信道编码及OFDM技术

信道编码及OFDM技术

刘恒心

陕西中基项目管理有限公司，陕西西安 710075

【摘要】：信道编码技术在巩固OFDM下一代移动通信的核心技术的位置上处于重要的位置。本文简单介绍OFDM系统的一些基础知识，对于信道编码技术应用进行研究，主要以汉明码、卷积码、LDPC码作为研究重点。

【关键词】：信道编码；卷积码；汉明码；LDPC码；OFDM

1前言

现今无线通信产品的普及使得OFDM在移动通信信道中是迅速的发展。学者越来越多的专攻多载波调制技术，很多的实验将OFDM与交织技术、信道编码技术等技术相结合。

2信道编码的简单介绍

数字通信系统框图如图所示。为克服传输过程中各种各样的干扰，往往要人为加入一些冗余度，使其具有自动检错或检错能力，这种能力由纠（检）错编码器完成。在此模型中，信道包括发动机、传输媒质和接收机在内的，信道是编码信道，其输入和输出是二（多）进制数字序列。在接收端由纠（检）错解码器最大限度的恢复信源信息，并传递给信宿做后继处理。

信道编码是在控制序列中增加在发送端发送的信息序列中被称为监督码元的一些编码元素，从而在接收机中发现传输过程是错误的或正确的。由于实际信道中噪声和干扰，信道传输后发送码字和接收码字之间的差称为差错。信道编码的目的是提高通信系统的传输质量。如图所示，通过纠错差错控制的方法，提高了通信系统的可靠性。

本文侧重于卷积码、汉明码和LDPC码。卷积码通常适用于前向纠错，性能优于分组码，操作简单。卷积码中的编码的n个符号不仅与K信息的当前输入有关，而且与已经输入的一些信息有关。汉明码是一种线性分组码，可以纠正单个错误并充分利用监督比特。汉明码在发送的消息流中插入验证码以检测和纠正单个比特错误。

2.1 卷积码

就[n，k]线性分组码而言，不同的分组是独立编码的。它通常适用于前向纠错。它的性能比分组码好，操作简单。卷积码通常由[n，k，L]表示，其中n是输出码字，k是输入比特信息，L是约束长度，也称为存储深度。在对卷积码进行解码的过程中，不仅从当前接收到的码组中提取解码信息，而且从该时刻之前和之后接收到的码组中提取相关信息（整个接收码序列）。卷积码广泛用于通信系统中。

在分组码中，在任何给定的时间段内，编码与分组码不同。卷积码中的编码的n个符号不仅与当前分段中的k条信息相关，而且与前面（N-1）分段中的信息相关。这意味着在编码层中，码元素相互包含并相互制约。因此，这N次中的符号数nN通常被称为这种代码的约束长度。卷积码的纠错能力随着N的增加而增加。在编码器复杂度相同的情况下，卷段码的性能优于分组码，具有记忆能力。另一个区别是分组码具有严格的代数结构，但卷积码尚未找到如此严格的数学手段可以将纠错性能和代码结构非常有规律地联系在一起。目前，大多数实验室都是用电脑来寻找出色的码。

2.2 汉明码

汉明码是线性分组码，用来校正单个误差，具有非常简单的编码和译码电路，并且易于实现。因此，它是工程中常用的纠错码。

在计算机的操作中，数据在存储过程中可能出现错误。为及时检测和纠正错误，原始数据通常可以被配置为汉明码。作为第一个用于纠错的线性分组码，汉明码可以检测到两个错误，并纠正一个错误的纠错码。假设要检测的二进制码是n位，为了使其具有纠错能力，需要添加k位检测位来形成n+k位码。

汉明码也是一种多（双工）奇偶校验系统，它以逻辑形式对信息进行编码，以便检测和纠正错误。在汉明码中使用的所有传输码字由原始信息和额外奇偶校验位组成。这些奇数比特中的每一个被编码在发送码字的特定比特位置中。当正确地执行时，系统可以分离错误的数字，无论是在原始信息位还是在额外的监视位中，系统都可以做到。

2.3 LDPC码

使用LDPC长码可以实现Turbo码的性能，与Turbo码相比，LDPC码具有更高质的特性，具有简单描述、译码复杂度低、实用灵活等特点。

LDPC码是一个具有奇偶校验矩阵的线性分组码，它是一个稀疏矩阵，它通过生成矩阵G（即码字序列）将信息序列映射到传输序列。对于生成矩阵G，存在奇偶校验矩阵H，并且所有码字序列C形成H的零空间。

构造二进制LDPC码实际上是寻找一个稀疏矩阵H作为该码的校验矩阵。基本方法是用1替换全零矩阵的一小部分，以便被替换的矩阵具有行，每列具有所需数量的非零元素。如果要使构造出的码可用，则必须满足：无短环，无低码重码字，码间最小距离要尽可能大。

3  OFDM技术简介

OFDM技术是由频分复用技术发展而来的，是一种将多个基带信号叠加到不同频率载波上的复合信号复用技术。OFDM是一种与种子载波正交且部分混合的多载波调制技术。主要思想是将数据流转换成N通道中低速的子数据流，然后分别调制成N路的副载波。最后进行了并行传输。因此，具有宽带频率选择性的信道被划分为N个窄带平坦衰落信道，并且子带的带宽远小于无线信道的相干带宽，并且其抗多径衰落和抗脉冲干扰的能力增强。它非常适合于高速无线数据传输。OFDM和FDM的主要区别在于OFDM的子载波是正交重叠的。由于每个载波的峰值频谱对应于其它载波的过零点，OFDM技术是FDM频谱利用率的两倍以上，通过插入保护间隔可以有效地减少码间干扰。

3.1 OFDM基本原理

在发送端，首先对信源产生二进制比特流进行信道编码、交织和数字调制，然后依次经过串/并转换和离散傅里叶反变换运算。并行数据转换为串行数据，保护间隔用于形成OFDM符号并完成OFDM调制，然后发送终端。接收端进行OFDM解调，先移除相应的保护间隔，再经过串并变换、FFT、并串变换，完成OFDM解调，最后进行数字解调，经过信道译码后输出二进制数据比特流。

3.2 OFDM系统中的编码技术

通过信道编码的方式，利用宽带信道的频率分集，利用由高信噪比和高子信道传输的数据恢复低信噪比子信道传输的数据，可以提高系统的性能。但是由于深衰落的影响，一些子信道可能被完全淹没和整个系统的误码率。（BER）将变得非常高。所以需要选择适当的信道编码技术，对所有子信道的数据进行联合编码，从而得到极好的差错性能。

由于OFDM性能使得编码调制技术获得很好地结果，信道编码按照一定的规则向数据流中添加冗余数据，然后信道编码后的信号具有一定的抗干扰能力，最终传输出除去信道中各种干扰和影响的数据，而且编码技术可以恢复那些频率分量减弱部分的数据。所以信道编码的纠错能力跟编码的冗余度和复杂度有关。OFDM中常用的信道编码技术有汉明码、卷积码、LDPC码等，各信道编码技术都有其优势、劣势，根据实际的情况，选择不同码进行应用。

4结束语

为克服信道频率的选择性衰落，利用保护间隔，最大幅度地减小和消除码间串扰的影响，信道编码技术与OFDM需要进行合作使用。

信道编码技术和OFDM技术都是关键技术，在5G时代，二者结合的技术研究处于很重要的地位，其相关技术的研究同样有很重要的理论意义和实用价值。

参考文献

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