第3章 信道編碼

3.1 概述

3.1.1 信道編碼的任務

對于廣播信道來說，典型問題是由于散射和反射信號的多徑成分干擾而產生衰落。壞的接收條件不僅可以在覆蓋邊界覺察到，而且在覆蓋區內也可覺察到，它由于遮擋（高大建筑物后、隧道內），或由于干擾信號（其他電臺、有缺陷的其他電氣設備）或移動接收時由特別高的速度（極端的時間可變信道，多普勒效應）引起。在所有這些不可避免的不利接收條件下，可能出現比特差錯，它會引起不同程度的信號質量變差甚至導致信號消失。信號傳輸的可靠性直接取決于實施的差錯保護措施。要使差錯限制在一定的允許范圍內，數字基帶信號在進行調制前，必須進行信道編碼，又稱差錯控制編碼。

經過按照MPEG進行數據壓縮的信源編碼，音頻數字信號中剔除了冗余和不相關成分。這樣的信號如果不再處理而直接進行傳輸，則它對傳輸信道中的干擾抵抗能力很弱。也就是說，在同樣的誤碼率下，出現比特差錯造成的質量損傷，要比沒有進行數據壓縮的信號大得多。

所謂信道編碼，是按照一定的規則，在信源編碼后的數據流中，人為加進冗余，即補充差錯保護，使信源編碼的信號盡可能無干擾地通過傳輸信道送到接收機，也就是說，通過信道編碼，當出現傳輸差錯時，在接收機中可以進行識別和修正。

顯然，由于信道編碼加進了差錯保護，會使在信道上傳輸的總數據率變大，這就是為確保傳輸可靠性所付出的代價。

信道編碼可以理解為信息傳輸的保護外殼，如圖3-1-1所示。圖中m代表經過數據率壓縮的凈數據率，n代表經信道編碼后的總數據率，則R=m/n稱為信道編碼率（＜1）。編碼率越低，表明保護程度越高，數據傳輸越可靠。由于n＞m，在選擇調制方式時，就要注意使n不要超出傳輸信道允許的最大數據率。

在傳輸信道中，干擾是疊加到經數字調制的信號上，接收機解調時會產生或多或少的比特差錯，使某一些位的數據由“1”變為“0”或由“0”變為“1”。

在接收機中通過信道解碼，對在信道編碼器中添加的冗余（以及可能的由傳輸差錯所涉及的冗余）計值，可以發現有比特的差錯并予以糾正，恢復出原信道編碼器輸入端的信息序列。

3.1.2 差錯控制方式及差錯分類

在數字通信中，差錯控制方式有檢錯重發、前向糾錯（簡稱FEC）和混合糾錯。由于檢錯重發和混合糾錯均需要反向傳輸信道，因此，在廣播電視數字信號傳輸中，都使用前向糾錯（FEC）方式，在這種前向糾錯系統中，通過接收端解碼，能夠自動發現并糾正傳輸差錯。

傳輸差錯可分為隨機差錯和突發差錯。

隨機差錯：這種差錯是隨機出現并獨立存在的，在通常情況下是由加性白噪聲引起的。

突發差錯：這種差錯是成串出現的差錯，又稱塊差錯，前后差錯具有相關性。

3.1.3 差錯控制編碼分類及差錯靈敏度

如果按照信息碼元和附加的監督碼元之間的檢驗關系是否滿足一組線性方程式來分，差錯控制編碼可分為線性碼和非線性碼。

如果按照信息碼元和監督碼元之間的約束方式來分，差錯控制編碼可分為分組碼和卷積碼。在分組碼中，經信道編碼后的碼元序列將每n位組成一組，其中k位信息碼元，r=n-k位是附加的監督碼元。監督碼元僅與本組信息碼元有關。在卷積碼中，雖然編碼序列也劃分為碼組，但卷積碼的n0個碼元不僅與本組的k0個信息有關，而且與前m（m≥1）組的信息碼元有關。在數字廣播電視傳輸系統中，如DAB、DVB-T和DRM，信道編碼都使用了卷積碼。

MPEG音頻數據幀包含有不同的成分的信息，當傳輸出現差錯時，各個部分表現出不同的敏感性和主觀干擾影響，敏感性分為0～5個等級，稱為靈敏度。最重要的信息，如幀頭信息，如果出現差錯，帶來的影響是災難性的。子帶樣值，尤其是最低有效位，如果出現差錯，可能完全感覺不到。

3.1.4 等差錯保護與不等差錯保護

根據信息差錯靈敏度的不同，實施不同程度的保護，稱為不等差錯保護（Unequal Error Protection-UEP）或不均勻差錯保護。這種差錯保護實際上是對不同靈敏度的信息賦予不同的信道編碼率。另一方面，同一種信息在不同的應用環境下，如DAB信號在電纜網中傳輸與應用于高速移動接收的無線傳輸，傳輸條件很不相同，這時，即使相同的信息也實施不同的保護。

地面傳播時，出現廣播業務覆蓋的邊緣是不可避免的。因此，在覆蓋區邊緣移動接收每種業務時，會從一個無差錯傳輸經過較少剩余比特差錯，過渡到完全干擾。這種退出性能歸功于不均勻差錯保護（UEP）和鑒于主觀和客觀質量特性而最佳靈活運用不同的差錯保護度。同時，在UEP情況下，單獨業務和應用不同差錯保護度的多種業務彼此達到最佳。

在不同的差錯保護等級時，一個被干擾的傳輸信道會產生不同的剩余比特差錯率。例如，在音頻數據幀，控制信息的剩余比特差錯率總是小于比例因子、遠遠小于子帶樣值的剩余比特差錯率。

試驗表明，長時間剩余比特差錯率，不代表在多徑接收的廣播信道中主觀感覺的剩余比特差錯性能的真實情況。在用于主觀質量評價的短時間內，剩余比特差錯率可能明顯大于在長時間（若干分鐘以上）中的平均比特差錯率。

對一項廣播業務來說，在討論質量和定義差錯保護要求時，首先應依據于短時間剩余比特差錯率。同時，也考慮主觀質量標準和覆蓋標準而選擇時間窗口的最佳大小。

在足夠大的信噪比時，無差錯傳輸是可能的，在寬的C/N范圍內達到穩定的高質量聲音。在覆蓋區的邊緣，由于不均勻差錯保護而形成一種軟退出性能。因為，當信噪比降低時，首先在子帶樣值剩余比特差錯率上升，上升至10-4時可感覺到。但是，即使差錯率為10-2，干擾還是可以忍受的。最后，當保護強的控制信息也出現差錯，接收機便不能工作而退出廣播接收。

在數字傳輸系統中，最大的問題是突然退出。在1～3dB之內接收機就不能再對信號解碼而變為啞音。通過對源編碼的差錯保護就可以避免這種現象。因為，首先是取樣值由于低的差錯保護而受到傷害，然后是比例因子，最后是在更壞的接收狀況下帶有同步數據的幀頭，退出關系與現在的模擬廣播相似。

等差錯保護（Equal Error Protection，EEP）也稱為均勻差錯保護。這種差錯保護實際上是指同一種信息，不論最高有效位還是最低有效位，信道編碼時都使用相同的編碼率，或者所有的信息都使用相同的編碼率。