比特的比率)的情况下,格雷码索要的信噪比是7.5dB. 而Polar只需要0.1dB,也就是说,在0.5的编码率的情况系下,要实现可靠的信号传输,Polar码对信噪比的要求是最低的。

(2)解读

信道编码是通过增加冗余位使得有噪声的信道变成“理想信道”,这就需要牺牲信道有效数据速率。

在相同噪声的情况下,不同信道编码的差别是,使得实际的数据速率能够得到香农公式的理论速率的差别,越接近香农极限速率,信道编码的性能越好。

或者说,在相同有效速率(容量)的情况下,不同信道编码的差别是,如果信道编码所需要的信噪比越低,越接近香农定理指定的信噪比,则编码性能越好。极化码与香农理论接近。

 

第2部分 线性分组码

 

 

 

 

 

 

 上图解析:

(1)在有信道编码的情况下,虽然总的能量(包括冗余信息与有效信息)并没有降低,但扩展后,增加了冗余比特,因此单个符号的能量是降低的,即信噪比降低了。

(2)在有信道编码的情况下,误码率也得到了进一步的降低,降低了两个数量级,从10^-4到10^-6。

 备注:

在相同的编码率(有效比特与总比特的比值/比重)和误比特率的情况下,获得的信噪比降低,称为编码增益。在上图中,(31,16), (511, 259)的编码率都是0.5, 但相同的误比特率的情况下,信噪比是不一样的,编码长度越长,获得的信噪比的增益越大,但编码译码长度越长,运算矩阵越大,硬件要求越高,成本越高。

 

 

 

 

第3部分 卷积码

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 备注:

2.1.x卷积码:1个输入比特,输出2个比特,因此,编码率为0.5。

不同的是约束码的长度为7或9,长度越长,编码和译码器越复杂。

第4部分 Turbo编码

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第5部分 LDPC编码

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第6部分 Polar编码

6.1 简介

 

 6.2 原理

 

 

 

 

 

3.3 译码

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第7部分 衰弱信道的编码

 

 

 

 

 


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