第3章 信道编码

3.1 概述

3.1.1 信道编码的任务

对于广播信道来说，典型问题是由于散射和反射信号的多径成分干扰而产生衰落。坏的接收条件不仅可以在覆盖边界觉察到，而且在覆盖区内也可觉察到，它由于遮挡（高大建筑物后、隧道内），或由于干扰信号（其他电台、有缺陷的其他电气设备）或移动接收时由特别高的速度（极端的时间可变信道，多普勒效应）引起。在所有这些不可避免的不利接收条件下，可能出现比特差错，它会引起不同程度的信号质量变差甚至导致信号消失。信号传输的可靠性直接取决于实施的差错保护措施。要使差错限制在一定的允许范围内，数字基带信号在进行调制前，必须进行信道编码，又称差错控制编码。

经过按照MPEG进行数据压缩的信源编码，音频数字信号中剔除了冗余和不相关成分。这样的信号如果不再处理而直接进行传输，则它对传输信道中的干扰抵抗能力很弱。也就是说，在同样的误码率下，出现比特差错造成的质量损伤，要比没有进行数据压缩的信号大得多。

所谓信道编码，是按照一定的规则，在信源编码后的数据流中，人为加进冗余，即补充差错保护，使信源编码的信号尽可能无干扰地通过传输信道送到接收机，也就是说，通过信道编码，当出现传输差错时，在接收机中可以进行识别和修正。

显然，由于信道编码加进了差错保护，会使在信道上传输的总数据率变大，这就是为确保传输可靠性所付出的代价。

信道编码可以理解为信息传输的保护外壳，如图3-1-1所示。图中m代表经过数据率压缩的净数据率，n代表经信道编码后的总数据率，则R=m/n称为信道编码率（＜1）。编码率越低，表明保护程度越高，数据传输越可靠。由于n＞m，在选择调制方式时，就要注意使n不要超出传输信道允许的最大数据率。

在传输信道中，干扰是叠加到经数字调制的信号上，接收机解调时会产生或多或少的比特差错，使某一些位的数据由“1”变为“0”或由“0”变为“1”。

在接收机中通过信道解码，对在信道编码器中添加的冗余（以及可能的由传输差错所涉及的冗余）计值，可以发现有比特的差错并予以纠正，恢复出原信道编码器输入端的信息序列。

3.1.2 差错控制方式及差错分类

在数字通信中，差错控制方式有检错重发、前向纠错（简称FEC）和混合纠错。由于检错重发和混合纠错均需要反向传输信道，因此，在广播电视数字信号传输中，都使用前向纠错（FEC）方式，在这种前向纠错系统中，通过接收端解码，能够自动发现并纠正传输差错。

传输差错可分为随机差错和突发差错。

随机差错：这种差错是随机出现并独立存在的，在通常情况下是由加性白噪声引起的。

突发差错：这种差错是成串出现的差错，又称块差错，前后差错具有相关性。

3.1.3 差错控制编码分类及差错灵敏度

如果按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系是否满足一组线性方程式来分，差错控制编码可分为线性码和非线性码。

如果按照信息码元和监督码元之间的约束方式来分，差错控制编码可分为分组码和卷积码。在分组码中，经信道编码后的码元序列将每n位组成一组，其中k位信息码元，r=n-k位是附加的监督码元。监督码元仅与本组信息码元有关。在卷积码中，虽然编码序列也划分为码组，但卷积码的n0个码元不仅与本组的k0个信息有关，而且与前m（m≥1）组的信息码元有关。在数字广播电视传输系统中，如DAB、DVB-T和DRM，信道编码都使用了卷积码。

MPEG音频数据帧包含有不同的成分的信息，当传输出现差错时，各个部分表现出不同的敏感性和主观干扰影响，敏感性分为0～5个等级，称为灵敏度。最重要的信息，如帧头信息，如果出现差错，带来的影响是灾难性的。子带样值，尤其是最低有效位，如果出现差错，可能完全感觉不到。

3.1.4 等差错保护与不等差错保护

根据信息差错灵敏度的不同，实施不同程度的保护，称为不等差错保护（Unequal Error Protection-UEP）或不均匀差错保护。这种差错保护实际上是对不同灵敏度的信息赋予不同的信道编码率。另一方面，同一种信息在不同的应用环境下，如DAB信号在电缆网中传输与应用于高速移动接收的无线传输，传输条件很不相同，这时，即使相同的信息也实施不同的保护。

地面传播时，出现广播业务覆盖的边缘是不可避免的。因此，在覆盖区边缘移动接收每种业务时，会从一个无差错传输经过较少剩余比特差错，过渡到完全干扰。这种退出性能归功于不均匀差错保护（UEP）和鉴于主观和客观质量特性而最佳灵活运用不同的差错保护度。同时，在UEP情况下，单独业务和应用不同差错保护度的多种业务彼此达到最佳。

在不同的差错保护等级时，一个被干扰的传输信道会产生不同的剩余比特差错率。例如，在音频数据帧，控制信息的剩余比特差错率总是小于比例因子、远远小于子带样值的剩余比特差错率。

试验表明，长时间剩余比特差错率，不代表在多径接收的广播信道中主观感觉的剩余比特差错性能的真实情况。在用于主观质量评价的短时间内，剩余比特差错率可能明显大于在长时间（若干分钟以上）中的平均比特差错率。

对一项广播业务来说，在讨论质量和定义差错保护要求时，首先应依据于短时间剩余比特差错率。同时，也考虑主观质量标准和覆盖标准而选择时间窗口的最佳大小。

在足够大的信噪比时，无差错传输是可能的，在宽的C/N范围内达到稳定的高质量声音。在覆盖区的边缘，由于不均匀差错保护而形成一种软退出性能。因为，当信噪比降低时，首先在子带样值剩余比特差错率上升，上升至10-4时可感觉到。但是，即使差错率为10-2，干扰还是可以忍受的。最后，当保护强的控制信息也出现差错，接收机便不能工作而退出广播接收。

在数字传输系统中，最大的问题是突然退出。在1～3dB之内接收机就不能再对信号解码而变为哑音。通过对源编码的差错保护就可以避免这种现象。因为，首先是取样值由于低的差错保护而受到伤害，然后是比例因子，最后是在更坏的接收状况下带有同步数据的帧头，退出关系与现在的模拟广播相似。

等差错保护（Equal Error Protection，EEP）也称为均匀差错保护。这种差错保护实际上是指同一种信息，不论最高有效位还是最低有效位，信道编码时都使用相同的编码率，或者所有的信息都使用相同的编码率。