第3章 信道編碼

3.1 概述

3.1.1 信道編碼的任務(wù)

對(duì)于廣播信道來說，典型問題是由于散射和反射信號(hào)的多徑成分干擾而產(chǎn)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(qū)內(nèi)也可覺察到，它由于遮擋（高大建筑物后、隧道內(nèi)），或由于干擾信號(hào)（其他電臺(tái)、有缺陷的其他電氣設(shè)備）或移動(dòng)接收時(shí)由特別高的速度（極端的時(shí)間可變信道，多普勒效應(yīng)）引起。在所有這些不可避免的不利接收條件下，可能出現(xiàn)比特差錯(cuò)，它會(huì)引起不同程度的信號(hào)質(zhì)量變差甚至導(dǎo)致信號(hào)消失。信號(hào)傳輸?shù)目煽啃灾苯尤Q于實(shí)施的差錯(cuò)保護(hù)措施。要使差錯(cuò)限制在一定的允許范圍內(nèi)，數(shù)字基帶信號(hào)在進(jìn)行調(diào)制前，必須進(jìn)行信道編碼，又稱差錯(cuò)控制編碼。

經(jīng)過按照MPEG進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的信源編碼，音頻數(shù)字信號(hào)中剔除了冗余和不相關(guān)成分。這樣的信號(hào)如果不再處理而直接進(jìn)行傳輸，則它對(duì)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(xiàn)比特差錯(cuò)造成的質(zhì)量損傷，要比沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的信號(hào)大得多。

所謂信道編碼，是按照一定的規(guī)則，在信源編碼后的數(shù)據(jù)流中，人為加進(jìn)冗余，即補(bǔ)充差錯(cuò)保護(hù)，使信源編碼的信號(hào)盡可能無干擾地通過傳輸信道送到接收機(jī)，也就是說，通過信道編碼，當(dāng)出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)時(shí)，在接收機(jī)中可以進(jìn)行識(shí)別和修正。

顯然，由于信道編碼加進(jìn)了差錯(cuò)保護(hù)，會(huì)使在信道上傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)率變大，這就是為確保傳輸可靠性所付出的代價(jià)。

信道編碼可以理解為信息傳輸?shù)谋Ｗo(hù)外殼，如圖3-1-1所示。圖中m代表經(jīng)過數(shù)據(jù)率壓縮的凈數(shù)據(jù)率，n代表經(jīng)信道編碼后的總數(shù)據(jù)率，則R=m/n稱為信道編碼率（＜1）。編碼率越低，表明保護(hù)程度越高，數(shù)據(jù)傳輸越可靠。由于n＞m，在選擇調(diào)制方式時(shí)，就要注意使n不要超出傳輸信道允許的最大數(shù)據(jù)率。

在傳輸信道中，干擾是疊加到經(jīng)數(shù)字調(diào)制的信號(hào)上，接收機(jī)解調(diào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生或多或少的比特差錯(cuò)，使某一些位的數(shù)據(jù)由“1”變?yōu)椤?”或由“0”變?yōu)椤?”。

在接收機(jī)中通過信道解碼，對(duì)在信道編碼器中添加的冗余（以及可能的由傳輸差錯(cuò)所涉及的冗余）計(jì)值，可以發(fā)現(xiàn)有比特的差錯(cuò)并予以糾正，恢復(fù)出原信道編碼器輸入端的信息序列。

3.1.2 差錯(cuò)控制方式及差錯(cuò)分類

在數(shù)字通信中，差錯(cuò)控制方式有檢錯(cuò)重發(fā)、前向糾錯(cuò)（簡(jiǎn)稱FEC）和混合糾錯(cuò)。由于檢錯(cuò)重發(fā)和混合糾錯(cuò)均需要反向傳輸信道，因此，在廣播電視數(shù)字信號(hào)傳輸中，都使用前向糾錯(cuò)（FEC）方式，在這種前向糾錯(cuò)系統(tǒng)中，通過接收端解碼，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并糾正傳輸差錯(cuò)。

傳輸差錯(cuò)可分為隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)。

隨機(jī)差錯(cuò)：這種差錯(cuò)是隨機(jī)出現(xiàn)并獨(dú)立存在的，在通常情況下是由加性白噪聲引起的。

突發(fā)差錯(cuò)：這種差錯(cuò)是成串出現(xiàn)的差錯(cuò)，又稱塊差錯(cuò)，前后差錯(cuò)具有相關(guān)性。

3.1.3 差錯(cuò)控制編碼分類及差錯(cuò)靈敏度

如果按照信息碼元和附加的監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)關(guān)系是否滿足一組線性方程式來分，差錯(cuò)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(jiān)督碼元之間的約束方式來分，差錯(cuò)控制編碼可分為分組碼和卷積碼。在分組碼中，經(jīng)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(jiān)督碼元。監(jiān)督碼元僅與本組信息碼元有關(guān)。在卷積碼中，雖然編碼序列也劃分為碼組，但卷積碼的n0個(gè)碼元不僅與本組的k0個(gè)信息有關(guān)，而且與前m（m≥1）組的信息碼元有關(guān)。在數(shù)字廣播電視傳輸系統(tǒng)中，如DAB、DVB-T和DRM，信道編碼都使用了卷積碼。

MPEG音頻數(shù)據(jù)幀包含有不同的成分的信息，當(dāng)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，各個(gè)部分表現(xiàn)出不同的敏感性和主觀干擾影響，敏感性分為0～5個(gè)等級(jí)，稱為靈敏度。最重要的信息，如幀頭信息，如果出現(xiàn)差錯(cuò)，帶來的影響是災(zāi)難性的。子帶樣值，尤其是最低有效位，如果出現(xiàn)差錯(cuò)，可能完全感覺不到。

3.1.4 等差錯(cuò)保護(hù)與不等差錯(cuò)保護(hù)

根據(jù)信息差錯(cuò)靈敏度的不同，實(shí)施不同程度的保護(hù)，稱為不等差錯(cuò)保護(hù)（Unequal Error Protection-UEP）或不均勻差錯(cuò)保護(hù)。這種差錯(cuò)保護(hù)實(shí)際上是對(duì)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(yīng)用環(huán)境下，如DAB信號(hào)在電纜網(wǎng)中傳輸與應(yīng)用于高速移動(dòng)接收的無線傳輸，傳輸條件很不相同，這時(shí)，即使相同的信息也實(shí)施不同的保護(hù)。

地面?zhèn)鞑r(shí)，出現(xiàn)廣播業(yè)務(wù)覆蓋的邊緣是不可避免的。因此，在覆蓋區(qū)邊緣移動(dòng)接收每種業(yè)務(wù)時(shí)，會(huì)從一個(gè)無差錯(cuò)傳輸經(jīng)過較少剩余比特差錯(cuò)，過渡到完全干擾。這種退出性能歸功于不均勻差錯(cuò)保護(hù)（UEP）和鑒于主觀和客觀質(zhì)量特性而最佳靈活運(yùn)用不同的差錯(cuò)保護(hù)度。同時(shí)，在UEP情況下，單獨(dú)業(yè)務(wù)和應(yīng)用不同差錯(cuò)保護(hù)度的多種業(yè)務(wù)彼此達(dá)到最佳。

在不同的差錯(cuò)保護(hù)等級(jí)時(shí)，一個(gè)被干擾的傳輸信道會(huì)產(chǎn)生不同的剩余比特差錯(cuò)率。例如，在音頻數(shù)據(jù)幀，控制信息的剩余比特差錯(cuò)率總是小于比例因子、遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于子帶樣值的剩余比特差錯(cuò)率。

試驗(yàn)表明，長(zhǎng)時(shí)間剩余比特差錯(cuò)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(cuò)性能的真實(shí)情況。在用于主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的短時(shí)間內(nèi)，剩余比特差錯(cuò)率可能明顯大于在長(zhǎng)時(shí)間（若干分鐘以上）中的平均比特差錯(cuò)率。

對(duì)一項(xiàng)廣播業(yè)務(wù)來說，在討論質(zhì)量和定義差錯(cuò)保護(hù)要求時(shí)，首先應(yīng)依據(jù)于短時(shí)間剩余比特差錯(cuò)率。同時(shí)，也考慮主觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和覆蓋標(biāo)準(zhǔn)而選擇時(shí)間窗口的最佳大小。

在足夠大的信噪比時(shí)，無差錯(cuò)傳輸是可能的，在寬的C/N范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的高質(zhì)量聲音。在覆蓋區(qū)的邊緣，由于不均勻差錯(cuò)保護(hù)而形成一種軟退出性能。因?yàn)椋?dāng)信噪比降低時(shí)，首先在子帶樣值剩余比特差錯(cuò)率上升，上升至10-4時(shí)可感覺到。但是，即使差錯(cuò)率為10-2，干擾還是可以忍受的。最后，當(dāng)保護(hù)強(qiáng)的控制信息也出現(xiàn)差錯(cuò)，接收機(jī)便不能工作而退出廣播接收。

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，最大的問題是突然退出。在1～3dB之內(nèi)接收機(jī)就不能再對(duì)信號(hào)解碼而變?yōu)閱∫簟Ｍㄟ^對(duì)源編碼的差錯(cuò)保護(hù)就可以避免這種現(xiàn)象。因?yàn)椋紫仁侨又涤捎诘偷牟铄e(cuò)保護(hù)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(shù)據(jù)的幀頭，退出關(guān)系與現(xiàn)在的模擬廣播相似。

等差錯(cuò)保護(hù)（Equal Error Protection，EEP）也稱為均勻差錯(cuò)保護(hù)。這種差錯(cuò)保護(hù)實(shí)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(shí)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。