【毕业学位论文】空间光通信中LDPC码和PPM调制的迭代解调译码研究

目 录 I 目 录 1 绪论 . 1 究的背景和意义 . 1 间光通信及调制编码技术的研究现状与发展趋势 . 1 间光通信的系统模型和信道模型 . 5 间光通信的系统模型 . 5 间光通信的信道模型 . 6 究意义及内容安排 . 8 2 . 10 . 10 脉冲位置调制 (. 10 脉冲位置调制 (. 12 分脉冲位置调制 (. 12 . 13 号脉冲波形 . 13 射端平均发射功率 . 14 均带宽需求 . 15 时隙率 . 16 率利用率 . 17 . 18 电探测器的输出 . 18 . 19 . 20 种解调方式的性能比较和仿真分析 . 21 结 . 22 3 . 23 . 23 . 23 . 23 则和不规则的 . 24 目 录 二元域和多元域的 . 26 . 26 . 26 . 27 . 28 . 28 . 29 . 31 . 31 . 33 . 37 真过程 . 37 真结果分析 . 38 结 . 39 4 . 40 统模型及译码原理 . 40 . 41 . 42 合迭代解调译码系统的性能分析 . 43 织器对联合迭代解调译码系统性能的影响 . 44 结 . 45 5 总结与展望 . 46 文总结 . 46 来展望 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 附 录 攻读硕士学位期间发表的论文 . 52 1 绪论 1 1 绪论 究的背景和意义 空间光通信 (又被称为大气激光通信或无线光通信，是无线通信和光纤通信相结合的产物。它以激光束作为信息载体，在大气或者真空中传递信息，不需要任何有线信道作为传播媒介。 与无线通信技术相比，空间光通信技术具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与光纤通信技术相比，空间光通信技术则具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点1。 但由于空间光通信的通信距离遥远，功率受限，而且信道容易受到外部环境，如大气或特殊天气的影响，所以到达光电探测器的信号十分微弱，另外背景光、光电探测器的热噪声和散弹噪声等干扰，也会对误码率产生严重影响2。 调制和编码技术作为空间光通信中的关键技术之一，不仅能很好的弥补空间光通信在功率上的不足，而且可以降低误码率，为可靠通信提供保障。 脉冲位置调制 (一种功率效率很高的调制方式，在空间光通信中，采用抗干扰能力强、节省功率的 仅可以提高激光器的发射能量效率，而且其抗信道误码能力、传输速率都有显著增强3。低密度奇偶校验 (是一种性能可以逼近香农限的好码，选用 间光通信可以大大降低系统的误码率，提高通信距离，且不受器件的限制4。 空间光通信、 研究领域，目前已有学者对如何应用 关于如何在空间光通信中联合 2因此本文对 间光通信及调制编码技术的研究现状与发展趋势 (1) 空间光通信的研究现状与发展趋势 电话发 明人贝尔早在120年前就提出过空 间光通信的概念，不过现代意义上的空间光通信始于爱因斯坦的激光理论、受激辐射概念的提出和激光器的诞生。1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生，对空间光通信的研究也开始起步。 1 绪论 2 从上世纪60年代中期开始，对空间光通信的研究已经开展了40多年，大气窗口的光通信研究从一开始就掀起了世界性的热潮。不过限于许多客观因素，如系统技术，器件技术以及大气信道本身的不稳定性等，空间光通信一直没有得到进一步的发展。早期的研究也因为种种条件的限制而 进展缓慢，到后来随着光导 纤维的出现,以及它在技术和实际应用上的大获成功，一度辉煌的空间光通信研究陷入低谷。 随着各种关键器件和关键技术的突破，空间光通信又成为了研究的热点，并且逐渐进入商用化发展阶段。空间光通信的研究大概可以分为以下几个阶段5： 20世纪60年代中期到80年代中期，这20年被认为是概念验证和单元技术研究的阶段。这段时期主要进行了一些关键单元技术的探索性研究和可行性论证，并且建立了一些简单的概念性实验系统：美 国国家航空和宇宙航行局 (在1962年就进行了距离2.6 洲航天局则签订了第一份空间光通信技术研究合同，开始了民用空间光通信的研究；美国海军在此期间进行了空间飞行试验系统的研究，首次成功实现了地面站与飞机之间的空间光通信；中国、俄罗斯、日本以及以色列的宇航机构和军事机构也都成功的进行了大气激光传输的实验。二氧化碳激光器在当时是最可靠和最有效的光源。 20世纪80年代末到本世纪初，是整体系统实验装置的开发、应用和性能测试研究阶段，并且逐步进入到实际应用和全 面发展阶段：加利福利亚的 相隔42公里的山峰间 b/现了空间光通信所具有的通信潜力和技术上的成熟性；日本与美国在1996年联合进行了卫星和地面间的激光通信研究，第一次成功实现了地面与卫星之间的双向激光通信；欧洲航天局也与2001年11月建立了卫星间的激光通信链路，成功的实现了卫星间的光载波双向数据传输。 目前，对于空间光通信的研究已经全面展开，地面短距离固定点间的光通信也有了比较成熟的产品。可以预测空间光通信将在卫星通信、军事通信、全球个人移动通信和宽带介入中占据非常重要的位置。 (2) 空间光通信中调制技术的研究现状与发展趋势 调制与解调是空间光通信中的关键技术之一，目前在空间光通信中主要有两种调制解调系统， 一种是相干调制/外差检测系统9， 另外一种则是强度调制/直接探测 (D)系统10。根据空间光通信特定的光源和大气信道的特性，空间光通信系统多采用 1，应用于 制和脉冲位置调制(此外，空间光通信中经常用到的调制方式还有脉冲间隔调制 (12和多脉冲位置调制 (13。 最初级、最简单的形式，但是它受背景光的影响大，功率效率低，而且信噪比很难提高。光信号经过长距离的大气衰减后已经变的很微弱， 此时 并且通信速率也很难提高，1 绪论 3 难以很好地发挥光通信的频宽优势。这个问题也成为了长久以来困扰各国科学家的一个难题，为了克服这个问题，除了提高激光器件的发射功率外，还需要在通信码率要求越来越高的空间光通信中寻找一种具有更高功率利用率，更好误码特性的调制方式。 在空间光通信系统中，光信号的调制方式选择一般应该遵循以下准则14,15： 光的平均发射功率：限于人眼安全准 则，应该尽可能地降低功率损耗的要求，空间光通信系统对发射端的激光功率提出了非常严格的要求。在以给定的数据率来获得所要求的误码率的前提条件下，依据所需要的平均光功率的大小，可以非常直观地判断调制技术的优劣，需求的平均光功率越小，调制技术就越有效。 带宽效率的要求：应用在空间光通信中的接收机一般都是大面积的光电探测器，这就造成了对接收机带宽的限制。因为大气沿着传输路径会使光波产生多径散射，所以对接收机的带宽提出了更高的要求，拥有较高带宽效率的调制方式成为了我们的优先选择。 具有抗多径散射效应：严重的多径散 射会造成码间串扰，符号的速率越高，由多径散射所引起的码间串扰就越严重。严格意义上说，任何激光脉冲调制技术都会产生码间串扰，然而我们可以通过格型编码、均衡和最优检测等方法来消除码间的串扰。 通过近年来对各种调制方式的研究发现，由 出的脉冲位置调制 (一种适合空间光通信的调制方式，它的抗干扰能力强、能量传输效率高、编码电路简单。相比 以取得较好的平均功率效率。在空间光通信中，如果在给定的激光脉冲重复频率下采用 以利用很小的光平均 功率就达到很高的数据传输率。近年来的研究还发现， 且抗信道误码能力也有显著增强，非常适合于信道噪声复杂且功率受限的空间光通信。国 通信系统中，我国近年来也广泛开展了这方面的研究。 脉冲位置调制是一种功率效率很高的调制方式，对其进行深入地研究具有重大的研究价值和理论意义。首先，在未来的战场上为了提高通信可靠性和通信系统小型化，尽可能地降低通信链路所需要的功率成为了一个主要的技术难点。 一步地提高光脉冲在空间传输的抗干扰能力。深入研究脉冲位置调制技术，将会对未来战场上的光通信系统产生巨大的影响。另外，在一些民用的空间光通信设施中，采用抗干扰能力强、节省功率的 仅可以提高激光器的发射能量效率， 而且其抗信道误码能力、 传输速率都有显著增强。其次，基于空间光通信性价比上的优越性，只要能有效地解决空间大气对激光传输的影响问题，空间光通信将会比光纤通信更具市场竞争力，而脉冲位置调制技术是解决空间1 绪论 4 大气对激光传输影响问题的一个有效手段3。 在国外，美国、欧洲、日本等国家是较早进行空间光通信研究的国家16。美国国家航空和宇宙航行局 ( 统中，对信号光的调制方式曾经有差分脉冲位置 (制和开关键控 (制两种选择，缺点是接收机不可能达到量子极限， 但是它对激光器光源频率稳定性有着严格要求， 标光则采用连续波 (制方式。到了八十年代，美国海军学院 (制出一种用于海岸和海岛之间进行数据和图像交换的空间光通信系统，利用雪崩光电二极管和声光调制接收，具有8 够传递1路视频信号和25路 数据。日本从80年代中期开 始星间激光通信的研究，主要有邮政省的高级长途通信研究所 (光学及无线电研究室和通信研究实验室 (由 号光采用曼彻斯特脉冲调制，信标光则用8 度调制。 束控制等关键技术进行论证和研究，还建立了一套用于地面模拟实验的自由空间模拟装置。英国的设菲尔德大学深入地研究了光无线通信调制技术，并且对各种已经或可能应用于空间光通信的包括 实现了 6。 在国内，随着通信事业的迅猛发展，我国对空间光通信也提出了要求，从70年代起便开始了空间光通信的研究。哈尔滨工业大学、桂林电子工业学院、上海光机所、成都光机所、成都电子科技大学、北京大学、华中科技大学等科研单位对空间光通信的调制解调技术研究较多。2000年11月，桂林电子工业学院通信工程系在水下潜艇与飞机的光通信系统中应用 且采用单片机完成了编码，其硬件实现电路简单。华中科技大学提出了一套完整的空间光通信系统实现方案，调制技术所采用的是 D，在光的调制之后和解调之前均增加了 导体光放大器），可以把光至少放大10 。 从国外和国内的研究现状可以看出，应用于水下或深空星际间激光通信中的 外也将该技术应用到了实际的系统中，并且取得了性能良好的实验数据，但是应用于空间光通信系统中的 其在国内只有很少的科研单位涉及到 这一领域的研究中。因此， 应用于空间光通信系统中的且是一个较新的研究领域。 (3) 空间光通信中编码技术的研究现状与发展趋势 目前应用于空间光通信领域的编码主要有里德 有效的差错控制编码之一，它可以纠正随机错误和突发错误，特别适合突发错误的纠正。 动通信系统和数字卫星1 绪论 5 电视等方面。它最主要的特点之一是码元取自 GF(q)上，生成多项式的根也在 GF(q)上，可以看出 在译码时不能够充分地利用软信息，编码增益无法得到进一步地提高。1993年 7，2004年 u， 8。另外 在 它通过巧妙地将卷积器与随机交织器组合在一起，实现了随机编码思想，同时采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。 能在给定误符号率与误比特率的情况下，极大地降低所需发送的信号能量，使得即使在能量受限的信道中通信系统仍然可以保持可靠通信能力，系统也因有效的降低发射激光能量而延长了寿命， 如 误平层”效应并不适合误码率非常低的情况，而且在出现块差错的情况时它的性能会变得很差。自从1993年被发明以来， 可以容忍译码时延的空间光通信来说， 洲航天局发射的 空局也在其它的航天任务中选择了 如与彗星会合的罗塞塔 (美国国家航空和宇宙航行局 (使用了 一个使用这种编码的是火星轨道探测器。 在采用较低译码复杂度的 9。 于当时的计算机和硬件水平，对 到 引发 了国际范围内的研究热潮，期间取得了一系列令人瞩目的研究成果并开始转入实用化。由于 硬件上可以实现编译码，这些优点使得它在空间光通信领域的应用吸引了众多学者的研究兴趣。其中喷气推进实验室 ( J. 们提出的被空间通信系统咨询委员会 (准正式成为空间光通信编码的建议标准。 间光通信的系统模型和信道模型 间光通信的系统模型 在通信系统中，根据信道中传输的是数字信号还是模拟信号，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信因为抗干扰能力强、易于加密、便于差错控制、1 绪论 6 可以综合传递各种信息以及便 于使用现代数字信号处理等 优点而广泛应用于现代通信中。本文的空间光通信系统就是数字通信系统。 空间光通信系统的基本目的是把信息从信源安全、可靠和及时的传送到信宿，因此一个空间光通信系统必须可靠和有效。 一般通信系统中用误比特率 (衡量可靠性，用信息传输速率 道符号来度量有效性。 最开始人们普遍认为可靠性和有效性不可能在通信系统中兼得，一方的改善必须以牺牲另一方为代价，并指出当功率受到限制时，在有干扰的通信信道中要实现任意小错误概率的信息传输，只有将信息传输速率降到零这一种办法20。香农在1848年发表的关于信息和编码理论的重要论文“通信的数学理论”中，第一次阐述了在有干扰信道中实现可靠通信的途径，指出实现可靠又有效地传输信息的办法就是通过信道编码。 在空间光通信系统中，一般采用信源编译码器来提高传输速率，即提升通信的有效性。通过使用信道编译码器来降低差错概率，即提高通信的可靠性。另外根据有些系统出于对传输信息的保密性要求，会添加加密器和解密器，一般情况下，无特殊要求的光通信系统不使用加密器和解密器。使用调制器的目的是为了将信道编码送出的信息序列通过调制器变换成适合信道传输的信号。间光通信的系统模型 空间光通信系统的工作原理：出的光信号在空间中会受到背景光的干扰；信号被转换成电信号，电信号经过放大等后续处理后经过解调器解调，送入译码器译码，最后还原出原来的信息。 间光通信的信道模型 在进一步研究空间光通信系统的性能前，我们先对空间光通信系统的信道模型做一个理论分析。 空间光通信的信道中存在着各种各样的干扰，比如背景光干扰、光信号损耗和对准误差等，因为这些干扰，使得到达光电探测器的光子数是随机的。光信号到达光电探测器后被转换成电信号，有些干扰在光电转换的过程中产生，比如热噪声和量子噪声。因1 绪论 7 为这些干扰的存在，使得光电探测器输出的电信号是一个复杂的随机过程。 在空间光通信中，因为光电探测器接收到的光信号功率一般很低，所以光电探测器一般选择增益高的雪崩光电二极管 (光电倍增管 (在选用 间光通信的信道模型根据所选用的光电探测器不同而有所区别，假定不考虑光电探测器的热噪声，即光电探测器是散弹噪声限。如果选用 信道模型是高斯模型 ；如果选用光电倍增管 (为光电探测器，则信道模型是泊松模型21。 下面分别对高斯信道模型和泊松信道模型做一个分析与介绍。 (1) 加性高斯白噪声信道模型 高斯随机过程是一种十分重要且普遍存在的随机过程，高斯噪声是指存在于通信系统中的某些数字特征或统计特性符合高斯过程的数字特征或统计特性的噪声，它的概率密度函数为38： ()()22221 (式中： a 为噪声的均值， 为噪声的均方差。 白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声，严格地说，白噪声只是一种理想化模型，因为实际噪声的功率谱密度不可能具有无限带宽，否则它的平均功率将是无限大，在物理上是不可能实现的。然而白噪声在数学处理上很方便，它是系统分析的有力工具。一般情况下，如果一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。例如，热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。高斯白噪声的信道模型就是信道中所有噪声的作用可以等效为一个高斯分布的过程，而其功率谱密度具有白噪声的特点或可近似看作白噪声。斯信道实现框图 (2) 泊松信道模型 在 个 个时隙中只有一个时隙上有光脉冲，当光脉冲经光信道传输到光接收机时，背景辐射和光脉冲的部分能量一起被接收机接收，并且通过光电转换将接收到的光信号转变成电信号。在不考虑接收机的热噪声，即假定接收机是散1 绪论 8 弹噪声限的情况下，基于电压的统计特性可以直接用光电子记数统计特性来描述，此时的光电子记数模型应该服从泊松分布。 设无光脉冲时隙上由背景辐射引起的平均记数， 为有光信号脉冲时隙上的平均记数，其中光信号脉冲引起的平均记数。则第 j 个 i 个时隙上有光脉冲和无光脉冲时的软输出概率密度函数为21,22： ()( )( )!+= ()( )! (通过将 () ()除能够算出第 j 个 i 个时隙的似然函数，即泊松信道模型中的似然函数形式： ()()+= 1 (究意义及内容安排 空间光通信、 研究领域。对于空间光通信系统来说， 低系统的误码率，是改善空间光通信系统性能的关键技术之一。目前已经有学者对如何应用 关于如何在空间光通信系统中联合 2因此本文对 研究中得出的结果为如何在实际中改善空间光通信系统的抗干扰能力，实现更好的无线传输提供了一种可能。 下面简要介绍本论文各章的主要内容： 第一章 绪论 主要介绍了本课题的研究背景和意义、空间光通信及调制编码技术的研究现状与发展趋势、空间光通信的系统模型和信道模型。 第二章 先介绍了 重点研究与比较了 均带宽需求、误时隙率和功 率利用率等方面的性能差异，并分别在 接下来介绍了 对它们的性能在计算机上进行了仿真分析。 第三章 绪论 9 第一节主要从 则和不规则的元域和多元域的 为 且校验矩阵的结构对 以在接下来的第二节中主要对校验矩阵的的构造方法进行了介绍。第三节和第四节分别研究了 中编码算法主要包括传统编码算法和 译码算法则分别研究了 第五节中重点研究了 与相应码长、码率的 第四章 对 上，深入地研究了一种 一 节主要介绍了新方案的系统模型及其译码原理。第二节主要分析了新方案对空间光通信系统性能的影响，并将联合迭代解调译码系统与单独解调译码系统的性能进行了比较。第三节主要研究了交织器对联合迭代解调译码系统性能的影响，并利用计算机仿真比较了加入交织器前后联合迭代解调译码系统性能的变化情况。 第五章 总结与展望 对全篇论文进行了简单的总结，并对下一步要进行的工作进行了展望。 2 0 2 空间光通信系统中，由于功率资源受限，调制方式一般采用功率利用率高的脉冲位置调制 ( 能够正常解 调，具有良好的抗干扰能力。对实用化的空间光通信系统而言， 章主要研究了 在计算机上对 较了它们在空间光通信系统中的性能差异。 脉冲位置调制中，信息是由光脉冲所在的位置表示的。目前脉冲位置调制主要有以下三种形式：单脉冲位置调制 (多脉冲位置调制 (差分脉冲位置调制(本章重点研究了单脉冲位置调制对空间光通信系统性能的影响。 脉冲位置调制 (在单脉冲位置调制中， 一个连续输入的二进制信息序列会被分成 n 比特一组， 这 n 比特信息将被映射到由时隙组成的时间段上的某一个 时隙上。每个像这样由时隙构成的时间段被称为一个信息帧。信号在特定的时隙被发射端以光脉冲的形式发射出去，接收端探测到光脉冲后会 先判断信号所属的时隙，然 后将信号恢复。一个 余位都为0。假如一个信息帧中用来传递信号的时隙数为则所传送信息的比特为 n 。如果用 ( ),21来表示 n 位数据组， 1 将光脉冲所在的时隙记为 l ，则 可写成27： += (一个 4 与 l 的关系为： 若 ()0,0=M ，则 0=l ； 若 ( )0,1=M ，则 1=l ； 若 ()1,0=M ，则 2=l ； 若 ( )1,1=M ，则 3=l 。 0、1、2、3分别与脉冲所在的时隙 位置相对应，中表脉冲功率，时隙长度。 (定的映射是一一映射，满足对调制唯一性的要求。 - 源比特 （m 2，m 1） 4l 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 2 1 1 0 0 0 1 3 - 源比特 (m3，m 2，m 1) 8l 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 3 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 4 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 5 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 6 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 7 2 2 脉冲位置调制 (单脉冲 位置调制是将 n 比特信息映射到由时隙组成的时间段上的某一个时隙上， 而多脉冲位置调制是将 n 比特信息映射成由 个时隙上，如果 2=P ，则为二脉冲的 为： (M,2)M,2)2P 分别表示 们可被描述为28,29： ()( ) ( ) ( )1,0,1,1,0,21121= (在脉冲位置调制中，调制好的信号是一种时间序列，脉冲位置可看作是时间先后的不同，在多脉冲位置调制中，各个脉冲有着不同的特征，比如选取不同的脉宽或电平值。按照多个脉冲的排列或组合不同， 这里将不作介绍。 分脉冲位置调制 (差分脉冲位置调制是单脉冲位置调制的一种简单改进30。对于一个单脉冲位置调制信号，它的位数固定为 L ，其中只有一位为1，