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  • GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码
  • 添加时间:2019/12/23 9:59:58  文章作者:GPRS电力抄表手机信号放大器  文章来源:GPRS电力抄表手机信号放大器

GPRS电力抄表手机信号放大器早在1839年,有一位名叫莫尔斯的美国人脑洞大开:他用导线连接远处的线圈,给导线通电,远处的线圈因电流通过而产生磁场(这样的线圈也被称为电磁铁),这时电磁铁的磁场会吸引铁片;断开电源,电磁铁的磁场就会消失,铁片就会被弹簧复位。开关不断地“通电、断电”,远处的铁片就会相应“动作”起来,就可以向远处发送信号。如图:

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

又经过差不多5年的努力,1844年5月24日,莫尔斯在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅,用手指“滴滴塔塔”地敲了一番,40英里以外的巴尔的摩城收到人类历史上的第一份长途电报:“上帝创造了何等奇迹!”

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

塞缪尔.莫尔斯(Samuel Finley Breese Morse,1791-1872),电报之父,同时也是一名享有盛誉的美国画家。

 

莫尔斯是如何做到的呢?他靠控制开关通电的时间的长、短来发送信号。他用通电时间长表示符号“-”,用通电时间短,表示符号“.”。他用“-”和“.”两种符号,给每一个英文字母、数字、标点符号都编码,例如:

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

莫尔斯先将报文“上帝创造了何等奇迹!”编码为由“-”和“.”组成的符号串,然后据此控制开关通电的时间长短,让巴尔的摩城那里与铁片连着的笔,记录下一串“-”和“.”组成的符号串,再将其译码成报文“上帝创造了何等奇迹!”,这种编码后来被称为莫尔斯码。民用无线电台当年大多数采用莫尔斯码。军用和间谍电台使用的密码,与莫尔斯码的原理也是类似的。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

一晃一百七十多年过去了,通信基本原理在这种编码方面仍然与莫尔斯编码差不多:

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GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

上面提到的编码后来有了一个更加专业的术语——信源编码。最原始的信源编码就是莫尔斯电码,后来有ASCII码和电报码。现代通信应用Huffman编码、算术编码、L-Z编码等等。对于视频图像信号,也发展出了一系列编码技术。这些编码只是比莫尔斯的编码更加高效而已。也就是说,同样的信息,用现代编码技术得到的“符号串”更短,不同符号串更加不容易混淆。细心的读者可能已经发现,信源编码追求码元“更少冗余”,这样才更加有效率。确实,信源编码是“以更少冗余码元提高传输效率”的“压缩”编码。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

1948年,信息论的创始人,美国科学家香农发现,增加“冗余码元”可以带来特别的好处。这给编码理论带来了一场革命。我们可以通过以下3个例子来理解香农的发现:

 

例1:

 

假如我们用“0”和“1”两个符号,让“0”代表晴天,“1”代表雨天。每个符号只有1个码元,相当于用2个码元代表2种天气,没有冗余。由于信号在传输过程中会受到噪声和干扰的污染,使得“0”错为“1”,或者“1”错为“0”,这样就会将晴天误判为雨天,或者将雨天误判为晴天。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

例2:

 

假如我们用“00”和“11”两个符号,让“00”代表晴天,“11”代表雨天。每个符号有两个码元,相当于用4个码元代表2种天气,比起上面的编码就冗余了。但是,这样做的好处是什么呢?假如还是一个“0”错为“1”,或者一个“1”错为“0”,这时就会收到“01”或者“10”这2种符号,但是,这2这符号都是“禁用”符号。因此,接收方就知道这一定是错误造成的,因此就不做判断,避免发生误判。只有两个码元同时发生错误,才会将“00”错为“11”,或者“11”错为“00”,因此发生误判。大家想想,一个码元发生错误的概率显然比两个码元同时发生错误的概率大得多。这里冗余1个码元,却得到了这样的好处:检出一个码元错误、避免一个码元错误造成误判。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

例3:

 

假如我们用“000”和“111”两个符号,让“000”代表晴天,“111”代表雨天。每个符号有三个码元,相当于用6个码元代表2种天气,更加冗余。我们在接收端规定一个少数服从多数的表决机制:如果收到“001”“010”“100”(这些符号都是其中的“0”多于“1”),都视同读到了“000”;如果收到“110”“101”“011” (这些符号都是其中的“1”多于“0”),都视同读到了“111”。这样,如果只发生一个码元错误,比如,“000”的第三个码元发生错误,收到“001”,这时按照表决机制,仍然认为收到的是“000”,这意味着纠正了一个码元发生的错误。这里冗余2个码元,却得到了纠正一个码元错误的好处。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

香农(Claude Elwood Shannon ,1916-2001)。美国数学家、信息论的创始人。

 

以此类推,假如冗余更多的码元,就可以检出或者纠正更多码元的错误。 信道编码是“以更多冗余码换取更少错误”的“扩充”编码,即传输信道污染了信号而造成的错误,可以通过增加冗余编码的方法检出或者纠正。

 

GPRS电力抄表手机信号放大器通信基本原理—编码

安德鲁·维特比(Andrew J. Viterbi,1935- ),CDMA之父,IEEE Fellow ,高通公司创始人之一,高通首席科学家。他开发了卷积码编码的最大似然算法而享誉全球。

 

上面的例子只能帮助我们理解信道编码,实际上是不会用这种笨办法的。尽管香农断言了冗余码的好处,但是,他本人也没有提出具体的编码方法。1949年美国贝尔实验室的R.Hamming提出的汉明码和美国麻省理工的P.Elias于1955年提出卷积码,以及美国高通公司创始人之一的维特比于1967年提出的Viterbi译码算法,这些都是信道编码发展的里程碑。1993年法国电机工程师C.Berrou和A.Glavieux发明了Turbo码,使信道编码效率接近了香农极限。因此Turbo码成为了3G/4G移动通信的编码技术。因为Turbo码已接近“最好的信道编码”,因此,任何号称比Turbo码更好的编码,其对性能的提升都不会太大了。比如5G采用的LDPC码和Polar码,前者是美国麻省理工教授Robert Gallager1962年提出的,已经被WiFi标准采纳;后者是土耳其比尔肯大学教授E. Arikan2007年提出的。5G并不可能靠这些编码技术获得相对于4G性能的大幅度提升!



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