LDPC碼對無源互調(diào)干擾下通信性能改善研究

方天琪，胡天存，田露，*，劉建純

1.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081 2.中國空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000

LDPC碼對無源互調(diào)干擾下通信性能改善研究

方天琪1，胡天存2，田露1，*，劉建純1

1.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081 2.中國空間技術(shù)研究院 西安分院 空間微波技術(shù)重點實驗室，西安 710000

針對無源互調(diào)干擾信號的時變性和間斷性特點，提出了利用低密度奇偶校驗(Low Density Parity Check，LDPC)碼抗突發(fā)差錯的特性來減弱無源互調(diào)干擾影響的方法。文章設(shè)計了LDPC編譯碼方案，采用了基于準循環(huán)矩陣的編碼方案，并著重分析了譯碼環(huán)節(jié)，譯碼算法最終選定具有低迭代時延特點的基于行信息傳遞(Row Message Passing，RMP)調(diào)度的最小和譯碼算法。譯碼仿真結(jié)果顯示，用占空比為10%的脈沖模擬無源互調(diào)干擾，信噪比為3.1 dB時，編碼增益約為8.2 dB。實測結(jié)果顯示，信干比為2 dB時，帶有LDPC編碼的系統(tǒng)誤碼率為0.002 69，信干比增益超過10 dB。

空間通信；無源互調(diào)；低密度奇偶校驗碼；最小和譯碼；誤碼率

無源互調(diào)(Passive InterModulation，PIM)是指在無源器件中，由于其微弱的非線性造成輸入信號的不同頻率分量相互疊加輸出的現(xiàn)象[1-3]。無源互調(diào)現(xiàn)象隨著輸入功率的增大而愈發(fā)嚴重，如果這些無源互調(diào)產(chǎn)物的功率足夠大，并且落入接收機的通頻帶中，會形成寄生干擾[4]，可使系統(tǒng)通信傳輸質(zhì)量下降，甚至不能正常工作。隨著空間傳輸速率的提升，目前空間通信系統(tǒng)對大功率發(fā)射和高靈敏度接收提出了更高要求，這就使得無源互調(diào)干擾問題日漸嚴重[5-6]。

無源互調(diào)對通信性能的影響不可忽視，其概率分布特性表現(xiàn)為非高斯，不能單純視作噪聲[7-10]。同時，落入接收頻帶的無源互調(diào)產(chǎn)物又無法采用濾波器進行濾除。目前的無源互調(diào)干擾抑制手段還不能保證將無源互調(diào)干擾完全消除[11]。因此，本文嘗試采用信道編碼方法減輕無源互調(diào)干擾對通信系統(tǒng)的影響。

無源互調(diào)產(chǎn)物具有很強的時變性，即在時間上不能保持穩(wěn)定，對于物理運動和溫度都極為敏感。所以，可以認為PIM產(chǎn)生的差錯類型主要是突發(fā)差錯。突發(fā)差錯是指在碼元傳輸過程中，錯誤比特出現(xiàn)的位置連續(xù)，并且與無差錯區(qū)間相比，錯誤比特區(qū)間很短。突發(fā)差錯各錯誤比特之間有復(fù)雜的相關(guān)性，不易糾錯，對通信系統(tǒng)的性能會造成嚴重影響。

LDPC碼是一種基于稀疏奇偶校驗矩陣的分組碼，它具有接近Shannon容限的優(yōu)良性能[12]。近些年來受到了越來越多的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用在需要高可靠性的通信系統(tǒng)中。例如第三代合作伙伴計劃(3GPP)選定LDPC為5G中長碼編碼方案。由于LDPC碼的隨機性及其校驗矩陣的稀疏特性，各個比特之間是相互交織的，使得它在抗有突發(fā)誤碼信道時的表現(xiàn)特別優(yōu)異。相關(guān)文獻已經(jīng)得到結(jié)論，在有充分信道估計的情況下，性能損失小于1 dB。信道估計體現(xiàn)在迭代初始值上，在各種各樣的測試條件和長時間的觀察下，可以得到PIM產(chǎn)物的可靠數(shù)據(jù)，取定合適的迭代初始值，實現(xiàn)糾錯，降低誤碼。比較了多種譯碼算法，本文最終選定基于RMP調(diào)度的最小和譯碼算法，較最小和譯碼算法可減少近一半的迭代延時，加快譯碼速度[13]。

經(jīng)過仿真與實際測量驗證，LDPC碼可在不增加額外硬件的情況下，降低無源互調(diào)干擾下的通信系統(tǒng)誤碼率。因此，LDPC碼可改善帶有無源互調(diào)的通信系統(tǒng)性能，降低無源互調(diào)的影響，有望廣泛應(yīng)用于空間通信系統(tǒng)中。

1 無源互調(diào)干擾信號特點分析

圖1為受無源互調(diào)干擾的BPSK調(diào)制信號的實測采樣結(jié)果，BPSK信號為恒包絡(luò)信號，因此圖1中量化幅值不一的脈沖串為PIM干擾信號。

由此可見，PIM信號可簡化為脈沖干擾。根據(jù)圖1的采樣結(jié)果進行判決必然出現(xiàn)錯誤，形成誤碼。

在大功率條件下，由于接觸非線性和材料非線性等原因，通信系統(tǒng)產(chǎn)生了無源互調(diào)干擾信號，它具有以下特點：

1)在時間上不能保持穩(wěn)定。物理運動和溫度變化對它的影響都很大。

2)具有門限效應(yīng)。只有在達到一定溫度或者電平時才會產(chǎn)生。

3)分布頻帶寬，有在通頻帶內(nèi)的頻譜分量，也有在通頻帶外的頻譜分量。

4)不能用濾波器完全消除，因為若在發(fā)射端后加濾波器，那么濾波器之后的干擾仍然無法消除。

5)呈現(xiàn)寬帶噪聲特性，除了可以計算出的離散頻譜，還發(fā)現(xiàn)了大幅度的寬帶噪聲。

由于無源互調(diào)干擾信號的這些特點，在干擾產(chǎn)物和測試條件之間建立固定的關(guān)系是不可能的，要想測量和預(yù)測都相當(dāng)困難，因此很難做到完全對消，既然錯碼的發(fā)生很難避免，可以用差錯控制編碼技術(shù)來糾正錯碼。本文的工作正是將LDPC這種高性能碼用于減弱無源互調(diào)帶來的寄生干擾問題。

2 LDPC碼設(shè)計方案

2.1 基于準循環(huán)矩陣的編碼方案

準循環(huán)特性極大地方便了編碼器和譯碼器的實現(xiàn)，有效地節(jié)省了編碼器和譯碼器消耗的存儲和運算單元。

(1)

使得

(2)

2.2 基于RMP調(diào)度的譯碼方案

自從LDPC碼成為編碼領(lǐng)域一個新的研究熱點之后，各種譯碼算法層出不窮。LDPC碼采用迭代譯碼算法，并行操作帶來的好處就是速度快、吞吐量大，而且對硬件要求不高。目前主流的譯碼算法包括最常用的置信度傳播(BeliefPropagation，BP)譯碼算法、用對數(shù)似然比表示的BP算法、最小和譯碼算法，以及改進的最小和譯碼算法等。BP譯碼算法采用很多相乘運算，大量的乘法器會導(dǎo)致資源消耗多、延時長等問題，對數(shù)似然比譯碼算法是BP譯碼算法的改進，將乘法操作變成了加法操作，但是對數(shù)運算部分仍然需要很高的復(fù)雜度。最小和譯碼算法是BP譯碼算法的進一步簡化，只需要加法和求最小值操作，但是會犧牲一些錯誤糾正性能。改進的最小和譯碼算法則可以在一定程度上提高最小和譯碼算法的性能。

這些譯碼算法的特點是，變量節(jié)點和校驗節(jié)點是同時處理信息，更新的信息只有在下次迭代過程開始后才能傳遞出去，稱之為基于標(biāo)準信息傳遞(StandardMessagePassing，SMP)。這就說明可以進一步提升譯碼性能。本文中采用的是基于RMP的改進最小和譯碼算法。迭代過程中可以使用該次迭代中已經(jīng)更新過的信息，這就使得收斂速度變快，并能有效降低迭代次數(shù)。

1)初始化：

(3)

2)迭代譯碼：對每個校驗節(jié)點m=1,2,…,M，依次計算：

(4)

(5)

(6)

式中：η為乘性修正因子。

2.3 仿真性能分析

在加性高斯白噪聲信道下，采用碼率為1/2的LDPC碼進行編碼，譯碼采用基于RMP調(diào)度的譯碼算法，迭代次數(shù)為23次。針對譯碼算法的誤碼性能，利用Matlab進行浮點仿真和6bit量化定點仿真。針對譯碼算法的抗脈沖干擾性能，利用Matlab進行了6bit量化定點仿真，其中加入占空比為10%的脈沖干擾(410bit)，用來模擬無源互調(diào)干擾，脈沖干擾采用置0的方法處理，干擾加入的位置隨機確定，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2的仿真結(jié)果表明，在Eb/No=11.3 dB時，未編碼的BPSK系統(tǒng)的誤碼率為1×10-7，而基于RMP調(diào)度的最小和譯碼算法在相同的誤碼率時所要求的信噪比只有2.1 dB，編碼增益約為9.2 dB。

圖3的仿真結(jié)果表明，在有脈沖干擾情況下，基于RMP調(diào)度的最小和譯碼算法要想達到1×10-7的誤碼率，所要求的信噪比為3.1 dB，編碼增益約為8.2 dB。

3 無源互調(diào)干擾測試系統(tǒng)

3.1 譯碼器架構(gòu)

因為在LDPC碼設(shè)計方案中，著重討論了譯碼算法，故在此給出譯碼器部分的具體硬件實現(xiàn)。

譯碼器架構(gòu)如圖4所示，存儲器模塊a中存儲了接收到的待譯碼信息和譯碼過程中變量節(jié)點向校驗節(jié)點傳遞的消息，地址移位模塊通過對初始地址進行移位運算，為存儲器模塊a提供了讀寫操作的地址，三模冗余模塊則保證了地址移位模塊得到的初始地址的正確性；存儲器模塊b中存儲了譯碼過程中校驗節(jié)點向變量節(jié)點傳遞的消息；迭代譯碼模塊是譯碼器的核心模塊，它實現(xiàn)了迭代譯碼的功能并將每次迭代的結(jié)果寫入到存儲器模塊a中和存儲器模塊b中[16]。

譯碼器設(shè)計采用基于RMP的譯碼算法，實現(xiàn)了對(2 048，4 096)LDPC碼的譯碼。譯碼器從上一模塊中讀取6 bit解調(diào)數(shù)據(jù)和幀同步信號，通過23次迭代譯碼，輸出4 096 bit的譯碼結(jié)果。

譯碼器每次迭代消耗的時鐘為2 048×8=16 384，譯碼迭代次數(shù)為23次，所以總譯碼時延為16 384×23+4 096=380 928個工作時鐘，在65 MHz工作時鐘下的譯碼時延為5.86 ms。

3.2 實測結(jié)果分析

圖5為無源互調(diào)干擾下LDPC碼對接收機性能改善的測試系統(tǒng)框圖?？梢酝ㄟ^改變衰減器的衰減倍數(shù)來控制干擾功率，進而達到控制信干比的目的，接著測量不同信干比下的誤碼率。

圖6是在1×108個數(shù)據(jù)量，不同信干比下的誤碼率。可以看出，LDPC編碼能顯著降低誤碼率。而且，在信干比為2 dB時，帶有LDPC編碼的系統(tǒng)誤碼率為0.002 69，信干比增益超過10 dB。

4 結(jié)束語

1)采用基于RMP調(diào)度的改進最小和譯碼算法能得到更低的誤碼率和抗干擾性能，并能大大節(jié)約硬件資源。在Eb/No=11.3 dB時，未編碼的BPSK系統(tǒng)的誤碼率為1×10-7，而基于RMP調(diào)度的最小和譯碼算法在相同的誤碼率時所要求的信噪比只有2.1 dB，編碼增益約為9.2 dB。

2)仿真和測試系統(tǒng)下的實測表明在無源互調(diào)干擾下，使用LDPC信道編碼技術(shù)可有效改善通信系統(tǒng)的性能，減弱寄生干擾的影響。

References)

[1] JIANG J，LI T J，MA X F，et al. A nonlinear equivalent circuit method for analysis of passive intermodulation of mesh reflectors[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2014，27(4)：924-929.

[2] ZHAO P，ZHANG X P，YANG D C，et al.Superposition effect of passive intermodulation for cable assemblies with discrete point-sources[J].China Communications，2015，12(4)：97-105.

[3] 何鋆，李軍，崔萬照，等. 分布式無源互調(diào)研究綜述[J]. 空間電子技術(shù)，2016，13(4)：1-6.

HE Y，LI J，CUI W Z，et al. Review of research on distributed passive intermodulation[J]. Space Electronic Technology，2016，13(4)：1-6(in Chinese).

[4] 張世全，葛德彪. 通信系統(tǒng)無源非線性引起互調(diào)干擾[J]. 陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，32(1)：58-62.

ZHANG S Q，GE D B. Intermodulation interference due to passive nonlinearity in communication systems[J]. Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition)，2004，32(1)：58-62(in Chinese).

[5] 葉鳴，賀永寧，孫勤奮，等. 大功率條件下的無源互調(diào)干擾問題綜述[J]. 空間電子技術(shù)，2013，10(1):75-83.

YE M，HE Y N，SUN Q F，et al. Review of passive intermodulation interference problem under high power signals[J]. Space Electronic Technology，2013，10(1)：75-83(in Chinese).

[6] 陳翔，崔萬照，李軍，等. 空間大功率微波部件無源互調(diào)檢測與定位技術(shù)[J]. 空間電子技術(shù)，2015，12(6)：1-7.

CHENG X,CUI W Z,LI J,et al.Measurement and localization of passive intermodulation distortion of high power microwave component for space application[J]. Space Electronic Technology，2015，12(6)：1-7(in Chinese).

[7] 張世全，傅德民，葛德彪. 無源互調(diào)干擾對通信系統(tǒng)抗噪性能的影響[J]. 電波科學(xué)學(xué)報，2002，17(2)：138-142.

ZHANG S Q，F(xiàn)U D M，GE D B. The effects of passive intermodulation interference on the anti-noise property of communications systems[J]. Chinese Journal of Radio Science，2002，17(2)：138-142(in Chinese).

[8] AI-MUDHAFAR A，HARTNAGEL H. Bit error probability in the presence of passive intermodulation[J]. IEEE Communications Letters，2012，16(8)：1145-1148.

[9] KOZLOV D S，SHITVOV A P，SCHUCHINSKY A G，et al. Passive intermodulation of analog and digital signals on transmission lines with distributed nonlinearities: modelling and characterization[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2016，64(5)：1383-1395.

[10] TIAN L，WANG Y，WANG R F，et al. Modified Cauchy distribution model of high-order passive intermodulation[C]. International Symposium on Antennas and Propagation，Okinawa，2016，IEEE：586-587.

[11] TIAN L，HAN H C，CAO W H，et al. The adaptive suppression of passive intermodulation of digital satellite transceivers[J]. to Appear in Chinese Journal of Aeronautics.

[12] ZHANG L J，LI B，CHENG L L. Constructions of QC LDPC codes based on integer sequences[J]. Science China(Information Sciences)，2014，57(6)：40-53.

[13] 鄭浩，李林濤，李祥明. 基于RMP調(diào)度的部分并行QC-LDPC譯碼方法：201310676642.9[P]. 2014-03-05.

ZHENG H，LI L T，LI X M. Partly parallel decoding algorithm of QC-LDPC codes based on RMP-scheduling：201310676642.9[P]. 2014-03-05(in Chinese).

[14] 劉策倫，卜祥元，安建平. 具有高速并行譯碼結(jié)構(gòu)LDPC碼的構(gòu)造[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報，2010，30(8)：978-982.

LIU C L，BU X Y，AN J P，Constructing of LDPC code with high speed parallel decoding structure[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology，2010，30(8)：978-982(in Chinese).

[15] 龔險峰，陶孝鋒，邱樂德. 基于原模圖擴展的QC-LDPC構(gòu)造方法[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2012，32(2)：62-67.

GONG X F，TAO X F，QIU L D. Quasi-cycle LDPC construction method based on protograph expansion[J].Chinese Space Science and Technology，2012，32(2)：62-67(in Chinese).

[16] CHEN Y H，CHU C L，HE J S. FPGA implementation and verification of LDPC minimum sum algorithm decoder with weight (3，6) regular parity check matrix[C]. International Conference on Electronic Measurement & Instruments，Harbin，China，IEEE，2013：682-686.

(編輯：車曉玲)

Study on communication performance improvement using LDPC code under passive intermodulation interference

FANG Tianqi1，HU Tiancun2，TIAN Lu1，*，LIU Jianchun1

1.SchoolofInformationandElectronics，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave，ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710000，China

Due to the time-varying and discontinuous characteristics of passive intermodulation interference signals，a novel method by using error-correcting LDPC code was proposed to reduce the impact of passive intermodulation interference. The LDPC coding and decoding scheme was designed and the decoding part was emphasized. The normalized min-sum algorithm based on row message passing was adopted for its low iteration time. Pulses at 10% duty cycle were used to simulate the passive intermodulation interference. The simulation results show that the coding gain is about 8.2 dB when the BER is 3.1 dB. The experimental results show that the BER is 0.002 69 and SIR gain reaches 10 dB when SIR is 2 dB.

space communication；passive intermodulation；low density parity check code；min-sum decoding；bit error rate

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0029

2016-11-22；

2017-02-15；錄用日期：2017-03-17；

時間：2017-03-21 16:00:09

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1600.016.html

國家自然科學(xué)基金(61601027)

方天琪(1994—)，男，碩士研究生，breathless101@qq.com，研究方向為無線通信與數(shù)字信號處理

*通訊作者：田露(1989—)，女，博士研究生，tianlu218@gmail.com，研究方向為空間信號處理與無源互調(diào)對消技術(shù)

方天琪，胡天存，田露，等.LDPC碼對無源互調(diào)干擾下通信性能改善研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù)，2017，37(2)：108-113.FANGTQ，HUTC，TIANL，etal.StudyoncommunicationperformanceimprovementusingLDPCcodeunderpassiveintermodulationinterference[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(2)：108-113(inChinese).

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http://zgkj.cast.cn