高碼速率衛星通信中LDPC編碼技術的仿真及應用

艾國志+范文斌

摘要：高碼率衛星通信對信道性能要求高，衛星通信系統具有較低信噪比和突發強干擾等特性下，但是現有信道編碼的方法可能由于糾錯性能的限制，導致接收端信息不能完全正確恢復。但是現有的數據傳輸業務對于低誤碼率的要求非常的高，衛星通信系統是一個非對稱的信道，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性能，是衛星數據傳榆鏈路對抗鏈路干擾，提高信道性能的一種有效方法。

【關鍵詞】衛星通信 LDPC編碼 編碼增益 解調

1 引言

信道編碼理論及技術作為現代通信系統必不可少的關鍵技術，近幾十年在Shannon信道編碼定理的指引下已經經歷了飛速的發展并取得了大量的研究成果。目前，低密度奇偶校驗碼（LDPC碼）以其低復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之一，也逐漸開始在新的衛星通信中廣泛使用。

2 LDPC編碼技術

LDPC碼是當今信道編碼領域的最令人矚目的研究熱點，基于LDPC碼的上述優異性能可廣泛應用于光通信、衛星通信、深空通信、光和磁記錄系統等。研究資料表明，LDPC編碼對壓縮圖像傳輸具有很強的理論優勢，圖1給出了采用LDPC碼應用于壓縮圖像傳輸中的一種聯合信源/信道編碼系統簡圖。其中，信源編碼方案采用的是JPEG靜止圖像壓縮標準，信道編碼方案采用的是LDPC碼的編碼方案。由于JPEG靜止圖像由頭語法和壓縮的圖像數據兩部分組成，頭語法對錯誤最敏感，其次是DC分量和AC分量。因而可以對頭語法和圖像數據分別用不同碼率的LDPC碼進行編碼。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勢。當信道的相關性不是非常強時，不需要特別加入交織器即可取得較好的糾錯性能。不同萊斯因子K時的（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碼的糾錯能力增強。由于，dTs較小，信號之問衰落的相關性較強。在同樣信道條件下LDPC碼和無交織卷積碼誤碼率為104時對應的信噪比，如表1所示。

從表1中數據可以看出，LDPC碼對突發錯誤明顯沒有卷積碼敏感，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，由于突發錯誤增多，性能明顯下降。所以LDPC碼具有良好的抗衰落性能。不同相干時問條件下的LDPC碼糾錯性能如圖3所示。

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

從仿真中可以看成卷積碼和LDPC編碼碼長較大時導致延時較大，這不利于實時語音通信；但衛星數據傳輸具有單向性，基本上不受延時的限制。LDPC碼的編碼效率接近香農極限、編解碼簡單、時延小等特點非常適合高速數據傳輸系統，是未來衛星通信系統的首選信道編碼方案，在QPSK調制方式下，當LDPC碼速率選取1/4時達到104誤碼率所需的信噪比為0.65 dB，當LDPC碼率選擇9/10時，相同的誤碼要求下信噪比僅為3.87 dB，性能優勢明顯。

3 LDPC編碼仿真試驗

目前衛星通信中地而站部分先進編碼調制設備已經開始應用LDPC編碼技術，本文對某型號試驗高速調制解調器利用衛星地而站接收信道進行了驗證測試。

通過圖4所示，測試解調器在不加LDPC和加LDPC狀態下的編碼增益。測試結果如表2所示。

根據實際測試結果，當采用LDPC編碼技術時候，可對信道有6dB以上的信道質量改善。

當譯碼選擇迭代次數為4時，最大數傳信道解調解碼速率可達700Mbps；當選擇迭代次數為10時，最大數傳信道解調解碼速率可達210Mbps；選擇是不同LDPC譯碼迭代次數在BER為10'6情況下獲得的編碼增益。圖5和6分別是QPSK和OQPSK調制，碼速率為150Mbps和400Mbps情況下，測得的BER性能曲線。

4 結束語

高碼率衛星通信對信道性能要求高，衛星通信系統具有較低信噪比和突發強干擾等特性下，但是現有信道編碼的方法可能由于糾錯性能的限制，導致接收端信息不能完全正確恢復。但是現有的數據傳輸業務對于低誤碼率的要求非常的高，衛星通信系統是一個非對稱的信道，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性能，是衛星數據傳輸鏈路提高信道性能，對抗信道干擾的一種有效方法。參考文獻

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