无线通信基础知识13：数字通信之信道编码

信道编码：

信道编码是按发送和接收双方都知道的规则给信息加冗余比特，使得编码后的信息比特留前后数字序列具有相关性、规律性。这样即使在传送过程中丢了一部分数据，在接收端，信道解码器利用数字序列之间的相关性、规律性就会发现存在的错误，然后纠正错误，把丢失的信息找回来。

香农定理：

香农定理给出了信道信息传递速率的上限（bit/second）和信道信噪比及带宽的关系。香农定理可以解释现代各种无线制式由于带宽不同，所支持的单载波最大吞吐量的不同。

C是信道支持的最大速度或者叫信道容量，B是信道的带宽，S是平均信号功率，N是平均噪声功率，S/N即信噪比。

理解香农定理需要注意以下几点：

（1）信道容量由带宽及信噪比决定，增大带宽、提高信噪比可以增大信道容量；

（2）在要求的信道容量一定的情况下，提高信噪比可以降低带宽的需求，增加带宽可以降低信噪比的需求；

（3）香农公式给出了信道容量的极限，也就是说，实际无线制式中单信道容量不可以超过该极限。在卷积编码条件下，实际信道容量离香农极限还差3dB；在Turbo编码的条件下，接近了香农极限。

（4）LTE中多天线技术没有突破香农公式，而是相当于多个单信道的组合。

编码效率：

编码效率就是信息比特和信道编码冗余后数据比特总数的比，即有用比特和需要传送的总比特的比，衡量了信息传送的效率，也可以反映信道编码的冗余度。编码效率低，冗余度就高，抗干扰的能力就强，但传输效率低，传输成本就上升；而编码效率高，冗余度低，抗干扰能力就弱，但传输效率高，传输成本低。

常见的编码效率有1/2，1/3等，编码效率的选择和无线环境的质量有很大的关系。如果无线环境好，不用冗余就能可靠传送数据，那么编码效率可以是1；如果无线环境不好，就需要较大程度的冗余，编码效率自然就很低。

卷积编码：

Turbo编码：

编码增益：

假定单位时间内要传输的信息比特量恒定，增加的冗余码元可以增加信道的抗干扰性能，但带宽的需求增加，在同样的误码率要求下，带宽增加可以换取数据比特信噪比的减小。编码与非编码传输相比减少的信噪比称为编码增益。在相同的调制方式下，不同的编码方案得到的编码增益是不同的。

交织：

无线通信中，一个持续时间较长的深衰落会导致一连串数据比特的出错，接收端接收后无法正确恢复原来的信息，收到的这些数据就没有用了。为了避免连续的干扰，按照一定规则把数据打散，接收端再恢复原来的数据。这样，即使丢失一些数据，也可以按照规则把数据恢复出来。交织的作用是把连续的干扰离散化，从而避免大量连续的有用数据出现错误。

交织程度深了，可靠性增加，避免快衰落的能力增加，但在接收端必须等足够的时间把参与交织的数据块接收下来，然后再恢复原来的顺序，所以增加了系统的时延；交织程度浅了，时延减少，可抗快衰落的能力就降低了。

扩频：

扰码

扰码用于对扩频后的数据符号进行加扰，不改变信号的宽度，不影响码片速率，只是把来自不同小区的信号区别开。在下行链路上，扰码用于区分不同的小区；在上行链路上，扰码用于区分来自不同小区的用户。扰码序列的产生不但要求码间的互相关特性好，而且要求码的自相关特性也好。

其原因是，由于无线传播的多径效应，同一个信号通过不同路径到达同一点，到达时间不一样，但又在一个码片的时间之内，系统不能把这些信号当作独立的可区别信号，而是互相干扰的信号，这就是多径干扰。

生成互相关性比较好的码序列较为容易，但要生成自相关性较好的码序列就必须符合贝努利随机序列的要求，即1和0出现的概率各一半，1和0出现的连续概率分别是连续1个为1/2，连续2个为1/4，连续3个为1/8，但是贝努利虽然证明了满足这样一个要求的序列自相关特性最理想，但是他并没有找到这样一个序列。

现在常用的Gold序列并不是一个自相关性最理想的扰码序列，它有一定的时间干扰，但它是目前最为广泛的扰码序列。

多址干扰

在实际的CDMA移动通信系统中，使用相互正交的扩频码来区分不同的信号。经过无线信道衰落后，不同用户的无线信号之间很难保证完全正交，存在一定的相关性。随着用户的增加，这种干扰受限的特征越来越突出。这种扩频加扰后无线信号的互相关性大对系统的影响称为多址干扰，又称码字干扰。多址干扰或者码字干扰可以指扩频码正交性差带来的干扰，也可以是扰码互相关性大带来的干扰，当然还可以指扩频码和扰码结合的复合码的互相关性大带来的干扰。