1.2 通信网中的信息处理技术

在通信网中，通信的业务具有多样化的特点，需要传输的信息也有多种多样的表现形式，这些都需要通过信息处理技术来实现，进而提高通信网的有效性和可靠性。现代通信网的一个重要特点是越来越依赖于信号与信息处理技术。

1.2.1 信息处理技术

1. 信源编码

为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，需对信源输出的符号序列施行变换。这些变换的目的是在保证一定通信质量和工程实现复杂度可接受的前提下，尽可能降低传送码率，以提高通信的有效率。

信源编码的基本目的是降低传送码率，提高码字序列中码元的平均信息量，那么，一切旨在减少剩余度而对信源输出符号序列所施行的变换或处理，都可以在这种意义下归入信源编码的范畴，例如过滤、预测、域变换和数据压缩等。当然，这些都是广义的信源编码。

一般来说，减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号平均信息量的基本途径有两个：①使序列中的各个符号尽可能地互相独立；②使序列中各个符号的出现概率尽可能地相等。前者称为解除相关性，后者称为概率均匀化。

信源编码通常按信号性质或按信号处理域的不同来分类。按信号性质分类，有语言信号编码、图像信号编码等。按信号处理域分类，有波形编码（或时域编码）和参量编码（或变换域编码）。常见的脉码调制（PCM）和增量调制（△M）等属于波形编码，各种类型的声码器属于参量编码。

在电话信号编码中，可采用基音预测技术进一步压缩比特率；在图像编码中利用相邻帧的相关性进行预测，称为帧间预测技术。这些都是较为有效的预测方法。在高质量信号（如广播节目、录音信号）的传输、录音和转录中，为获得高保真度已采用高比特率编码信号。这比用其他方法简便有效。

信源编码技术随着数字化技术的推广应用已普遍用于通信、测量、计算机应用和自动化系统中。各种比特率的单片集成电路和混合集成电路已得到广泛采用。

2. 信道编码

数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码。通过信道编码，对数据流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。

提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性。但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在源数据码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的，这就是我们常常说的开销。在带宽固定的信道中，总的传送码率也是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了。将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了，不同的编码方式，其编码效率有所不同。

传统的分组码、卷积码等均已相当成熟并得到广泛应用。克劳德·伯劳Claude Berrou等提出的Turbo码，因其性能在满足一定的条件下可逼近仙农的理论极限而受到广泛的重视，已公认为是信道编码的重大突破。

Turbo码的特点是短数据序列分别直接或经交织器输入相应的分量卷积（或分组）编码器，其输出经适当删除和复用后形成并行级联的系统卷积（或分组）码。在接收端通过多级迭代译码，利用每一级译码的输出信息中反映该级硬判决可靠性的估值作为下一级译码的边信息，因此具有相当于长码的纠错性能。Turbo码已被采纳为欧洲数字广播和3G cdma2000辅助业务信道的纠错码标准。Turbo码与调制、ARQ、多用检测、分集接收等技术的结合，以及Turbo码的工程实现，是当前信道编码发展的热点。

Turbo码的缺点是译码复杂度较高，因而近年来正在开展低密度奇偶校验码（LDPCC）的研究，其性能与Turbo码相当，但复杂度较低。在信道编码理论方面还将继续开展对代数几何码、阵列编码以及软判决理论和应用的研究。

1.2.2 差错控制技术

差错控制是指当信道的差错率达到一定程度的时候，必须采取用以减少差错的措施及方法。通信过程中的差错大致可分为两类：一类是由热噪声引起的随机性错误；另一类是由冲突噪声引起的突发性错误。突发性错误影响局部，而随机性错误影响全局。

通常应付传输差错采取办法如下。

（1）肯定应答。接收器对收到的帧校验无误后送回肯定应答信号ACK，发送器收到肯定应答信号后可继续发送后续帧。

（2）否定应答重发。接收器收到一个帧后经校验发现错误，则送回一个否定应答信号NAK。发送器必须重新发送出错帧。

（3）超时重发。发送器发送一个帧时就开始计时。在一定时间间隔内没有收到关于该帧的应答信号，则认为该帧丢失并重新发送。

结合上述方法差错控制可分为三种方式：差错重发（自动请求重发ARQ）、前向纠错（FEC）以及使用FEC和ARQ的混合纠错方式。

（1）差错重发。差错重发又称为自动请求重发（ARQ），它是指发送端信源送出信息序列，一方面经编码器编码由发送机送入信道，另一方面把它存入存储器以备重传。接收端经译码器对接收到的数据进行译码，判断是否有错。如无错，则给出无错信号，经反馈信道送至发送端，同时通知信宿接收译码后的信息序列。如有错，则给出有错信号，经反馈控制器通知信宿拒收信息，并通过反馈信道送至发送端；发送端的信号检测器检测后，控制信源暂时停发新信息，并打开存储器将传输中出错的信息重发一遍；接收端收到重发信息序列后，若判定无错则通知信宿接收此数据，并经反馈信道通知发送端，可以发下一信道序列。发送一信息序列会重复上述过程，直到接收端内译码判定无错为止，如图1-3所示。差错重发的特点是需要反馈信道，译码设备简单，在突发错误和信道干扰较严重时有效；但实时性差，这种方式主要应用在计算机数据通信中。

（2）前向纠错。前向纠错（FEC）又称为自动纠错，它是指在检测端检测到所接收的信息出现误码的情况下，可按一定的算法自动确定发生误码的位置，并自动予以纠正，如图1-4所示。其特点是单向传输，实时性好，但译码设备复杂而且所送纠错码必须与信道干扰情况紧密对应。如果为了纠正较多的错误，需要附加更多的冗余码，导致传输效率的降低。

（3）混合纠错，混合纠错HEC方式，是FEC和ARQ方式的结合。在此种方式中，当接收端检测到所接收的信息存在差错时，只对其中少量的错误自动进行纠正，而超过纠正能力的差错仍通过反向信道发回信息，要求重发此信息。这种方式具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率，因此近年来得到广泛应用，但它需要双向信道以及较复杂的译码设备和控制系统。

差错控制技术中的编码又可分为检错码和纠错码。

检错码只能检查出传输中出现的差错，发送端只有重传数据才能纠正差错；而纠错码不仅能检查出差错也能自动纠正差错，避免了重传。

检错码有：奇偶校验码、循环码。

纠错码有：线性分组码、循环码、BCH码、卷积码、比特交织奇偶效验（BIP）码以及Turbo码等。

编码的检错和纠错能力由汉明距离（码的最小距离dmin）决定。通常存在下列几种情况：

（1）若要求检测e个错码，则dmin应满足dmin≥e+1；

（2）若要求能够纠正t个错码，则dmin应满足dmin≥t+1；

（3）若要求能够纠正t个错码，同时检测e个错码，则dmin应满足dmin≥e+t+1。