星間鏈路信道編碼技術(shù)研究

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摘要摘 要星間鏈路的通信信道由于傳輸距離遙遠加上存在來自各個方面的無線電干擾，使信號傳輸時延大，造成信號能量衰減嚴重。因此有必要在星間鏈路通信中采用信道編碼。Turbo 碼與 LDPC 碼以其各自逼近香農(nóng)限的優(yōu)越性能被引入到 CCSDS 標準并在衛(wèi)星通信領域被廣泛應用。本文首先研究了 Turbo 碼的編碼原理及譯碼算法，在此基礎上完成了 Turbo 碼編譯碼系統(tǒng)的設計并對影響 Turbo 碼性能的參數(shù)進行了分析和仿真。然后對 LDPC 碼的編譯碼進行了系統(tǒng)的分析和研究，并結(jié)合星間鏈路信道的特點，選用 QC-LDPC 碼字，設計了 LDPC 碼編譯碼方案并對仿真結(jié)果進行了分析。在此基礎上，本文還根據(jù) Log-BP 算法，結(jié)合 PSO 優(yōu)化算法給出了改進的 LDPC碼譯碼算法并對該算法進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明該算法性能與 Log-BP 算法相比在一定條件下可獲得 0.1dB 的額外編碼增益。最后，論文根據(jù)對 LDPC 碼的分析，運用 Verilog 語言在 Quartus II 環(huán)境下完成了LDPC 碼編譯碼器的 FPGA 設計，設計選用 QC-LDPC 碼字和最小和算法，譯碼部分采用部分并行結(jié)構(gòu)。論文對該設計進行了初步的編譯碼性能測試并對對譯碼器的碼速率及占用資源進行了詳細分析。綜合結(jié)果表明在資源消耗上比以往設計有了很大改進。關(guān)鍵詞：星間鏈路，Turbo 碼，LDPC 碼，譯碼算法，部分并行譯碼結(jié)構(gòu)AbstractiAbstractThe inter-satellite channel of ISL has large signal transmission time and serious signal attenuation because of long transmission distance and wireless interference from many aspects. Therefore it is necessary to using channel coding in inter-satellite channel. Turbo codes and LDPC codes have been introduced to CCSDS standard with their excellent performances of approaching to Shannon Limit and widely used in Satellite Communication.This thesis firstly researches the basic theory of Turbo codes and the method of Turbo codes encoding and decoding, and then analyses the factors which impact the performance of Turbo codes. The analyses are proved by the simulation results. Then this thesis offers a comprehensive study on the performance of LDPC codes. The author then presents a scheme of LDPC codes encoding and decoding with QC-LDPC codes combined with characteristics of ISL channel whereafter the simulation results are given and analysed.Ulteriorly, the author presents a new decoding algorithm based on Log-BP and PSO algorithm followed by simulation results, which shows that performance of proposed decoding algorithm is 0.1dB better than that of standard Log-BP decoding at certain conditions.Finally, this thesis finishes the design FPGA program for LDPC codes encoding and decoding based on Quartus II system with Verilog language. The hardware decoding algorithm is SPA algorithm and is designed by partly parallel structure. Based on it, the author tests the system's primary encoding and decoding performance and analyses the decoder's decoding rate and expended resources, which shows a great improvement on hardware resources consumption compared to previous architectures.Keywords: ISL, Turbo Codes, LDPC Codes, Decoding Algorithm, Partly Parallel Decoding Structure目錄ii目 錄第一章 緒論 ..........................................................11.1 課題背景與研究意義 .........................................................................................11.2 星間鏈路通信與信道模型 .................................................................................11.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................................................................41.3.1 Turbo 碼研究現(xiàn)狀 ....................................................................................41.3.2 LDPC 碼研究現(xiàn)狀 ....................................................................................61.4 本文主要研究工作和內(nèi)容安排 .........................................................................7第二章 星間鏈路 Turbo 碼技術(shù)研究 ......................................82.1 Turbo 碼的編碼原理 ..........................................................................................82.1.1 分量編碼器 ..............................................................................................82.1.2 交織器 ......................................................................................................92.1.3 刪余矩陣 ..................................................................................................92.2 Turbo 碼的譯碼算法 ........................................................................................102.2.1 基于后驗概率的軟輸出譯碼算法 ........................................................112.2.2 SOVA 算法 .............................................................................................132.2.3 譯碼算法比較 ........................................................................................152.3 星間鏈路 Turbo 碼的編譯碼方案和性能分析 ...............................................162.3.1 仿真系統(tǒng)設計 ........................................................................................162.3.2 仿真性能分析 ........................................................................................202.4 本章小結(jié) ...........................................................................................................23第三章 星間鏈路 LDPC 碼技術(shù)研究 ......................................243.1 LDPC 碼的編碼原理 .......................................................................................243.1.1 LDPC 碼的定義及二分圖表示 ..............................................................243.1.2 LDPC 碼校驗矩陣的構(gòu)造 ......................................................................263.1.3 LDPC 碼的編碼方法 ..............................................................................263.2 LDPC 碼的譯碼算法 .......................................................................................273.2.1 LDPC 碼的譯碼原理 ..............................................................................273.2.2 軟判決譯碼算法 ....................................................................................28目錄iii3.2.3 譯碼算法比較 ........................................................................................323.3 星間鏈路 LDPC 碼的編譯碼方案及性能分析 ..............................................323.3.1 仿真系統(tǒng)設計 ........................................................................................323.3.2 仿真性能分析 ........................................................................................353.4 LDPC 碼、 Turbo 碼性能比較分析 .................................................................383.5 本章小結(jié) ...........................................................................................................39第四章 改進后的 LDPC 碼譯碼算法及性能分析 ............................404.1 改進后的譯碼算法 ...........................................................................................404.1.1 優(yōu)化算法在信道編碼中的應用 ............................................................404.1.2 PSO 算法簡介 .........................................................................................404.1.3 改進后的 LDPC 碼譯碼算法 ................................................................434.2 仿真性能分析 ...................................................................................................464.2.1 加速常數(shù)對 LDPC 碼譯碼性能的影響 ................................................474.2.2 改進算法與 Log-BP 算法的譯碼性能比較 .........................................474.3 本章小結(jié) ...........................................................................................................49第五章 星間鏈路 LDPC 碼編譯碼器的硬件設計 ............................505.1 編碼器的硬件設計 ...........................................................................................505.1.1 編碼器的整體結(jié)構(gòu)圖 ............................................................................505.1.2 編碼器模塊設計 ....................................................................................515.2 譯碼器的硬件設計 ...........................................................................................535.2.1 譯碼器的整體結(jié)構(gòu)圖 ............................................................................555.2.2 譯碼器模塊設計 ....................................................................................565.2.3 譯碼器的 Verilog 仿真 ..........................................................................615.2.4 LDPC 譯碼器占用資源分析 ..................................................................625.2.5 LDPC 譯碼器碼速率 ..............................................................................645.3 本章小結(jié) ...........................................................................................................64總結(jié) 65參考文獻 67攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文 ...........................................71目錄iv致謝 72北京航空航天大學碩士論文0第一章 緒論1.1 課題背景與研究意義本論文課題來源于我國全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的某重大專項工程，計劃在導航星座的衛(wèi)星與衛(wèi)星之間建立若干條星間鏈路（ISL，Inter-Satellite Link） 。星間鏈路是指在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間直接進行無線電傳輸?shù)逆溌罚鳛榭臻g信息系統(tǒng)的重要組成部分，對于系統(tǒng)性能具有重要影響。其工作模式從大的方面劃分為兩種模式：通信模式和測距模式。其中星間鏈路的通信模式主要用于解決星間信息交換的問題。研究表明，星間鏈路信道具有以下特點：與無記憶的高斯信道（Additive White Gaussian Noise，AWGN）非常相似；頻帶帶寬很豐富；傳輸距離遙遠加上存在來自其它空間飛行器的無線電干擾、星座內(nèi)部的無線電干擾以及地面上行無線電的干擾等，使信號傳輸時延大，造成信號能量衰減嚴重。因而我們有必要在星間鏈路的通信模式收發(fā)裝置中分別加入信道編碼器和信道譯碼器以提高通信傳輸質(zhì)量。自 1948 年 Shannon 的信息理論提出以來，信道編碼就成為通信領域的重要研究課題。信道編碼是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康?，要使從信源發(fā)出的信息經(jīng)過信道傳輸后，盡可能準確地，不失真地再現(xiàn)在接收端。Turbo 碼與 LDPC（Low Density Parity Check Codes）碼作為被引入到 國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）標準的兩種編碼方式，有著逼近香農(nóng)限的優(yōu)越性能，是星間鏈路信道編碼技術(shù)的首選。其中 Turbo碼在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強的抗衰弱、抗干擾能力，性能優(yōu)于其他各種編碼方式。而 LDPC 碼的描述簡單，具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性（error floors） ，當碼長足夠長時具有比 Turbo 碼更為良好的性能，譯碼復雜度低于 Turbo 碼，且可實現(xiàn)完全的并行操作，硬件復雜度低，因而適合硬件實現(xiàn)；吞吐量大，極具高速譯碼潛力。1.2 星間鏈路通信與信道模型所謂星間通信鏈路是指衛(wèi)星之間的交叉鏈路，可以代替地面“雙跳”微波中繼站的工作，如圖 1 所示。采用這種鏈路結(jié)構(gòu)可以減少對地面中繼站的依賴性。目前星間鏈路技術(shù)在國際上已經(jīng)得到了較為廣泛的應用，主要用于跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、北京航空航天大學碩士論文1軍事通信系統(tǒng)、中低軌道通信衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)以及海洋和地面觀測衛(wèi)星系統(tǒng)等。地面站地面站 用戶星間鏈路星間鏈路上行鏈路下行鏈路圖 1 星間鏈路通信示意圖隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)的廣泛應用，特別是衛(wèi)星導航系統(tǒng)與現(xiàn)代高精度武器裝備的結(jié)合越來越緊密，人們開始關(guān)注衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自主生存能力。也就是說，當?shù)孛嬲颈淮輾Щ虺霈F(xiàn)故障時，衛(wèi)星導航系統(tǒng)需要具有自主運行功能，即由導航衛(wèi)星的星上設備，通過星間測距，結(jié)合衛(wèi)星軌道先驗信息，保障自主運行精密定軌和時間基準的維持等系統(tǒng)工作，并能正常提供通信、導航等服務 [1]。而星間鏈路結(jié)構(gòu)可以減少對地面中繼站的依賴性，不但減小了信號傳輸延遲，而且提高了整個系統(tǒng)的抗毀性和機動性?？偨Y(jié)國外衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗，增加星間鏈路，并且在星間鏈路的支持下實現(xiàn)系統(tǒng)的自主運行是一種發(fā)展趨勢 [2]。星間鏈路信道是該系統(tǒng)必不可少的組成部分，星間鏈路通信信道的主要特點是由鏈路長度決定的自由空間傳播衰減的周期性，同時也必須考慮由于衛(wèi)星之間的相對運動引起的多普勒效應（衛(wèi)星與衛(wèi)星之間存在相對運動時，接收端收到的發(fā)射載頻發(fā)生頻移）和信道中不可避免的噪聲、時延等。同時由于星間鏈路主要用于數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，實現(xiàn)大容量的空間信息連接，因此星間鏈路一般要求高碼速率傳輸 [3]。為了描述信道的特性，就必須對接收信號的振幅、相位及其相對時間的變化規(guī)律進行分析和研究，建立有效的數(shù)學模型。在衛(wèi)星通信中，影響接收端信噪比主要因素是：在自由空間傳播過程中受到的自由空間傳播損耗。根據(jù)電波在空間的傳播特性可考慮如下模型 [4]，見圖 2。該模型將信道分為 3 個模塊：多普勒頻移模塊、空間損耗（包括自由空間損耗，降雨、大氣損耗等）模塊、噪聲仿真（接收機輸入端的噪聲功率分別由系統(tǒng)內(nèi)部和外部天線噪聲源引入）模塊。北京航空航天大學碩士論文2信源多普勒頻移空間損耗高斯噪聲信宿信道模型圖 2 空間信道傳輸模塊圖在充分考慮星間鏈路信道中由于衛(wèi)星的相對運動造成的多普勒頻移、衛(wèi)星星座的周期性特點造成的周期性自由空間傳播衰減以及鏈路中存在的各種干擾、噪聲、時延等對衛(wèi)星通信信號的影響，進行星間鏈路信道仿真后可知，星間鏈路的衰減變化還是比較劇烈的，且抖動比較大、具有一定的周期性，這種衰減變化規(guī)律是由兩方面的因素決定的：一是星間鏈路的鏈路距離比較長，二是星間鏈路的鏈路長度變化較為劇烈且存在周期性。在星間鏈路中，由于沒有星地鏈路之間的陰影和多徑作用，因而信號的衰減主要由自由傳播衰減產(chǎn)生，故載噪比的變化明顯是隨著距離在變化。而誤碼率的變化情況與距離同樣有著密切的關(guān)系。載噪比和 只相差一個常數(shù)系數(shù)，即它們是線性的0/bEN關(guān)系，因此完全可以將載噪比當成 ；而當載噪比和誤碼率變化不大時，它們變化曲線的變化斜率不發(fā)生劇烈的波動，也就是在一段范圍內(nèi)可以將其看成是線性變化的 [5]。因而，載噪比對于距離的敏感導致了誤碼率的變化也與距離有著一定的關(guān)系，誤碼率基本隨著距離成正比變化 [6]。因此信道編碼在衛(wèi)星通信中的作用十分重要，衛(wèi)星通信通常數(shù)據(jù)的傳送距離很遠，為了對抗路徑損失，要求發(fā)送信號有盡可能大的能量。但由于航天器體積和負荷的限制，通常都是功率受限的，為此就要有高性能的信道編碼技術(shù)，即有很高的編碼增益，同時滿足誤碼率要求。因此用盡可能少的資源完成編譯碼器的設計與實現(xiàn)是星間鏈路通信標準實現(xiàn)的關(guān)鍵。Turbo 碼與 LDPC 碼作為被引入到 CCSDS 標準的兩種編碼方式，有著逼近香農(nóng)限的優(yōu)越性能，是星間鏈路信道編碼技術(shù)的首選。首先因為太空通信的傳輸時間通常很長，因此交織延時不是大問題。對于許多軌道靠近地球的通信衛(wèi)星，節(jié)省功率也很重要，因此 Turbo 碼適合這種應用。另一方面，近年來 LDPC 碼也越來越多的被應用到衛(wèi)星通信中。2004 年初歐洲廣播電視組織頒布了 DVB-S2 （the Second Generation 北京航空航天大學碩士論文3Digital Video Broadcasting Satellite）標準 [7]。采用的就是 BCH 碼（外碼）和低密度校驗碼 LDPC 碼（內(nèi)碼）相結(jié)合的信道編碼方案配合高階調(diào)制構(gòu)成的性能更好的傳輸方案 [8]。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 Turbo 碼研究現(xiàn)狀在 1993 年中的 ICC 國際會議上，兩位法國教授 C.Berrou、A.Glavieux 首次提出了一種新型信道編碼方案——Turbo 碼 [9]，又稱并行級聯(lián)卷積碼（PCCC） 。Turbo 碼由兩個遞歸循環(huán)卷積碼（RSC ）通過交織器以并行級聯(lián)的方式結(jié)合而成，它巧妙地將兩個簡單分量碼通過偽隨機交織器并行級聯(lián)來構(gòu)造具有偽隨機特性的長碼，并通過在兩個軟入/ 軟出譯碼器之間進行多次迭代實現(xiàn)了偽隨機譯碼 。這種方案采用反饋迭代譯碼方式，真正發(fā)掘了級聯(lián)碼的潛力，并以其類似于隨機的編譯碼方式，突破了最小距離的短碼設計思想，使它更加逼近了理想的隨機碼的性能。仿真結(jié)果表明，如果采用大小為 65535 的隨機交織器，并且進行 18 次選代，則在信噪比 Eb/N0≥0.7dB 時，碼率為1/2 的 Turbo 碼在 AWGN 信道上的誤比特率 BER≤ ，達到了近 Shannon 限的性能810?[10] [11]。Turbo 碼提出兩年之內(nèi)就被首次硬件芯片實現(xiàn)，并一直受到理論研究者和實驗科學家的重視。對于 Turbo 碼的研究最初集中于對于其譯碼算法、性能界和獨特編碼結(jié)構(gòu)的研究上，經(jīng)過十多年來的發(fā)展歷程，已經(jīng)取得了很大的成果，在各方面也都走向使用階段。目前，Turbo 碼的研究主要集中在以下幾個方面：（1） 編譯碼技術(shù)編碼方面主要包括對并行級聯(lián)編碼與串行級聯(lián)編碼的分析以及對混合級聯(lián)方式的研究。譯碼方面主要包括迭代譯碼、譯碼算法（最大后驗概率算法 MAP、修正的MAP 算法 Max-Log-MAP、軟輸出 Viterbi 算法 SOVA 等）的研究。如何尋找一種譯碼算法與 MAP 算法性能一致而又比較簡單的算法一直是人們研究的熱點。（2） Turbo 碼的設計和分析主要包括交織器的設計、碼的級聯(lián)方式、譯碼算法、Turbo 碼的性能分析等。在性能分析中，主要對碼重分布及距離譜進行分析，但由于沒有相應的理論支持，這種分北京航空航天大學碩士論文4析只能是近似的，且僅局限于短碼長、小碼重的情況。交織器的設計直接影響 Turbo 碼的距離譜和性能。交織器的主要作用是提高碼重和減小譯碼輸出之間的相關(guān)性。交織器的大小與結(jié)構(gòu)選擇也是 Turbo 碼設計的一個重要方面。A.S.Barbulesc。在文 [12]中介紹了一種使碼的糾錯能力在整個信息序列上均勻分布的奇偶交織器。當交織器較小時，分組交織器要優(yōu)于隨機交織器 [13]。J. Yuan 等 [14]考慮到距離譜與交織器結(jié)構(gòu)對 Turbo 碼性能的影響，提出了分量碼與交織器的聯(lián)合設計方法：首先在低信噪比下采用最佳距離譜作為設計準則，搜索好的分量碼，然后選擇一個與找到的最佳分量碼碼相匹配的 S-交織器以改進高信噪比時的性能。（3） Turbo 碼的應用由于 Turbo 碼具有接近 Shannon 理論極限的性能，尤其在低 SNR 下的優(yōu)異性能使Turbo 碼在許多通信系統(tǒng)中都有非常大的應用潛力。經(jīng)過近十年的發(fā)展，Turbo 碼已經(jīng)走向?qū)嶋H應用階段，除了在深空通信、衛(wèi)星通信以及 3G（多媒體通信）等領域的廣泛應用以外，Turbo 碼在無線移動通信系統(tǒng)中的應用是目前的研究熱點之一。目前，Turbo 碼己被美國空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)顧問委員會（CCSDS ）作為深空通信的標準，同時它也被確定為 3G 系統(tǒng)（IMT-2000）的標準之一，用于高速率、高質(zhì)量的通信業(yè)務，有關(guān)其關(guān)鍵技術(shù)的標準化也已經(jīng)出現(xiàn)。而迭代原理也被應用到許多通信技術(shù)中，如信道估計、信道均衡、編碼調(diào)制、聯(lián)合信源與信道編碼、ARQ、同步及多用戶檢測技術(shù)等。（4） Turbo 碼的硬件實現(xiàn)Turbo 碼的良好性能受到了科學界的廣泛重視，歐美國家投入了大量的人力、物力和財力對其進行研究，并取得了重大成就，Turbo 碼芯片國外己經(jīng)形成產(chǎn)品，并應用到軍事偵察衛(wèi)星信息的回傳等領域。美國 JPL ( Jet Propulsion Laboratory)實驗室設計的JPL 型芯片己經(jīng)應用在偵察衛(wèi)星中。美國的 AHA 公司設計的 AHA4501 型是最早用集成電路實現(xiàn)的 Turbo 碼產(chǎn)品，最高信道速率達到 36Mb/s，AHA4540 型最高信道速率達到 300Mb/s。國內(nèi)也有許多科研機構(gòu)和科研人員正在進行這方面的研究。雖然 Turbo 碼的研究己經(jīng)從簡單的仿真發(fā)展到應用于實際的通信系統(tǒng)，但 Turbo碼的理論解釋、關(guān)鍵技術(shù)改進以及在相關(guān)領域應用的具體化仍然是非常重要的課題。對于 Turbo 碼的研究，并不僅僅因為它是一種實用的、高性能的糾錯碼，更因為 Turbo北京航空航天大學碩士論文5碼的出現(xiàn)，是對傳統(tǒng)糾錯編碼設計思路的突破，它使 Shannon 信道編碼定理有了具體的意義，更開辟了用低維編碼來逼近高維編碼的新途徑。1.3.2 LDPC 碼研究現(xiàn)狀LDPC 碼 [15]是由 Gallager 在 1962 年提出的一類具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，然而在接下來的 30 年來由于計算能力的不足，它一直被人們忽視。1993 年，MacKay和 Neal 利用隨機構(gòu)造的 Tanner 圖 [16]研究了 LDPC 碼的性能，發(fā)現(xiàn)采用和積譯碼算法的正則 LDPC 碼具有和 Turbo 碼相似的譯碼性能，在長碼時甚至超過了 Turbo 碼 [17]，并且具有譯碼復雜度低、可并行譯碼以及譯碼錯誤的可檢測性等特點，這一結(jié)果引起了信道編碼界的極大關(guān)注。Mckay，Luby 提出的非正則 LDPC 碼將 LDPC 碼的概念推廣 [18] [19]。非正則LDPC 碼的性能不僅優(yōu)于正則 LDPC 碼，甚至還優(yōu)于 Turbo 碼的性能，是目前己知的最接近香農(nóng)限的碼。Richardson 和 Urbanke 也為 LDPC 碼的發(fā)展做出了巨大的貢獻 [20] [21]。首先，他們提出了一種新的編碼算法，在很大程度上減輕了隨機構(gòu)造的 LDPC 碼在編碼上的巨大運算量需求和存儲量需求。其次，他們發(fā)明了密度演進理論，能夠有效的分析出一大類 LDPC 譯碼算法的譯碼門限。仿真結(jié)果表明，這是一個緊致的譯碼門限。最后，密度演進理論還可以用于指導非正則 LDPC 碼的設計，以獲得盡可能優(yōu)秀的性能。Divsalar、McEliece 等人提出的重復累積碼 [22]是一種構(gòu)造非常簡單的 Turbo-like 碼，然而其性能卻比 Turbo 碼出現(xiàn)之前的任何碼都好，離 Shannon 限在 1.5dB 之內(nèi)。香港城市大學李坪博士所提出的 CT[23]（concatenated tree codes）就是一例。CT 碼可以看成是一種 LDPC 碼，其譯碼復雜度很低，但是性能卻和同樣碼長的 Turbo 碼相當。理論的發(fā)展也促進了應用的推廣，在 LDPC 碼理論研究取得豐碩成果時，LDPC碼的實用化也在進行之中 [24]。1998 年以來，LDPC 碼的硬件實現(xiàn)成為一個研究熱點。Loeliger 等學者認識到和積算法非常適合模擬 VLSI 實現(xiàn) [25] [26]。LDPC 碼的圖模型表示很自然地可以用于電路實現(xiàn)，而且和積算法的運算也非常適合用晶體管的非線性物理特性實現(xiàn)。用模擬 VLSI 實現(xiàn)和積算法比用數(shù)字 VLSI 在速度、功率方面都有很大改善，主要的瓶頸在于同通常數(shù)字電路的接口上。此外，在 LDPC 碼的實用化中，量化譯碼設計也是一個非常重要的問題。李坪、Xiao-Yu Hu 等學者都曾對 LDPC 碼的量化譯碼北京航空航天大學碩士論文6作過研究。LDPC 碼具有巨大的應用潛力，將在深空通信、光纖通信、衛(wèi)星數(shù)字視頻、數(shù)字水印、磁/光/全息存儲、移動和固定無線通信、 電纜調(diào)制/解調(diào)器和數(shù)字用戶線（DSL ）中得到廣泛應用。LDPC 碼已成為第四代通信系統(tǒng)（ 4G）強有力的競爭者，而基于LDPC 碼的編碼方案已被 DVB-S2 采納。除此之外，LDPC 碼還是 NASA JPL 實驗室推出的深空通信 CCSDS 標準中的信道編碼候選方案，也是正在擬定的 WMAN 標準802.11e 和 WLAN 標準 802.11n 中信道編碼的改進方案。目前對 LDPC 碼的研究主要分為兩個大的方面：一方面?zhèn)戎赜谠诶碚撋涎芯縇DPC 碼的性能，包括如何構(gòu)造好的 LDPC 碼、研究快速譯碼算法、分析 LDPC 碼的碼重分布、計算性能界和碼率界等；另一方面?zhèn)戎赜?LDPC 碼的實際應用，包括LDPC 碼在通信系統(tǒng)的應用和硬件實現(xiàn)。1.1 本文主要研究工作和內(nèi)容安排本文主要討論了目前適用于星間鏈路信道的兩種編碼方式——Turbo 碼和 LDPC 碼。分析了兩種碼的編譯碼算法及性能，提出了基于 LDPC 碼 Log-BP 譯碼算法的改進譯碼算法，并介紹了 LDPC 編譯碼的硬件設計方案。本文的內(nèi)容安排如下：第一章緒論，主要介紹了星間鏈路通信特點和信道模型，信道編碼的發(fā)展簡史及Turbo 碼、LDPC 碼的特點及發(fā)展現(xiàn)狀。第二章主要介紹 Turbo 碼的編譯碼算法及性能。對現(xiàn)有的 Turbo 碼編譯碼方式進行了詳細介紹并根據(jù) Matlab 仿真給出性能評估。第三章主要介紹 LDPC 碼的基本原理，編譯碼算法及性能。從描述方法、構(gòu)造方式及譯碼算法等方面詳細介紹了 LDPC 碼并在之后給出性能仿真圖并與 Turbo 碼的性能進行了比較分析。第四章主要介紹了基于 LDPC 碼 Log-BP 譯碼算法的改進譯碼算法。該譯碼算法是將 PSO 算法引入到 Log-BP 算法，通過性能仿真驗證證明該算法在原有算法基礎上對譯碼性能有一定提高。第五章主要討論了 LDPC 編譯碼器的硬件設計方案。詳細討論了各模塊的結(jié)構(gòu)以及并行譯碼器的結(jié)構(gòu)，并給出了相關(guān)的時序仿真圖。最后分析了譯碼器碼速率及資源北京航空航天大學碩士論文7占用情況。最后總結(jié)全文工作。北京航空航天大學碩士論文8第二章 星間鏈路 Turbo 碼技術(shù)研究Turbo 碼的最大特點在于它通過在編譯碼器中交織器的使用，有效的實現(xiàn)了隨機譯碼器的思想，通過短碼的有效結(jié)合實現(xiàn)長碼，并采用迭代譯碼方法達到了接近 Shannon理論極限的性能。本章首先介紹了 Turbo 碼的編碼原理，然后詳細介紹了 Turbo 的幾種譯碼算法并描述了實現(xiàn)過程。最后結(jié)合星間鏈路信道特點設計了 Turbo 碼編譯碼方案，在 Matlab 環(huán)境下進行了軟件仿真，最后針對不同參數(shù)對 Turbo 碼的影響分析了其性能。2.1 Turbo 碼的編碼原理最初提出的 Turbo 碼采用并行級聯(lián)卷積碼結(jié)構(gòu)（ PCCC） ，也是本文主要研究的編碼方式。如圖 3 所示，Turbo 碼編碼器主要由分量編碼器、交織器以及刪余矩陣和復接器組成。 交 織 器 分 量 編 碼 器 1分 量 編 碼 器 1刪余矩陣 復接圖 3 Turbo 碼編碼器基本結(jié)構(gòu)在 Turbo 碼編碼過程中，兩個分量碼的輸入信息序列是相同的，長度為 的信息N序列 再送入第一個分量編碼器進行編碼的同時作為系統(tǒng)輸出 直接送至復接器，{}ku {}skx同時 經(jīng)過交織器 后的交織序列 送入第二個分量編碼器。其中 ，I{}nu ()nI?， 。 為交織映射函數(shù)， 為交織長度，即信息序列長度。兩個分量0n≤ 1k?≤ ()?N編碼器輸入序列僅僅是碼元的輸入順序不同。兩個分量編碼器輸出的校驗序列分別為和 。為提高碼率和系統(tǒng)頻譜效率，可以將兩個校驗序列經(jīng)過刪余矩陣刪除后1{}pkx2pk（得到 ）再與系統(tǒng)輸出 一起經(jīng)過復接構(gòu)成碼字序列 。k{}skx{}kc北京航空航天大學碩士論文91.3.3 分量編碼器不同的分量碼對 Turbo 碼性能有一定的影響。分量碼一般選擇為遞歸系統(tǒng)卷積RSC 碼，當然也可以是分組碼（BC） 、非遞歸卷積（NRC）碼以及非系統(tǒng)卷積（NSC ）碼，但是目前的研究證明分量碼的最佳選擇是 RSC 碼，主要有以下原因：首先，RSC 碼具有系統(tǒng)碼的優(yōu)點。系統(tǒng)碼在從碼字恢復出信息序列時無需求逆，這一特性使用戶在譯碼時無需變換碼字而直接對接收的碼序列進行譯碼。其次，通過觀察遞歸卷積碼與非遞歸卷積碼的低重量信息序列所產(chǎn)生的碼字的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)二者有明顯的不同：低重量的輸入信息序列經(jīng)過非遞歸卷積編碼器之后，只能產(chǎn)生低重量的監(jiān)督碼元序列；而從低重量的信息序列經(jīng)過遞歸卷積編碼后，輸出的監(jiān)督碼元的重量分布在一個很寬的范圍之內(nèi)，這是由其反饋特性所造成的。第三，從相關(guān)文獻可知，在對比實驗中，非系統(tǒng)卷積碼的 BER 性能在高信噪比時比約束長度相同的非遞歸系統(tǒng)碼要好，而在低信噪比時情況卻正好相反。RSC 碼綜合了 NSC 碼和系統(tǒng)碼的特性，在高碼率（ ）的情況下，對任何信噪比，它的性2/3R≥能均比等效的 NSC 要好。1.3.4 交織器編碼器中交織器的使用是實現(xiàn) Turbo 碼近似隨機編碼的關(guān)鍵。交織器實際上是一個一一映射函數(shù)，作用是將輸入信息序列中的比特位置進行調(diào)換，以減少分量編碼器輸出校驗序列的相關(guān)性和提高碼重，使得迭代譯碼的性能盡可能逼近最大似然譯碼 [27]。它的逆過程就是解交織，是將重排過的序列恢復到原序列順序的過程。交織器通過交織尺寸（幀長) 和交織方案直接影響 Turbo 碼的性能。根據(jù)交織方案的不同，目前常用的交織器有隨機交織器、分組交織器、反向分組交織器、螺旋交織器、S-隨機交織器等，這些交織器的設計比較簡單且各有優(yōu)缺點。在低信噪比的情況下，交織長度對于 Turbo 碼糾錯性能的影響比較小，隨著交織器的增加，誤碼率略為好一點，但隨著信噪比的增加，特別是在大于 ldB 以上的情況下，隨著交織器長度的增加，性能明顯提高很多。所以，在對誤碼率要求比較高的情況下，如果信道信噪比條件不是很差，應該采用長的交織器，但采用長的交織器同時意味著數(shù)據(jù)處理延時的增加，同時譯碼復雜度也會明顯增加。北京航空航天大學碩士論文101.3.5 刪余矩陣刪余矩陣的作用是提高編碼碼率，其元素取自集合 。矩陣中每一行分別與兩{0,1}個分量編碼器相對應，其中“0”表示相應位置上的校驗比特被刪除，而“1”則表示保留相應位置的校驗比特。信道編碼中碼率與帶寬資源的利用之間是一對矛盾：對于數(shù)字通信領域日益緊張的頻譜資源，提高碼率就意味著提高頻譜利用率和降低通信費用，但是必然導致 Turbo碼性能的損失；降低碼率可以保證通信業(yè)務的質(zhì)量，但是又導致了頻譜的浪費。因而需要在碼率一定的情況下，選擇更好性能的碼字或者在提高碼率的情況下，盡可能減少性能的損失。刪余（Puncturing）是目前提高 Turbo 碼碼率的主要方法。設計好的刪余方案對于 Turbo 碼在提高碼率時盡可能減少性能的損失是至關(guān)重要的。對于數(shù)字通信領域日益緊張的帶寬資源，提高碼率就意味著節(jié)省帶寬和降低通信費用。刪余器通常比較簡單，因為在一般的應用中，碼率都是在 1/2 或者 1/3 ，因此即使有刪余器，它一般也只是周期性的從兩個分量編碼器中選擇校驗比特輸出即可。其具體做法是：從兩個 RSC 編碼生成的校驗序列中周期地刪除一些校驗位，然后再與未編碼的信息序列復用重組成最后的編碼輸出序列，調(diào)制后進入信道傳輸。2.2 Turbo 碼的譯碼算法Turbo 碼獲得優(yōu)異性能的根本原因之一是采用了迭代譯碼，通過分量譯碼器之間的軟信息交換來提高譯碼性能。對于像 Turbo 碼這樣的并行級聯(lián)碼，如果分量譯碼器的輸出為硬判決，則不可能實現(xiàn)分量譯碼器之間軟信息的交換。從信息論的角度來看，任何硬判決都會損失部分信息。因此，人們提出了 SISO 算法的概念，即分量譯碼器的輸入和輸出值均為軟信息。軟輸出譯碼實現(xiàn)了解調(diào)器和分量譯碼器之間的軟信息轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)性能可以得到很大的改進。Turbo 碼譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖 4 所示：北京航空航天大學碩士論文11分接/內(nèi)插S I S O譯 碼 器 1S I S O譯 碼 器 2交 織 器交 織 器解 交 織 器解 交 織 器硬 判 決Y sky1p2pk ()sIky()ekLu()aIke()IkLu()ak ()I()kLukd圖 4 Turbo 碼譯碼器基本結(jié)構(gòu)如圖 4，信息序列經(jīng)過編碼、調(diào)制后，成為發(fā)送序列 ，經(jīng)過 AWGN 信道，接收端接收信道信息，解調(diào)之后，進行迭代譯碼，譯碼器 1 計算接收信息比特的后驗信息，經(jīng)過交織后，作為先驗信息傳遞給譯碼器 2，譯碼器 2 計算接收信息比特的后驗信息，經(jīng)過解交織之后又傳遞給譯碼器 1 作為先驗信息參與計算。經(jīng)過多次迭代，譯碼器 2輸出的后驗信息將趨于穩(wěn)定，通過硬判決，輸出信息比特的判決值，完成迭代譯碼。Turbo 碼的譯碼算法可分為兩類，基于后驗概率的軟輸出譯碼算法（包括 MAP 算法 [28]及 MAP 算法的兩種簡化算法 Log-MAP 算法、 Max-Log-MAP 算法）及軟輸出Viterbi 算法（ SOVA 算法） 。綜合考慮譯碼性能和實現(xiàn)復雜度，本文將采用 Log-MAP算法及 SOVA 算法進行譯碼。1.3.6 基于后驗概率的軟輸出譯碼算法迭代譯碼的復雜性隨著信息序列長度的增長呈線性增長，而最優(yōu)的 MLD 算法的譯碼復雜性隨碼字長度的長呈指數(shù)型增長，因此迭代譯碼更容易實現(xiàn)。研究表示，與MLD 算法相比，迭代譯碼算法是一種次最優(yōu)算法，不過由于分量譯碼器之間存在反饋，可以通過迭代交換軟信息，所以，迭代譯碼能取得接近 Shannon 理論極限的性能。（1） MAP 譯碼算法MAP 算法是基于碼字格圖的軟輸出譯碼算法，目的是使誤比特率最小。譯碼器的輸出是接收采樣條件下的不同發(fā)送符號的后驗概率，即 ，然后將接收采樣判決(|)kpuY為概率值最大的信息符號，即： (2.1)arg(mx|)jkjuUpY??北京航空航天大學碩士論文12MAP 算法中，譯碼器輸出的是信息比特 的后驗信息 。用對數(shù)域中的似ku(|)kLuY然函數(shù)比表示為：(2.2)(1|)(|)lnkkpYLuYu???由貝葉斯法則 ，式（2.2）可以變形為：|()pabb?(2.3)1(|)ln)kkpuuY??如果定義 Turbo 碼中的分量 RSC 編碼器的狀態(tài)集合為 S，則有：(2.4)(',)1',(')(|)ln'kksukpsLuYY??????式（2.4）中，s’是編碼器的前時刻狀態(tài)，s 是當前時刻狀態(tài)，編碼器接收信息比特引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移（s’,s） ，設 ，利用貝葉斯公式，式（2.4）變形ku12{,,}kLyy?…為：(2.5)(',)1',1(',)',|(')(|')(|)ln''(')',)(l''kkkkikkiksui ikksuLYpysyspysss???? ??????????????在式（2.5）中定義了 3 個變量因子： ，1(')')kikpys?????和 ，分別稱為前向遞推概率，分支轉(zhuǎn)移概率和后(',)(|')kkspys???(|)kikspys???向遞推概率。其中前向遞推概率和后向遞推概率均可以用遞推表達式求得：(2.6)1''('',kkks?????(2.7)1())')ss???這樣通過遞推計算，就可以計算出每次狀態(tài)轉(zhuǎn)移時的前向遞推概率和后向遞推概率?？梢钥吹?，在每次狀態(tài)轉(zhuǎn)移的計算中，分支轉(zhuǎn)移概率是計算的前提，經(jīng)過推導，可以得到其計算表達式：(2.8)()/21231(',)exp()knuLck kllsCyx? ????式（2.8）中， 是常數(shù)， 是信道可靠性系數(shù)，對于 AWGN 信道，123c北京航空航天大學碩士論文13， 是傳輸時每比特能量， 是噪聲方差。這樣，就完成了對分支轉(zhuǎn)移24/cbLE??b 2?概率計算的推導。（2） Log-MAP 譯碼算法由上面 MAP 算法的推導過程可以看出， MAP 算法不僅含有大量的乘除運算，還包括很多冪運算和對數(shù)運算，這些算法不適合用 FPGA 來實現(xiàn)。Log-MAP 是 MAP 算法的一種轉(zhuǎn)化形式，實際上是把 MAP 算法中似然值運算全部用對數(shù)似然值表示，從而消除了原來的指數(shù)運算，原來的乘法運算就變成加法運算，而加法運算變成了：(2.9)211212log()max(,)log()ceef??????這里 是一個相關(guān)函數(shù)，可預先做成表，利用查表來完成運算。()cf?（3） Max-Log-MAP 譯碼算法在對數(shù)域算法中，將加法表示式中的對數(shù)分量忽略掉，采用近似式，使加法完全變成求最大值運算，進一步簡化了算法，但付1212log()max(,)e????出的代價是性能的下降。1.1.1 SOVA 算法SOVA 算法是在 Viterbi 算法 [29]的基礎上于 1989 年提出的，是 Viterbi 算法的一種改進類型。一方面，SOVA 算法能夠利用接收的先驗信息進行譯碼計算，并使其在分量譯碼器之間傳遞；另一方面，SOVA 算法能夠產(chǎn)生迭代譯碼所需要的每個比特的軟信息，這樣，就可以將 SOVA 算法應用于 Turbo 譯碼計算中。計算 SOVA 算法可以分為以下幾個步驟完成：（4） SOVA 籬笆圖累積路徑度量的計算圖 5 是 SOVA 算法的一個籬笆圖。北京航空航天大學碩士論文14+ 1+ 1+ 1+ 1+ 1- 1- 1- 1M = 1M = 2K - SK - vkS圖 5 SOVA 算法籬笆圖我們考慮籬笆圖上每一個節(jié)點有兩個分支，狀態(tài)數(shù)為 ，零編碼器寄存器個數(shù)。2v它以 為時延進行一比特判決， 足夠大，使得 個幸存路徑以足夠大的概率匯聚于??v一點。Viterber 算法通過計算路徑最小距離度量，選擇一條幸存路徑，同時，狀態(tài) 還kS對應著一條待先路徑。對于幸存路徑，將其度量標為 ，相應的，待先路徑的度量標1M為 ，每一狀態(tài)路徑 M 的累積路徑度量為： 2(2.10)????????(1,),,,1, ,2NmmksknckksxLyu??????式中，x，y 分別為 BPSK 調(diào)制后的編碼輸出的碼字序列和對應的接收序列，， 表示 k 時刻編碼器輸入的信息比特。????0/4/,ln1kcskpuyLEN???u時刻 k 到達狀態(tài) s 的兩條路徑的出現(xiàn)概率為：(2.11)(,)/2(,)vksMvkspce式（2.11）中，c 為常數(shù)。于是幸存路徑先錯的概率為：(2.12)12(,)(,)2(,)(,)1 /ksskseks Mpe?????式（2.12）中， 和 分別表示幸存路徑的累積度量和概率，而 和(,)ksM(,)ks 2(,)ksM分別表示幸存路徑的并行路徑的累積度量和概率。由此可得到時刻 k 狀態(tài) s 處路??2,ksp徑判決的對數(shù)似然比（軟判決值）為：(2.13)(,)12(,)(,)1/log0eksskksksL??????北京航空航天大學碩士論文15（5） 軟判決值的更新在每時刻 k,先前時刻的路徑判決值應根據(jù) Hagenauer 的規(guī)則進行更新：(2.14)??1211min,,ssjkjjjuLLjk????其中 s1 是時刻 k 狀態(tài) s 處的幸存路徑在時刻 j 上的狀態(tài)。（6） 尋找最大似然路徑和條件對數(shù)似然比的計算按照經(jīng)典的維特比算法在籬笆圖上找出最大似然路徑，存儲最大似然路徑上的硬判決序列