無人機數(shù)據(jù)鏈中Turbo碼研究與FPGA實現(xiàn)

祁棟升,陳自力,白勇博,楊 勇

(軍械工程學院,河北石家莊050003)

0 引言

無人機數(shù)據(jù)鏈是無人機飛行系統(tǒng)和地面控制站聯(lián)系的樞紐,負責上行遙控指令、下行遙測數(shù)據(jù)和偵察任務信息的傳輸。因此,高質(zhì)量的無人機數(shù)據(jù)鏈通信是保證無人機高效完成作戰(zhàn)任務的前提,也是當前重要的研究課題。而在現(xiàn)代電磁戰(zhàn)環(huán)境下,無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)面臨的是復雜的電磁環(huán)境以及有針對性的電磁干擾。因此,抗干擾技術(shù)是確保無人機通信鏈路迅速、準確、保密和暢通的關(guān)鍵技術(shù)。

Turbo碼自1993年提出以來,因其接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能,一直成為編碼界研究的熱點。Turbo碼雖然具有優(yōu)異的性能,但是由于其譯碼復雜度高、譯碼延時大等問題,嚴重制約了Turbo碼在高速通信系統(tǒng)中的應用。近年來,可編程邏輯器件得到了很大發(fā)展,FPGA以其密度高、速度快、編程靈活和成本低廉等優(yōu)點在越來越多的領域中得到了廣泛應用。文中在進一步研究Turbo碼特性的基礎上,實現(xiàn)了Turbo碼編譯碼器的FPGA設計,這種實現(xiàn)方式在集成度、高速率、可靠性和靈活性等方面均能較好地滿足無人機數(shù)據(jù)鏈的通信要求。

1 無人機信道模型

信道分析是基于統(tǒng)計模型基礎上的,描述了無人機通信信道的傳播特性。與陸地移動通信不同,無人機地面站都使用定向高增益的測控天線。因此,無人機通信系統(tǒng)中必然存在較強的直射信號分量和一定的高斯白噪聲,同時存在地面反射波及由不同傳播路徑引起的多徑分量。另外,由于無人機存在一定的飛行速度,還要考慮其造成的多普勒效應,因此無人機信道類似于Rician信道。實際研究中,為了研究問題的方便,可以把無人機信道簡化Rician衰落信道模型。

2 Turbo碼概述

Turbo碼又稱并行級聯(lián)卷積碼(Parallel Concatenated Convolutional Code,PCCC),它將卷積碼和隨機交織器結(jié)合在一起,在實現(xiàn)隨機編碼思想的同時,通過交織器實現(xiàn)了由短碼構(gòu)造長碼的方法,并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼?？梢?Turbo碼充分利用了Shannon信道編碼定理的基本條件,因此得到了接近Shannon極限的性能。研究結(jié)果表明,在采用長度為65536的隨機交織器并譯碼迭代18次情況下,在信噪比Eb/No≥0.7 dB并采用BPSK調(diào)制時,碼率為1/2的Turbo碼在AWGN信道上的 BER≤10-5,達到了與Shannon極限僅差0.7 dB的優(yōu)異性能。

Turbo碼是一種性能十分優(yōu)越的信道編碼技術(shù),為糾錯碼研究帶來了新的突破。Turbo碼與其他編碼相比最大的優(yōu)點在于它能夠在較低信噪比條件下得到較高的編碼增益,這說明Turbo碼可以在環(huán)境比較惡劣的情況下依然能保持較低的誤碼率。因此,Turbo碼已成為以大容量、高數(shù)據(jù)率和承載多媒體業(yè)務為目的的信道編碼方案之一,用于高速率和高質(zhì)量的無線移動通信業(yè)務,而這正是無人機數(shù)據(jù)鏈通信所需要的,所以研究Turbo碼技術(shù)對于實現(xiàn)無人機高速、可靠通信具有重要意義。

3 Turbo碼性能研究

為了設計出滿足無人機數(shù)據(jù)鏈特性的譯碼器,比較有效的研究方法是用計算機進行仿真。仿真在Matlab環(huán)境下進行,仿真時以程序產(chǎn)生的隨機碼作為信源,經(jīng)過Turbo碼編碼和BPSK調(diào)制后,加入模擬的Rician衰落信道,之后進行解調(diào)和譯碼,最后把譯碼結(jié)果和原始信源對比,統(tǒng)計誤碼數(shù)和誤碼率,得出性能結(jié)果。接下來分別討論交織類型、譯碼算法和迭代次數(shù)對Turbo碼性能的影響。

3.1 交織類型對Turbo碼性能影響

在Turbo碼的生成中,交織器扮演著重要的角色。交織器雖然僅僅是將信息序列中的N個比特的位置進行隨機置換,但它卻起著關(guān)鍵作用,在很大程度上影響著Turbo碼的性能。其實質(zhì)就是一個使得輸出與輸入之間存在對應關(guān)系的函數(shù),將信息序列中各元素的位置進行重置,從而得到交織序列。在其他條件相同的情況下,不同交織類型對其性能的影響如圖1所示。

圖1 交織類型對 Turbo碼性能影響

由仿真結(jié)果可知,隨著SNR的增大,幾種交織器的性能有了顯著差別。當幀長一定時,分組交織器的性能略差一些,而偽隨機交織器的性能相對較好。

3.2 不同譯碼算法對Turbo碼性能影響

Turbo碼有多種譯碼算法,選擇Turbo碼的生成多項式為 G(D)=[37,21],碼率為1/2,幀長度為1 024比特,迭代次數(shù)為5,交織器采用偽隨機交織方式,進行仿真比較各種譯碼算法的差異,Turbo碼在不同譯碼算法下的性能仿真曲線如圖2所示。

圖2 譯碼算法對 Turbo碼性能影響

由圖2可以看到,MAP算法的譯碼性能最好,SOVA的譯碼性能最差,Log-MAP算法的性能與MAP算法差別不大。根據(jù)無人機數(shù)據(jù)鏈高速通信的要求,該設計在解碼過程中采用改進后的Log-MAP算法來減小運算量,提高設計的可行性。

3.3 不同迭代次數(shù)對Turbo碼性能影響

迭代譯碼結(jié)構(gòu)是Turbo碼的一個主要特點,通過迭代,使軟信息在分量譯碼器之間傳遞,提高Turbo碼的譯碼性能。該實驗通過設置不同的迭代次數(shù),觀察實驗結(jié)果。Turbo碼生成多項式選用[37,21],碼率選為1/2,采用Log-MAP譯碼算法,幀長采用1 024進行性能研究,得仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可知迭代次數(shù)增大,譯碼性能會得以提升,但譯碼時延會隨迭代次數(shù)的增加而線性增大,同時迭代次數(shù)增大到一定程度后,譯碼性能會趨于飽和,所以不能無限制地增加迭代次數(shù)。

圖3 迭代次數(shù)對Turbo碼性能影響

4 Turbo譯碼器的FPGA實現(xiàn)

4.1 譯碼算法的選擇

利用FPGA的并行計算能力可以很好地解決Turbo碼譯碼復雜和譯碼時延的矛盾。Turbo碼譯碼算法中,MAP算法的性能是最好的,但是一般的MAP算法對于硬件的實現(xiàn)來說復雜性非常高,計算的中間存儲量大、時延大、成本高,不太可能在實際系統(tǒng)中設計和應用,因此選擇一種適于硬件實現(xiàn)的改進的MAP算法是非常必要的。通過上述的分析和仿真,再結(jié)合硬件實現(xiàn)的簡便性和譯碼性能后,這里選用RSC子碼為(37,21)碼,碼率為1/2,選用偽隨機交織器、LOGMAP 算法,迭代次數(shù)選擇為7次來實現(xiàn)譯碼器。

4.2 譯碼器的實現(xiàn)及測試

根據(jù)上述介紹的迭代譯碼原理,在FPGA中實現(xiàn)Turbo碼的迭代譯碼。在ISE環(huán)境下,采用Verilog語言完成各功能模塊的描述,在譯碼器設計的頂層實體中,用元件例化的方法,例化各模塊實體,并進行元件的端口映射,完成一個完整的譯碼器設計。然后再在ISE環(huán)境下完成系統(tǒng)的綜合、仿真,并進行分析驗證。設輸入譯碼器的碼元序列code=(11 11 01 11 00),則理論分析輸出碼字應為codeut=(11010)。由圖4知,該設計實現(xiàn)了Turbo碼的正確譯碼,而且具有較高的譯碼速率,這表明設計的迭代譯碼器達到了設計目標。

圖4 Turbo碼譯碼器仿真波形

5 結(jié)束語

依據(jù)無人機信道特點,以無人機數(shù)據(jù)鏈中的Turbo碼為研究對象,對其性能進行了研究分析。運用開發(fā)工具Xilinx ISE10.1結(jié)合設計語言并采用模塊化結(jié)構(gòu)對Turbo碼譯碼器硬件實現(xiàn)進行了FPGA設計分析,根據(jù)系統(tǒng)特點運用仿真工具進行了仿真,達到了預期實驗效果。通過驗證該方案能夠提高無人機通信質(zhì)量和無人機數(shù)據(jù)鏈通信的抗干擾性能。目前,Turbo碼的FPGA實現(xiàn)在無人機數(shù)據(jù)鏈中的應用研究較少,該課題的開展有助于深入研究無人機數(shù)據(jù)鏈路特性,對于實現(xiàn)無人機高速、可靠通信具有一定的理論和實際應用價值。

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