一種低復(fù)雜度遙測數(shù)據(jù)刪除卷積譯碼方式

王瑋

摘要：針對航天測控通信中遙測數(shù)據(jù)刪除卷積碼的譯碼，提出了一種低復(fù)雜度、低資源占用量的譯碼方法。介紹了卷積碼和刪除卷積碼的原理和區(qū)別、傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)刪除卷積的譯碼方式，針對其在高碼率時資源消耗量大的問題，提出了一種改進方法，采用遙測節(jié)點同步的方式，在卷積譯碼前即可確認刪除碼率和數(shù)據(jù)組合；對比了2種方式的資源占用量和譯碼性能，說明采用遙測節(jié)點同步的方式可以有效地減少譯碼器的使用，大大節(jié)省了資源占用量。

關(guān)鍵詞：航天測控；刪余卷積碼；遙測節(jié)點同步

中圖分類號：V527文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）06-53-5

0引言

在航天測控通信中，為了提高遙測數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通常采用信道編碼技術(shù)[1]。在測控通信中常用的信道編碼技術(shù)有卷積編碼、LDPC編碼、RS編碼以及RS+卷積級聯(lián)碼等編碼方式。卷積編碼是一種非分組碼，由伊利亞斯（P.Elias）于1955年提出，它具有糾錯能力強、編譯碼簡單等優(yōu)點，在許多實際情況中的性能優(yōu)于分組碼[2-3]，因此得到了廣泛應(yīng)用。標準的CCSDS卷積編碼為（2，1，7）卷積碼，即編碼后數(shù)據(jù)速率為編碼前的2倍，但這樣會增加傳輸帶寬，或者在不改變傳輸帶寬條件下降低信息傳輸速率。為了提高信道編碼碼率，增加帶寬有效性，通常會采用刪除方法，即信息進行卷積編碼后，消去編碼完的序列中的部分比特，通過減少傳輸?shù)谋忍財?shù)來提高編碼碼率[4-5]。常用的打孔刪除方式有2/3、3/4、5/6、7/8。相比于1/2編碼方式，采用這種方式雖然會損失一定的糾錯性能，但是可以有效提高信息碼速率，降低傳輸帶寬[6-7]。

通過刪除的方法，雖然可以提高遙測數(shù)據(jù)傳輸帶寬，但是在對刪除卷積碼進行譯碼時所需要的譯碼器數(shù)量較多，資源消耗較大。針對這一問題，本文分析了航天測控通信中傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)進行刪除卷積碼譯碼的處理流程，在其基礎(chǔ)上提出一種改進方法，通過增加遙測節(jié)點同步環(huán)節(jié)，在譯碼前即可確定譯碼模塊輸入端的數(shù)據(jù)組合方式，在實現(xiàn)高碼率信道編譯碼的同時，降低了資源的消耗。

首先介紹了刪除卷積碼的結(jié)構(gòu)并給出了通過固定刪除圖樣得到的不同碼率的刪除碼，然后給出了傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)處理流程并分析了不同碼率對應(yīng)的資源消耗量，在此基礎(chǔ)上提出了遙測節(jié)點同步處理方法，最后對2種方法在不同碼率下的資源消耗進行了對比。

1刪除卷積碼及譯碼介紹

1.1卷積碼介紹

卷積碼是讓待編碼的信息序列通過一個線性的、有限狀態(tài)的移位寄存器得到編碼序列的編碼方法。將待編碼信息序列分為組長度為的子序列，每個子序列編碼后長度為，那么編碼碼率為= /。編碼完成的bit數(shù)據(jù)不僅與當前組的個信息位有關(guān)，還與前面的-1組信息位有關(guān)，卷積碼就是利用這些信息之間的相關(guān)性，來得到優(yōu)異的編碼增益。

卷積碼有多種表示方法：解析表示法和圖表表示法。其中，圖表表示法又可分為結(jié)構(gòu)圖表示法、網(wǎng)格圖表示法和狀態(tài)圖表示法。

1.1.1解析表示法

例如，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（CCSDS）標準卷積碼的表達式為（2，1，7），即=2，=1，=7，表示輸入1 bit信息，輸出2 bit編碼數(shù)據(jù)，約束長度為7。1= 1111001，2= 1011011，2路輸出反向。

1.1.2圖表表示法

圖表表示法中常用的表示法為結(jié)構(gòu)圖表示法和網(wǎng)格圖表示法，在進行卷積編碼時常用到結(jié)構(gòu)圖表示法；在進行卷積碼譯碼時常用到網(wǎng)格圖表示法。本文重點介紹結(jié)構(gòu)圖表示法。CCSDS標準卷積碼的結(jié)構(gòu)圖表示如圖1所示。

1.2刪除卷積碼介紹

為提高航天測控中下行遙測的信道編碼碼率，在卷積碼中通常會采用刪除的方法。刪除就是在遙測信息序列完成卷積編碼之后，按照一定的規(guī)則周期性地刪除信息序列中的一些數(shù)據(jù)，即采用更少的編碼數(shù)據(jù)來傳達相同的信息，可以達到提高編碼碼率的目的。在航天測控中，一般通過對約束長度為7，碼率為1/2的CCSDS標準卷積碼進行刪除，增加傳輸帶寬有效性，提高遙測碼率。但由于在傳輸前刪除了部分已編碼符號，與原始的碼字相比降低了糾錯性能。按照不同的刪除規(guī)則，可以得到2/3、3/4、5/6、7/8碼率編碼。刪除卷積編碼器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由初始的碼率1/2 CCSDS標準卷積碼通過固定刪除規(guī)則得到的碼率2/3、3/4、5/6、7/8的刪除碼，刪除規(guī)則如表1所示。

由表1可以看出，長度為的序列經(jīng)過碼率為1/2的編碼器編碼后長度變?yōu)?的序列，根據(jù)不同的刪除規(guī)則進行刪除，刪除-1 bit，最終得到的刪除編碼序列碼率為/（ +1）。經(jīng)過刪除后，卷積碼之間的碼距會減小，影響卷積碼的編碼性能。

1.3卷積碼的譯碼介紹

卷積碼的譯碼方法有很多種，主要有：1961年由沃曾克拉夫特（Wozencraft）提出，1963年由費諾（Fano）改進的序列譯碼；1963年由梅西（Massey）提出的門限譯碼；1967年由維特比（Viterbi）提出的Viterbi算法；1974年Bahl、Cocke、Jelinek和Raviv（BCJR）對信息比特具有不等先驗概率的卷積碼提出了最大后驗概率（MAP）譯碼算法。其中，卷積碼的最優(yōu)譯碼方法為基于最大似然估計和最大后驗概率準則的譯碼方法。故后2種，即Viterbi和BCJR譯碼方法得到了更為廣泛的應(yīng)用。本節(jié)主要介紹Viterbi譯碼算法的基本原理。

Viterbi譯碼方法是一種基于編碼器網(wǎng)格圖搜索的最大似然譯碼方法，其目的在于在網(wǎng)格圖中尋找一條與接收序列之間的距離最小的路徑。根據(jù)解調(diào)之后選擇的判決方法，在尋找最佳路徑的過程中可以采用漢明距離和歐式距離進行度量值的比較。Viterbi譯碼算法不是一次性在網(wǎng)格圖中所有可能的2條不同的路徑中選擇一條具有最佳度量值的路徑，而是每次接收一段信息序列，進行度量值的計算，并在到達同一狀態(tài)的路徑中選擇當前具有較大度量值的路徑，舍棄其他路徑，從而使得最后留存的路徑僅有一條，并且是具有最大似然函數(shù)的路徑。Viterbi譯碼的實現(xiàn)過程可分為：路徑度量的計算、路徑度量的更新、循環(huán)搜索所有路徑、反向索引幸存路徑4個流程。

刪除卷積碼的本質(zhì)是一種高碼率的卷積碼，其在譯碼時仍需要按照卷積碼進行譯碼。由于待譯碼序列在卷積編碼之后按照一定的規(guī)則周期性地刪除信息序列中的一些數(shù)據(jù)，因此在譯碼的時候需要按照相應(yīng)規(guī)則對數(shù)據(jù)進行補全操作，然后再對數(shù)據(jù)再進行卷積譯碼。但由于刪除的序列與補充的序列不一致，勢必造成譯碼性能損失。在航天測控領(lǐng)域的應(yīng)用中，下行遙測一般會預(yù)留充足的鏈路余量，因此可通過犧牲譯碼性能來換取遙測傳輸帶寬的提升。

2傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)的刪除卷積譯碼方式

傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)卷積譯碼處理流程如圖3所示。遙測接收設(shè)備首先要完成遙測信號的捕獲跟蹤和位同步處理。在解調(diào)出基帶數(shù)據(jù)流之后進行信道譯碼、幀同步、解擾等處理。卷積編碼對應(yīng)的譯碼方式為Viterbi譯碼，任一碼率的編碼數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過2 bit數(shù)據(jù)重新組合后才能確定刪除起始位置，之后按照刪除規(guī)則進行數(shù)據(jù)填補后，作為Viterbi譯碼模塊的輸入數(shù)據(jù)[9-10]。不同碼率1/2、2/3、3/4、5/6、7/8編碼后的數(shù)據(jù)流，2 bit重新組合會出現(xiàn)多種可能，如果每個數(shù)據(jù)流2 bit重新組合都是從起始數(shù)據(jù)開始組合，譯碼結(jié)果正確；如果不是起始數(shù)據(jù)組合，則譯碼出錯。圖4列出了各個不同碼率的編碼數(shù)據(jù)作為譯碼模塊輸入數(shù)據(jù)時，可能出現(xiàn)的組合方式。

由圖3可以看出，1/2碼率時，編碼數(shù)據(jù)送入譯碼模塊輸入端時，可能出現(xiàn)2種2 bit組合方式。在進行數(shù)據(jù)流處理時，不能確定哪種才是正確的數(shù)據(jù)組合，所以需要放置2個Viterbi譯碼模塊，隨后對譯碼輸出進行鑒定，正確的一路保留，錯誤的舍棄。同理：

2/3碼率時，譯碼器輸入端的數(shù)據(jù)流有3種2 bit組合方式，需要放置3個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

3/4碼率時，譯碼器輸入端的數(shù)據(jù)流有4種2 bit組合方式，需要放置4個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

5/6碼率時，譯碼器輸入端的數(shù)據(jù)流有6種2 bit組合方式，需要放置6個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

7/8碼率時，譯碼器輸入端的數(shù)據(jù)流有8種2 bit組合方式，需要放置8個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出。

由此得出，不確定數(shù)據(jù)流起始點的情況下，需要遍歷所有數(shù)據(jù)組合，并通過Viterbi譯碼結(jié)果正確性來確定數(shù)據(jù)組合方式。采用這種方式，當碼率越高時，需要的Viterbi譯碼器就越多，資源占用也越多。

3改進遙測數(shù)據(jù)的刪除卷積譯碼方式

采用傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)刪除卷積譯碼的方式，會占用大量Viterbi譯碼資源，而一般Viterbi譯碼利用FPGA來實現(xiàn)，所需要的FPGA資源更多，不利于接收解調(diào)設(shè)備小型化、便攜化和多通道的實現(xiàn)。為了解決該問題，本文提出了一種新的低復(fù)雜度刪除卷積譯碼方式，在遙測數(shù)據(jù)解調(diào)流程中增加節(jié)點同步流程。通過遙測節(jié)點同步，可以在Viterbi譯碼前就確定好數(shù)據(jù)組合方式和遙測幀頭起始位置，因此接收端只需要1個Viterbi譯碼模塊進行譯碼即可，相比傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)刪除卷積譯碼方式，大大節(jié)省了FPGA資源。圖5為改進后的遙測數(shù)據(jù)解調(diào)流程，遙測接收設(shè)備首先進行遙測信號捕獲跟蹤和位同步處理，然后進行節(jié)點同步確認Viterbi譯碼的起始點和數(shù)據(jù)組合方式，之后進行Viterbi譯碼和幀同步等處理。

節(jié)點同步流程如圖6所示。首先對預(yù)設(shè)的遙測數(shù)據(jù)幀頭進行（2，1，7）卷積編碼；然后根據(jù)不同碼率按照對應(yīng)刪除規(guī)則對編碼后序列進行刪除，得到各種碼率和各種數(shù)據(jù)組合的節(jié)點同步幀頭；最后通過設(shè)置合適的容錯比特，在遙測數(shù)據(jù)流中匹配查找所有的節(jié)點同步幀頭，若正確匹配到節(jié)點同步幀頭，則查找對應(yīng)的編碼速率和數(shù)據(jù)組合，并輸出至Viterbi譯碼模塊。

當幀頭為16 bit時，1/2碼率幀頭編碼輸出1111111111111111/1111111111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出1010101010101010/1111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出1011011011011011/1101101101101101；5/6碼率幀頭編碼輸出1010110101101011/1101011010110101；7/8碼率幀頭編碼輸出1000101100010110/1111010111101011。其中，1代表數(shù)據(jù)保留，0代表數(shù)據(jù)刪除。

當幀頭為24bit時，1/2碼率幀頭編碼輸出111111111111111111111111/111111111111111111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出101010101010101010101010/ 111111111111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出101101101101101110110110/110110110110110111011011；5/6碼率幀頭編碼輸出101011010110101110101101/110101101011010111010110；7/8碼率幀頭編碼輸出100010110001011010001011/111101011110101111110101。其中，1代表數(shù)據(jù)保留，0代表數(shù)據(jù)刪除。

當幀頭為32 bit時；1/2碼率幀頭編碼輸出11111111111111111111111111111111/111111111111111111111 11111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出1010101010101010101010 1010101010/11111111111111111111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出10110110110110110110110110110110/ 11011011011011011011011011011011011011；5/6碼率幀頭編碼輸出10101101011010111010110101101011/11010110101 101011101011010110101；7/8碼率幀頭編碼輸出10001011000101101000101100010110/111101011110101111110 10111101011。其中，1代表數(shù)據(jù)保留，0代表數(shù)據(jù)刪除。

編碼結(jié)構(gòu)框圖有6個寄存器，因此幀頭數(shù)據(jù)依次送入編碼器6 bit數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)編碼輸出是確定的，可知，對于幀頭編碼輸出序列，舍棄前6 bit數(shù)據(jù)的編碼序列，從之后的輸出數(shù)據(jù)進行同步，即可找到數(shù)據(jù)處理的起始點?？梢允孪劝巡煌瑤^在不同碼率情況下的編碼輸出預(yù)存起來，經(jīng)過節(jié)點同步處理，可以確定譯碼器輸入數(shù)據(jù)的組合方式，通過1個譯碼器即可完成譯碼。由于2/3、3/4、5/6、7/8碼率數(shù)據(jù)編碼是有刪除的，所以譯碼器輸入數(shù)據(jù)必須添加使能控制信號。

4 2種遙測數(shù)據(jù)刪除卷積譯碼方式對比

綜合上文分析可得2種遙測數(shù)據(jù)刪除卷積譯碼方式的譯碼器數(shù)量，如表2所示。FPGA消耗資源如表3所示。由表2和表3可以看出，采用傳統(tǒng)方式處理，隨著碼率的提高，所需譯碼器的數(shù)量也越多，資源消耗越大。若采用本文提出的節(jié)點同步方式處理，只需一個譯碼器即可完成譯碼，F(xiàn)PGA資源消耗量相比傳統(tǒng)方式大大減少。由此可見，本文所提方法可以在較低資源消耗的情況下，有效地提高信道編碼碼率，提升信號傳輸速率。

5結(jié)束語

本文針對航天測控通信中遙測數(shù)據(jù)的編譯碼處理方式，提出了基于刪除卷積碼的遙測節(jié)點同步技術(shù)實現(xiàn)方法。采用刪除卷積碼方法，在傳輸前刪除部分已編碼符號，有效提高了信道編碼碼率，增加了帶寬有效性；針對高碼率刪除卷積碼資源消耗大的問題，通過對傳統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)處理流程進行改進，提出遙測節(jié)點同步處理方法，在譯碼前確定好數(shù)據(jù)起始點，只需使用1個Viterbi譯碼模塊即可完成譯碼，相比傳統(tǒng)遙測幀同步處理方法，在提升信息碼率的同時，有效節(jié)省了資源。

參考文獻

[1]饒啟龍.航天測控技術(shù)及其發(fā)展方向[J].信息通信技術(shù)， 2011，5 （3） ：77-83.

[2]宋陽，解輝，王豐華，等.刪除卷積碼參數(shù)快速估計算法[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2013，8 （2） ：178-183.

[3] YUAN D F，LI Z W，SUN A F， et al. Research on Unequal Error Protection with Punctured Convolutional Codes in Image Transmission System over Mobile Channels[J].Acta Electronica Sinica，2001，29 （7） ：1-4.

[4]阮崢，景為平.IEEE802.11p下刪余卷積編碼譯碼方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38 （8） ：116-118.

[5]原進紅，匡鏡明，柯有安.刪除卷積碼與MPSK調(diào)制[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，1995，15 （2） ：163-170.

[6] Sasano H， KIKUCHI K，MORIYA S.Construction of High Rate Punctured Convolutional Codes[C]//International Symposium on Information Theory and its Applications（ISITA）.Monterey ： IEEE， 2016 ：498-501.

[7] MORIYA S， KIKUCHI K， SASANO H. Search for High-rate Punctured Convolutional Codes Through Transformed Identical Codes[J].IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics， Communications and Computer Sciences，2017（12）：2607-2614.

[8]張磊，盧華平，朱愛民.基于刪余等效的高碼率卷積碼的低復(fù)雜度譯碼方法[J].電訊技術(shù)，2018，58 （11） ：1296-1302.

[9]曾麗君.軟件無線電在遙控遙測基帶系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[10]何小敏.卷積碼編碼與維特比譯碼加速器設(shè)計[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.