现代通信中的编码技术

2019-12-02庞一迪

电子技术与软件工程 2019年13期

文/庞一迪

1 导言

在信息时代，人们无时无刻不享受信息带来的便利，这不仅得益于人们对信息的需求迅猛增加，也得益于通信技术的多样化发展。而在通信中的一大难题就是编码，人们花费了大量精力专注在编码上，基于现代通信技术对编码的需求的多种多样，因此也衍生花样繁多的编码方法和编码设备。

2 通信编码概述

有效性和可靠性是衡量通信系统的两个重要的指标，是为了在通信过程中能使消息能尽可能快速并且意义完整的传达。广义的通信系统分为信源、编码器、信道、译码器、信宿和在信道中对信号传输有干扰的噪声，其中编码的作用是将从信源发出的消息转换成适合信道传输的信号。根据通信系统中编码的对象将其分为信源编码和信道编码。信息科学界的传奇人物香农（Shannon）也为这二者推倒出编码理论极限，对而后的编码工作具有重大意义。

其中信源编码是进行信源符号和码符号之间基于数学规律的转换过程。实际上信源发送的消息并不是都是有用的信息，不必要的冗余信息还需要在信源编码的时候减少或者消除，加之要考虑到转换后的码符号的传输效率，信息失真度要求及信宿对信息接受能力，信源编码要尽可能少地使用码字，以此为通信的有效性作保障。信源编码根据信源的性质又可以分为无失真和限失真的信源编码，二者都应用广泛。

在信道中，必然会有各种来源随机产生的噪声及突发物理因素对传输信号带来的干扰、不同信道的特性使得所传信息出错，因此信道编码是为传送的信息增添冗余得到具有一定规律性的信息，这种规律性在译码时有帮助于信息的检错和纠错，以此来保证信息传输的可靠性。且信道编码只与传输的信道有关，这优化了不同数据信息的传输，因此好的信道编码还大大降低了信道设备的成本。

网络编码不同于传统的通信网络中在中间节点存储转发，它采用在节点对多个数据包进行编码的方法使得单次传输的吞吐量增大。基于网络编码带宽利用率、吞吐量、节点能耗等性能优点，它在各网络上也得到广泛应用。

此外，由于现代通信的众多领域对信息安全的高要求，如何在通信环节将编码的理论要求和信息加密需求的融合也进一步促进编码技术的发展。

3 现代通信中的编码技术

不同的通信技术、设备的各部分都可能需要不同的编码方式，在通信业务日益增多的时代，编码也不仅仅是保证信息的传输，还对信息安全、设备成本、能源功耗等都有决定性的作用，相对于这些优点，好的编码的代价是值得的。

3.1 5G中的新型调制编码

在5G时代的低时延、高可靠等特性都离不开编码的创新和融合应用。RA码结合了LPDC码编码简单和Turbo码并行译码的特点，在5G通信中，多元RA码在体现了良好的数据传输速率、纠错等性能。LDLC码是一种适应AWGN信道容量的码型，因其高频带利用率、复杂度低的译码方式、不增添冗余的编码方式等优越性能使其在MIMO技术、OFDM技术和协作通信方面有着重要的研究价值。此外，与短CRC结合的Turbo码为5G多智能设备小数据包通信的高效、可靠提供了重要技术手段。

3.2 卫星通信中的编码技术

卫星通信填补了人们空间上的信息传输，其在移动通信、海洋通信、数字电视广播、航空通信等领域有着重要的角色。卫星通信信道复杂，易受噪声干扰，信号传输过程中衰减大，低错误平层的LDPC码、在低信噪比下性能良好的Turbo码、强随机错误纠正能力的BCH码等编码技术在卫星通信中有很大的应用价值。

3.3 数字视频的编码技术

基于视觉享受，我们对数字视频播放的分辨率等要求越来越高，甚至在视频直播、多维视频的播放上也有着更多的野心。对视频的编码技术可以说为对视频的压缩技术，属于信源编码。对于视频需求的不同场合，常采用多种编码技术相结合地方式。譬如，可伸缩编码技术在时间、空间、质量上可根据用户数据需求进行编码，节约资源的同时还可保证视频传输质量。