信道編碼概述
釋義
由于移動通信存在幹擾和衰落，在信号傳輸過程中将出現差錯，故對數字信号必須采用糾、檢錯技術，即糾、檢錯編碼技術，以增強數據在信道中傳輸時抵禦各種幹擾的能力，提高系統的可靠性。對要在信道中傳送的數字信号進行的糾、檢錯編碼就是信道編碼。
通常糾錯碼分為兩大類，即分組碼和卷積碼。在移動通信系統中另一種糾錯方法就是信令重發，解碼時先存儲再逐位判決，如重發五次，三次或三次以上均為1，則判1。
信道編碼之所以能夠檢出和校正接收比特流中的差錯，是因為加入一些冗餘比特，把幾個比特上攜帶的信息擴散到更多的比特上。為此付出的代價是必須傳送比該信息所需要的更多的比特。
發展
編碼定理的證明，從離散信道發展到連續信道，從無記憶信道到有記憶信道，從單用戶信道到多用戶信道，從證明差錯概率可接近于零到以指數規律逼近于零，正在不斷完善。編碼方法，在離散信道中一般用代數碼形式，其類型有較大發展，各種界限也不斷有人提出，但尚未達到編碼定理所啟示的限度，尤其是關于多用戶信道，更顯得不足。在連續信道中常采用正交函數系來代表消息，這在極限情況下可達到編碼定理的限度。不是所有信道的編碼定理都已被證明。隻有無記憶單用戶信道和多用戶信道中的特殊情況的編碼定理已有嚴格的證明；其他信道也有一些結果，但尚不完善。
信道編碼技術
作用
數字信号在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數據流中産生誤碼，從而使接收端産生圖象跳躍、不連續、出現馬賽克等現象。所以通過信道編碼這一環節，對數碼流進行相應的處理，使系統具有一定的糾錯能力和抗幹擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發生。誤碼的處理技術有糾錯、交織、線性内插等。提高數據傳輸效率，降低誤碼率是信道編碼的任務。
信道編碼的本質是增加通信的可靠性。但信道編碼會使有用的信息數據傳輸減少，信道編碼的過程是在源數據碼流中加插一些碼元，從而達到在接收端進行判錯和糾錯的目的，這就是我們常常說的開銷。這就好像我們運送一批玻璃杯一樣，為了保證運送途中不出現打爛玻璃杯的情況，我們通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包裝起來，這種包裝使玻璃杯所占的容積變大，原來一部車能裝5000個玻璃杯的，包裝後就隻能裝4000個了，顯然包裝的代價使運送玻璃杯的有效個數減少了。
同樣，在帶寬固定的信道中，總的傳送碼率也是固定的，由于信道編碼增加了數據量，其結果隻能是以降低傳送有用信息碼率為代價了。将有用比特數除以總比特數就等于編碼效率了，不同的編碼方式，其編碼效率有所不同。
糾錯編碼
數字電視中常用的糾錯編碼，通常采用兩次附加糾錯碼的前向糾錯（FEC）編碼。RS編碼屬于第一個FEC，188字節後附加16字節RS碼，構成（204，188）RS碼，這也可以稱為外編碼。第二個附加糾錯碼的FEC一般采用卷積編碼，又稱為内編碼。外編碼和内編碼結合一起，稱之為級聯編碼。級聯編碼後得到的數據流再按規定的調制方式對載頻進行調制。
前向糾錯碼（FEC）的碼字是具有一定糾錯能力的碼型，它在接收端解碼後，不僅可以發現錯誤，而且能夠判斷錯誤碼元所在的位置，并自動糾錯。這種糾錯碼信息不需要儲存，不需要反饋，實時性好。所以在廣播系統（單向傳輸系統）都采用這種信道編碼方式。
糾錯碼的各種類型
RS編碼
RS碼即裡德-所羅門碼，它是能夠糾正多個錯誤的糾錯碼，RS碼為（204，188，t=8），其中t是可抗長度字節數，對應的188符号，監督段為16字節(開銷字節段）。實際中實施（255，239，t=8）的RS編碼，即在204字節（包括同步字節）前添加51個全“0”字節，産生RS碼後丢棄前面51個空字節，形成截短的（204，188）RS碼。RS的編碼效率是：188/204。
卷積碼
卷積碼非常适用于糾正随機錯誤，但是，解碼算法本身的特性卻是：如果在解碼過程中發生錯誤，解碼器可能會導緻突發性錯誤。為此在卷積碼的上部采用RS碼塊，RS碼适用于檢測和校正那些由解碼器産生的突發性錯誤。所以卷積碼和RS碼結合在一起可以起到相互補償的作用。卷積碼分為兩種：
(1)基本卷積碼
基本卷積碼編碼效率為，η=1/2,編碼效率較低,優點是糾錯能力強。
(2)收縮卷積碼
如果傳輸信道質量較好，為提高編碼效率，可以采樣收縮截短卷積碼。有編碼效率為：η=1/2、2/3、3/4、5/6、7/8這幾種編碼效率的收縮卷積碼。
編碼效率高，一定帶寬内可傳輸的有效比特率增大,但糾錯能力越減弱。
Turbo碼
1993年誕生的Turbo碼，單片Turbo碼的編碼/解碼器，運行速率達40Mb/s。該芯片集成了一個32×32交織器，其性能和傳統的RS外碼和卷積内碼的級聯一樣好。所以Turbo碼是一種先進的信道編碼技術，由于其不需要進行兩次編碼，所以其編碼效率比傳統的RS+卷積碼要好。
GSM系統中的信道編碼
GSM系統把20ms語音編碼後的數據作為一幀，共260bit，分成50個最重要比特、132個次重要比特和78個不重要比特。
在GSM系統中，對話音編碼後的數據既進行檢錯編碼又進行糾錯編碼。
首先對50個最重要比特進行循環冗餘編碼(CRC)，編碼後為53bit；再将該53bit與次重要的132bit一起進行約束長度為K=5，編碼效率為R=1/2的卷積編碼，編碼後為2(53+132+4)=378bit；最後再加上最不重要的78bit，形成信道編碼後的一幀共456bit。
IS-95系統中的信道編碼
（1）正向鍊路上的信道編碼
在IS-95系統中，正向鍊路上是以不同的沃爾什(Walsh)函數來區分不同的物理信道的。在用沃爾什函數進行直接擴頻調制之前，要對話音數據或信令數據進行編碼效率R=1/2、約束長度為K=9的信道編碼。由于CDMA系統是受自身幹擾的系統，各業務信道上的發射功率受到嚴格的限制。當系統中使用同一頻率信道的用戶較多時，對每個用戶而言，接收信噪比就降低。所以，CDMA系統的話音編碼被設計為多速率的。
當接收信噪比較高時，采用較高速率的話音編碼，以獲得較好的接收話音質量；當接收信噪比較低時，就采用較低的話音編碼速率。較低速率的話音編碼數據經卷積編碼後，可進行字符重複。語音編碼數據速率越低，卷積編碼後字符可重複的次數越多，使得在較差信道上傳輸的信号獲得更多的保護。
（2）反向鍊路上的信道編碼
IS-95系統中，反向鍊路上是用不同的長僞随機序列來區分不同的物理信道的。在用長僞随機序列進行直接擴頻調制之前，要對語音數據或信令數據進行編碼效率R=1/3(速率集1)或R=1/2(速率集2)、約束長度為K=9的信道編碼。由于同樣的原因，語音編碼同樣被設計為多速率的。當接收信噪比較低時。可采用較低的話音編碼速率、字符重複的方法，提高在信道上傳輸時的抗幹擾性能。
交織
在實際應用中，比特差錯經常成串發生，這是由于持續時間較長的衰落谷點會影響到幾個連續的比特，而信道編碼僅在檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串時才最有效（如RS隻能糾正8個字節的錯誤）。為了糾正這些成串發生的比特差錯及一些突發錯誤，可以運用交織技術來分散這些誤差，使長串的比特差錯變成短串差錯，從而可以用前向碼對其糾錯，例如：在DVB-C系統中，RS(204,188)的糾錯能力是8個字節，交織深度為12，那麼糾可抗長度為8×12=96個字節的突發錯誤。
實現交織和解交織一般使用卷積方式。
交織技術對已編碼的信号按一定規則重新排列，解交織後突發性錯誤在時間上被分散，使其類似于獨立發生的随機錯誤，從而前向糾錯編碼可以有效的進行糾錯，前向糾錯碼加交積的作用可以理解為擴展了前向糾錯的可抗長度字節。糾錯能力強的編碼一般要求的交織深度相對較低。糾錯能力弱的則要求更深的交織深度。
一般來說，對數據進行傳輸時，在發端先對數據進行FEC編碼，然後再進行交積處理。在收端次序和發端相反，先做去交積處理完成誤差分散，再FEC解碼實現數據糾錯。另外，從上圖可看出，交積不會增加信道的數據碼元。
根據信道的情況不同，信道編碼方案也有所不同，在DVB-T裡由于是無線信道且存在多徑幹擾和其它的幹擾，所以信道很“髒”，為此它的信道編碼是：RS+外交積+卷積碼+内交積。采用兩次交積處理的級聯編碼，增強其糾錯的能力。RS作為外編碼，其編碼效率是188/204（又稱外碼率），卷積碼作為内編碼，其編碼效率有1/2、2/3、3/4、5/6、7/8五種（又稱内碼率）選擇，信道的總編碼效率是兩種編碼效率的級聯疊加。設信道帶寬8MHZ，符号率為6.8966Ms/S，内碼率選2/3，16QAM調制，其總傳輸率是27.586Mbps,有效傳輸率是27.586*(188/204)*(2/3)=16.948Mbps,如果加上保護間隔的插入所造成的開銷，有效碼率将更低。
在DVB-C裡，由于是有線信道，信道比較“幹淨”，所以它的信道編碼是：RS+交積。一般DVB-C的信道物理帶寬是8MHZ，在符号率為6.8966Ms/s，調制方式為64QAM的系統，其總傳輸率是41.379Mbps,由于其編碼效率為188/204，所以其有效傳輸率是41.379*188/204=38.134Mbps。
在DVB-S裡，由于它是無線信道，所以它的信道編碼是：RS+交積+卷積碼。也是級聯編碼。
僞随機序列擾碼
進行基帶信号傳輸的缺點是其頻譜會因數據出現連“1”和連“0”而包含大的低頻成分，不适應信道的傳輸特性,也不利于從中提取出時鐘信息。解決辦法之一是采用擾碼技術,使信号受到随機化處理，變為僞随機序列，又稱為“數據随機化”和“能量擴散”處理。擾碼不但能改善位定時的恢複質量，還可以使信号頻譜平滑，使幀同步和自适應同步和自适應時域均衡等系統的性能得到改善。
擾碼雖然“擾亂”了原有數據的本來規律，但因為是人為的“擾亂”，在接收端很容易去加擾，恢複成原數據流。
實現加擾和解碼，需要産生僞随機二進制序列（PRBS）再與輸入數據逐個比特作運算。PRBS也稱為m序列，這種m序列與TS的數據碼流進行模2加運算後，數據流中的“1”和“0”的連續遊程都很短，且出現的概率基本相同。
利用僞随機序列進行擾碼也是實現數字信号高保密性傳輸的重要手段之一。一般将信源産生的二進制數字信息和一個周期很長的僞随即序列模2相加，就可将原信息變成不可理解的另一序列。這種信号在信道中傳輸自然具有高度保密性。在接收端将接收信号再加上（模2和）同樣的僞随機序列，就恢複為原來發送的信息。
在DVB-C系統中的CA系統原理就源于此，隻不過為了加強系統的保密性，其僞随機序列是不斷變化的（10秒變一次），這個僞随機序列又叫控制字（CW)。
現在出現一種新的信道編碼方法。LDPC編碼。LDPC編碼是最接近香農定理的一種編碼。
