高碼速率衛(wèi)星通信中LDPC編碼技術(shù)的仿真及應(yīng)用

艾國(guó)志+范文斌

摘要：高碼率衛(wèi)星通信對(duì)信道性能要求高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較低信噪比和突發(fā)強(qiáng)干擾等特性下，但是現(xiàn)有信道編碼的方法可能由于糾錯(cuò)性能的限制，導(dǎo)致接收端信息不能完全正確恢復(fù)。但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)對(duì)于低誤碼率的要求非常的高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)非對(duì)稱的信道，LDPC碼作為一種新興研究的信道編碼方案，仿真表明它在高斯信道和萊斯信道下都有著良好的糾錯(cuò)性能，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳榆鏈路對(duì)抗鏈路干擾，提高信道性能的一種有效方法。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信 LDPC編碼 編碼增益 解調(diào)

1 引言

信道編碼理論及技術(shù)作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，近幾十年在Shannon信道編碼定理的指引下已經(jīng)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展并取得了大量的研究成果。目前，低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC碼）以其低復(fù)雜度的迭代譯碼算法和可逼近信道容量限而成為目前最佳的編碼技術(shù)之一，也逐漸開(kāi)始在新的衛(wèi)星通信中廣泛使用。

2 LDPC編碼技術(shù)

LDPC碼是當(dāng)今信道編碼領(lǐng)域的最令人矚目的研究熱點(diǎn)，基于LDPC碼的上述優(yōu)異性能可廣泛應(yīng)用于光通信、衛(wèi)星通信、深空通信、光和磁記錄系統(tǒng)等。研究資料表明，LDPC編碼對(duì)壓縮圖像傳輸具有很強(qiáng)的理論優(yōu)勢(shì)，圖1給出了采用LDPC碼應(yīng)用于壓縮圖像傳輸中的一種聯(lián)合信源/信道編碼系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。其中，信源編碼方案采用的是JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，信道編碼方案采用的是LDPC碼的編碼方案。由于JPEG靜止圖像由頭語(yǔ)法和壓縮的圖像數(shù)據(jù)兩部分組成，頭語(yǔ)法對(duì)錯(cuò)誤最敏感，其次是DC分量和AC分量。因而可以對(duì)頭語(yǔ)法和圖像數(shù)據(jù)分別用不同碼率的LDPC碼進(jìn)行編碼。這種編碼能夠提高信道的抗干擾能力，從而改善重建圖像的質(zhì)量。

LDPC碼除了在AWGN信道中比卷積碼有更高的編碼增益外，它在萊斯衰落信道中仍然有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)信道的相關(guān)性不是非常強(qiáng)時(shí)，不需要特別加入交織器即可取得較好的糾錯(cuò)性能。不同萊斯因子K時(shí)的（512，256）LDPC碼的性能如圖2所示。

圖2中的仿真條件為：，fdTs=0.01。從圖中可以看出，隨著K的增大，LDPC碼的糾錯(cuò)能力增強(qiáng)。由于，dTs較小，信號(hào)之問(wèn)衰落的相關(guān)性較強(qiáng)。在同樣信道條件下LDPC碼和無(wú)交織卷積碼誤碼率為104時(shí)對(duì)應(yīng)的信噪比，如表1所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，LDPC碼對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤明顯沒(méi)有卷積碼敏感，即使不使用交織，依然可以在較小的萊斯因子下獲得較高的編碼增益。而卷積碼在萊斯因子較小時(shí)，由于突發(fā)錯(cuò)誤增多，性能明顯下降。所以LDPC碼具有良好的抗衰落性能。不同相干時(shí)問(wèn)條件下的LDPC碼糾錯(cuò)性能如圖3所示。

圖中的仿真條件取K=10。隨著，dTs的增大，信號(hào)問(wèn)衰落的相關(guān)性減弱，LDPC碼的性能有明顯的提高。從圖中可以看出，在，dTs>0.05后，其性能與不相關(guān)萊斯信道相差在0.5 dB，系統(tǒng)中不需加入交織器。只有當(dāng)，dTs很小時(shí)，信號(hào)衰落相關(guān)性很強(qiáng)時(shí)，才需要考慮加入交織器。

從仿真中可以看成卷積碼和LDPC編碼碼長(zhǎng)較大時(shí)導(dǎo)致延時(shí)較大，這不利于實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信；但衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸具有單向性，基本上不受延時(shí)的限制。LDPC碼的編碼效率接近香農(nóng)極限、編解碼簡(jiǎn)單、時(shí)延小等特點(diǎn)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，是未來(lái)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的首選信道編碼方案，在QPSK調(diào)制方式下，當(dāng)LDPC碼速率選取1/4時(shí)達(dá)到104誤碼率所需的信噪比為0.65 dB，當(dāng)LDPC碼率選擇9/10時(shí)，相同的誤碼要求下信噪比僅為3.87 dB，性能優(yōu)勢(shì)明顯。

3 LDPC編碼仿真試驗(yàn)

目前衛(wèi)星通信中地而站部分先進(jìn)編碼調(diào)制設(shè)備已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用LDPC編碼技術(shù)，本文對(duì)某型號(hào)試驗(yàn)高速調(diào)制解調(diào)器利用衛(wèi)星地而站接收信道進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。

通過(guò)圖4所示，測(cè)試解調(diào)器在不加LDPC和加LDPC狀態(tài)下的編碼增益。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果，當(dāng)采用LDPC編碼技術(shù)時(shí)候，可對(duì)信道有6dB以上的信道質(zhì)量改善。

當(dāng)譯碼選擇迭代次數(shù)為4時(shí)，最大數(shù)傳信道解調(diào)解碼速率可達(dá)700Mbps；當(dāng)選擇迭代次數(shù)為10時(shí)，最大數(shù)傳信道解調(diào)解碼速率可達(dá)210Mbps；選擇是不同LDPC譯碼迭代次數(shù)在BER為10'6情況下獲得的編碼增益。圖5和6分別是QPSK和OQPSK調(diào)制，碼速率為150Mbps和400Mbps情況下，測(cè)得的BER性能曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)

高碼率衛(wèi)星通信對(duì)信道性能要求高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有較低信噪比和突發(fā)強(qiáng)干擾等特性下，但是現(xiàn)有信道編碼的方法可能由于糾錯(cuò)性能的限制，導(dǎo)致接收端信息不能完全正確恢復(fù)。但是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)對(duì)于低誤碼率的要求非常的高，衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一個(gè)非對(duì)稱的信道，LDPC碼作為一種新興研究的信道編碼方案，仿真表明它在高斯信道和萊斯信道下都有著良好的糾錯(cuò)性能，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸鏈路提高信道性能，對(duì)抗信道干擾的一種有效方法。參考文獻(xiàn)

[1]楊友福，劉建偉，張其善，田甜，宮曉妍.衛(wèi)星信道編碼技術(shù)及新發(fā)展[J].通信技術(shù)，2008（07）：41.

[2]張曉欽，衛(wèi)星通信的新型信道編碼技術(shù).2006國(guó)防通信技術(shù)委員會(huì)學(xué)術(shù)研討會(huì)，?？冢?006；北京：中國(guó)通信學(xué)會(huì).2006： 406-409.

[3]郭永富周傲松。LDPC編譯碼方法綜述[J].航天器工程2008（05）：17，3.endprint