（信号与信息处理专业论文）ldpc码在dmofdm短波通信系统中的应用.pdf

so u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y x um o u l e i s u p e r v i s e db y p r o f 胁l e n a n s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r 2 0 10 研究生签名：聋豸龃日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 期：丝p 墅笙 摘要 摘要 短波通信由于其较强的顽存性、机动性和灵活性等特点，一直备受关注。为了在恶劣的 短波信道中实现可靠的高速率传输，近年来，很多学者都致力于将o f d m 调制技术应用于 短波通信系统。同时，普通的相干检测在信道估计时需要大量的导频信息，极大地影响了短 波通信的传输速率。本文的短波通信系统采用时域差分o f d m 调制技术，在简化系统的同 时提高了传输速率，但另一方面，也给系统实现可靠通信带来极大的挑战。本文将目前最为 流行的l d p c 码应用于时域差分o f d m 短波通信系统，希望系统具有良好的误码率性能。 本文主要做了以下几个方面的研究： 1 ) 介绍了性能最佳的b p 译码算法和复杂度最低的m s 译码算法，给出了其在m d p s k 调制下的性能分析，并分别研究了m d p s k 调制和o f d m 调制下，如何计算用于迭代译码 的初始化信息； 2 ) 较为全面地介绍了l d p c 码的分析和设计工具e x i t 图，总结了基于e x i t 图的 分析方法，并修正了在b d p s k 调制下l d p cv n d 的e x i t 函数： 3 ) 对差分调制下，l d p c 码的几种编码调制系统做了研究比较，并给出了基于e x i t 图 的分析和仿真结果； 4 ) 将l d p c 码的编码调制系统用于d m o f d m 短波通信系统中，分别分析了外迭代反 馈译码和随机交织器在短波信道下对系统性能的影响，并在相同净数据率的情况下，与采用 r c p c m l c 系统的d r m 标准进行了性能仿真比较。 仿真结果表明，采用l d p c 码编码的短波通信系统能够取得不错的性能，但同时也存在 着一些问题需要解决。 关键字：短波通信，低密度奇偶校验码，位交织编码调制，迭代译码，l l r 度量，外 部信息转移图，正交频分复用，差分调制。 t h eo t h e rh a n d ，b r o u g h tt h es y s t e mag r e a tc h a l l e n g et oa c h i e v er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n t h i s a r t i c l ea p p l i e dl d p cc o d e st ot h et i m e d o m a i nd i f f e r e n t i a ld e t e t i o no f d m ( t d d do f d m ) h f c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi na l la t t e m p tt oe n s u r es y s t e mag o o db i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r ，w em a i n l yr e s e a c h e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 ) i n t r o d u c e dt h eb pd e c o d i n ga l g o r i t h mw i t ho p t i m a lp e r f o r m a n c ea n dt h em sd e c o d i n g a l g o r i t h mw i t hl o w e s tc o m p l e x i t y ，a n a l y z e dt h e i rp e r f o r m a n cu n d e rm d p s km o d u l a t i o n ，a n d d e r i v e dt h el l r - m e t r i cf o ri t e r a t i v ed e c o d i n gu n d e rm d p s km o d u l a t i o na n do f d mm o d u l a t i o n ； 2 ) ac o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o no ft h ee x i tc h a n 1p o w e r f u ll d p cc o d ea n a l y s i sa n d d e s i g nt o o l ，s u m m a r i z e dt h ea n a l y s i sm e t h o d sb a s e do nt h ee x i tc h a r t ，a n dm o d i f i e dt h ee x i t f u n c t i o no fl d p cv n du n d e rb d p s km o d u l a t i o n ； 3 ) c o m p a r a t i v e l ys t u d i e d s e v e r a ll d p cc o d e dm o d u l a t i o ns y s t e m sw i t h d i f f e r e n t i a l m o d u l a t i o n , a n dg a v et h ea n a l y s i sb a s eo ne x i tc h a r ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ； 4 ) a p p l i e dt h el d p cc o d e dm o d u l a t i o nt oo u rh f - d m o f d ms y s t e m ，a n da n a l y z e dw h a t i m p a c tt h ei t e r a t i v ed e c o d i n ga n dr a n d o mi n t e r l e a v e r i nt h eh fc h a n n e l so nt h es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n dm a d eap e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt od r ms t a n d a r d sw i t hr c p c - m l cs y s t e ma t t h es a m en e td a t ar a t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh fc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mo fl d p cc o d e dc a n a c h i e v eag o o dp e r f o r m a n c e ，b u ta l s or e m a i n ss o m ep r o b l e m st ob er e s o l v e d k e yw o r d s ：h fc o m m u n i c a t i o n s ，l d p c ，b i c m ，i t e r a t i v ed e c o d i n g ，l l r - m e t r i c ，e x i t c h a r t ，o f d m ，d i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o n i i i 2 2 1 信源编码7 2 2 2 信道编码。8 2 2 3 时域差分o f d m 调制9 2 2 4 信道模型10 2 3 本章小结l l 第3 章l d p c 码原理与编译码算法1 3 3 1 基本理论1 3 3 1 1 基本概念l3 3 1 2 图表示一13 3 1 3 统计表示1 4 3 1 4t a n n e r 图的c y c l e 和g i r t h 一15 3 2 编石马1 6 3 2 1 基于r u 算法1 6 3 2 2 基于l u 分解1 7 3 3 译码算法b p 18 3 3 1 基本过程l8 3 3 2 概率域b p 译码1 9 3 3 3 对数域b p 译码2 0 3 4 译码算法一最小和2 l 3 5 不同调制下的译码初始化2 2 3 5 1b p s k 调制2 3 3 5 2d b p s k 调制2 4 3 5 3 高阶调制2 6 3 6 本章小结2 6 第4 章l d p c 编码调制系统2 7 4 1 性能分析工具2 7 4 1 1 密度进化和高斯近似2 7 v j n v 1 l l 2 3 4 5 7 7 7 tl 目录 4 1 2e x i t 曲线和e x i t 图2 8 4 2l d p c 码的e x i t 图2 8 4 2 1 内置v n d 的e x i t 曲线2 9 4 2 2 外置c n d 的e x i t 曲线3 0 4 2 3 非规则l d p c 码的e x i t 图3 0 4 2 4 基于e x i t 图的性能分析3 1 4 3l d p c 码的b i c m 与b i c m 1 d 系统3 4 4 3 1l d p c b i c m 系统3 4 4 3 2l d p c b i c m i d 系统3 5 4 3 3l d p c b l c m 迭代i 型3 5 4 3 4l d p c b i c m 迭代i i 型3 7 4 4 基于e x i t 图的b i c m i d 系统性能分析3 8 4 4 1 映射方式：迭代l 型的e x i t 图分析3 8 4 4 2 映射方式：迭代i i 型的e x i t 图分析4 2 4 4 3 迭代次数4 4 4 5 本章小结4 4 第5 章l d p c 码用于h f d m o f d m 系统4 7 5 1 基于l d p c 的d m o f d m 系统4 7 5 1 1l d p c 码b i c m o f d m 系统模型4 7 5 1 2d m o f d m 系统的译码初始化4 8 5 2 系统帧结构设计4 9 5 3l d p c 码的构造5 0 5 3 1p e g 算法5 0 5 3 2 基于e x i t 图的码字优化5 2 5 4 仿真结果与分析5 3 5 4 1 短波信道下的迭代系统5 3 5 4 2 交织器的作用5 3 5 4 3 与d r m 系统的性能比较5 4 5 5 室外实验5 6 5 6 本章小结5 7 第6 章总结与展望5 9 6 1 全文总结5 9 6 2 工作展望5 9 参考文献6 l 致谢6 5 作者简介6 7 v i 第l 章绪论 1 1 短波通信概述 第1 章绪论 1 1 1 短波通信的原理及其特点 短波通信又称高频( h i g hf r e q u e n c y ，h f ) 通信，是无线电通信的一种，它利用波长1 0 0 m 一1 0 m 、频率3 m h z - 3 0 m h z 的电磁波进行无线电通信。 短波的基本传播途径有两个：一个是地波，一个是天波。其中，地波传播的损耗随着 工作频率的增高而递增，因而在频率较高的情况下只适合短距离通信。而天波是短波通信的 主要传播途径，它是由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线电 波。电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用。短波信号由天线发出后，经电离层反射回 地面，又由地面反射回电离层，可以反射多次，因而传播距离很远( 几百至上万k m ) ，而且 不受地面障碍物阻挡。但天波很不稳定。在天波传播过程中，路径衰耗、时间延迟、大气噪 声、多径效应、电离层衰落等因素，都会造成信号的弱化和畸变，影响短波通信的效果。 1 9 6 0 年代卫星通信的出现及高速发展使得短波通信的研究一度停滞，但近年来短波通 信又重新被重视，并且得到了广泛的应用，究其原因主要有： 1 ) 短波是不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，而卫星在战时易被干扰或 阻塞，甚至被摧毁而失去通信能力，因此，就通信的顽存性、机动性和灵活性而言，短波通 信具有无可比拟的优越性： 2 ) 短波通信系统的发射功率小、设备简单体积小，通信方式灵活，抗毁性强，技术成 熟，制造简单。以电离层为传输媒质，而电离层基本具有不可摧毁性，传输距离可达数千 k m 而不需要转发； 3 ) 与卫星通信相比，短波通信的运行成本较低。 短波通信同样也存在着一些难以克服的缺点： 1 ) 保密性不强，抗干扰能力差； 2 ) 短波信道是带宽受限的信道，频率资源十分有限，射频频谱拥挤，因此要采用特殊 的调制方式： 3 ) 短波通信主要是利用电离层反射进行远距离通信，而电离层是一种典型的时变传输 介质，存在着许多复杂的时变因素，严重地影响着短波通信的质量。在如此恶劣的信道中传 输信息，且实现可靠通信，必然在数据传输速率上有所牺牲； 4 ) 天线匹配困难，短波对应的波长为1 0 0 m 1 0 m ，研制高效宽带的天线较为困难。 近几十年来，随着人们对电波传播规律认识的逐渐深入，短波通信技术在世界范围内都 取得了长足的进步，大量的新技术也不断涌现，如高速调频和自适应调频技术、高速调制解 东南大学硕士学位论文 调技术、自适应智能化天线、软件无线电等，这些新技术的应用也极大地提高了短波通信的 性能。 值得一提的是，在通信现代化战争中，短波通信在军用远程通信中占据着极其重要的地 位，被广泛应用于传输电报、电话、数据和静态图像。陆地上的作战指挥所要与远处的部队 或海上的军舰进行通信，都要依靠短波电台。因此，研究和发展短波通信及其新技术对我国 的国防、军事以及其它重要领域都是极具意义的。 1 1 2o f d m 技术在短波通信中的应用 短波通信存在的一个主要问题就是如何在恶劣信道中实现可靠的高速率传输，而限制数 据传输速率的主要因素是频率选择性衰落所引起的符号间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 。目前短波通信中的调制技术分为并行和串行两种体制。多音并行调制解调器便是一种 并行体制，它采用多个子载波在短波信道带宽内并发传输信息，每路传输低速码率以克服码 间串扰的影响，但早期的多音并行调制子载波间并不正交。目前正在研制的新一代并行体制 调制解调器采用是正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术【2 】。 o f d m 的主要思想是将信道分成多个正交的子信道( 即每个子信道中采用的调制载波是 正交的) ，将高速数据信号转换成多个并行的低速数据流，调制到每个子信道上进行数据传 输并在接收端予以合并，利用调制信号间的正交性来解调出信号。由于每个子信道的信道带 第1 章绪论 1 ) 由于短波带宽较窄，而通常语音带宽可以压缩至3 k h z ，因此目前串行体制的调制解 调器可以在3 k h z 带宽实现9 6 k b p s 以上的传输速率，但采用o f d m 时，由于子载波个数有 限，需要降低插入导频的密度，这就给信道估计带来一定的困难； 2 ) 如何采用有效的信道编码方式，最大可能地降低由于加入冗余位造成的有效传输速 率的损失； 3 ) 如何解决o f d m 本身固有的一些缺点，一是存在较高的峰值平均功率比( p a r ) ；二 是对载波频率偏移和定时误差比较敏感，对同步要求较高。 1 2 信道编码理论发展回顾 1 9 4 8 年美国贝尔实验室的s h a n n o n 发表了题为通信的数学理论的论文【5 】，奠定了信 息论的基础，也标志着信道编码理论的诞生。s h a n n o n 在论文中提出了著名的信道编码定理， 即对于任意一个无记忆信道，存在一个参数即信道容量c ，当信道传输速率尺小于c 时， 通过一种适当的编码方法，且码长足够长，则采用最大似然译码( m a x i m u ml i k e l i h o o d d e c o d i n g ，m l d ) 时，系统的差错概率可以任意小，即可实现无差错通信。信道编码定理的 提出为信道编码理论指明了方向，可靠性极限香农限也成了各种信道编码技术追逐的目 标。6 0 年来，信道编码理论得到了长足飞速的发展，各种新的编码技术也不断涌现，逼近 香农限已不再是一个遥远的梦想。 2 0 世纪5 0 年代至9 0 年代早期，科学家们的研究主要集中在线性分组码和卷积码。线 性分组码是发展最早的一类纠错码，如1 9 5 0 年汉明发明的h a m m i n g 码、1 9 6 0 年出现的b c h 码、r e e d 和s o l o m o n 提出的用于纠突发错误的r s 码等。线性分组码以近世代数里的群、 环、域理论为基础，利用各种代数方法设计好的纠错码，其编译码结构简单，得到了广泛的 应用。而1 9 5 5 年由e l i a s 提出的卷积码通过引入寄存器可以获得较线性分组码更高的编码增 益。特别是v i t e r b i 译码算法等技术的出现极大地促进了卷积码的应用，直到今天，第三代 移动通信标准( 3 g ) 中，卷积码依然得以使用。另外，在这一时期值得关注的还有f o m e y 于 1 9 6 6 年提出的级联码【6 l ，该方案通过将线性分组码和卷积码相级联，能够在不提高译码复杂 度的前提下显著提高性能。 然而传统的信道编码方式无法在保证复杂度可实现的情况下获得接近香农限的性能，这 使得1 9 9 3 年c b e r r o u 等人提出的t u r b o 码具有开创性的意义【7 1 。t u r b o 码巧妙地将两个简单 的分量码( 采用递归系统卷积码) 通过伪随机交织器并行级联，构造具有伪随机特性的长码， 并通过在两个软a 软, q 4 , ( s i s o ) 译码器之间进行多次迭代实现了伪随机译码。t u r b o 码的性能 远远超过了其它编码方式，因而得到了极大的关注和发展。t u r b o 码的提出对当今的编码理 论和研究方法产生了深远的影响，使得早期基于代数方法的译码方式逐渐被基于概率的软判 决译码方法所取代，信道编码理论的研究也进入了一个新的阶段。同时，逼近香农限变为现 实，这也成为信道编码研究者们不断努力的目标。 低密度奇偶校验( l o w d e n s i t yp a r i t y c h e c k ，l d p c ) 码t s l 无疑是当前最引人关注的一种信 3 则l d p c 码，甚至还优于t u r b o 码，是目前己知最接近香农限的码。 t j r i c h a r d s o n 和r l u r b a n k 也为l d p c 码的发展和应用做出了巨大的贡献。首先， 他们提出了一种接近线性的编码算法，在很大程度上降低了随机构造的l d p c 码在编码上的 巨大运算量和存储量【j 6 】。其次，他们提出了著名的密度演进理论1 1 7 1 ，能够有效地分析l d p c 码集译码算法的译码门限。仿真结果表明，该算法求得的译码门限相当精确。另外，密度演 进理论还可以用于指导非规则l d p c 码的设计，以获得尽可能优秀的译码性能。 m c h i a i n 等人对l d p c 码用于有记忆衰落信道时的性能进行了评估【1 9 】。j h o u 等人研究 了瑞利信道下非规则l d p c 码的优化和分析方法1 2 0 1 ，设计出的非规则l d p c 码有具有优于 t u r b o 码的性能。b m y h e r t 2 1 】提出一种速率自适应l d p c 编码调制的方案用于慢变化平坦衰 落信道，经推广还可用于f e c a r q 系统。 l d p c 码具有巨大的应用潜力，将在深空通信、光纤通信、卫星数字视频、数字水印、 磁光全息存储、移动和固定无线通信、电缆调制解调器和数字用户线( d s l ) 中得到广泛应 用【1 8 】。 f l a r i n o 公司开发的集成了v - l d p c 的f l a s h o f d m 移动无线芯片组己可用于基于i p 的 移动宽带网【2 2 1 。v o c a lt e c h n o l o g i e s l t d 提出了一种用于w l a n 的l d p c 肌f b o 不对称解 决方案，即下行链路采用l d p c 码，上行链路采用t u r b o 码。据研究表明，采用该方案后 用于i e e e 8 0 2 1 1a b gw l a n 移动终端的电池寿命可延长至原来的4 倍【2 3 】。 此外，f l a r i o n 公司还推出了基于f p g a 实现的v e c t o r - l d p c 解决方案，使用了约2 6 0 万门，时钟频率i o o m h z ，最高可以支持5 0 0 0 0 的码长，0 9 的码率，最大迭代次数为1 0 ， 译码器可以达到1 0 g b p s 的吞吐量，其性能己经非常接近香农限，可以满足目前大多数通信 4 波通信 情况， 基带技 析推导 第四章重点研究了l d p c 码的分析工具以及编码调制系统，详细介绍了基于e x i t 图的 分析方法，并优化设计了适合差分调制的l d p c 码编码调制系统： 第五章基于前几章的分析结果，将l d p c 码用于d m o f d m 短波通信系统，通过仿真 和室外测试分析了系统的性能； 第六章总结了本文所做的主要工作并做了总体上的分析，指出了l d p c 码应用于d m o f d m 短波通信系统的优势以及存在的一些缺点，并指出了进一步研究的方向。 5 图2 - ld m o f d m 短波通信系统框图 d m o f d m 系统采用基于p c 机a d 采样的软件无线电设计理念，使用数字化中频作为 其实现方案。在p c 机完成信源编译码，信道编泽码，时域差分调制( 解调) ，o f d m 调制( 解 调) 和同步等基带信号处理过程。 在发射端，首先通过麦克风采集语音信号或者从存储硬盘中读取数据信息( 如文本信 息) ，然后将采样后的语音数据送给信源编码器。其中，声卡采样频率为4 8 k h z ，16 位双声 道量化。系统采用混合激励线性预测( m i x e de x c i t a t i o nl i n e a rp r e d i c t i o n ，m e l p ) 声码器进行 编码后输出帧数据。经过信源编码后的数据通过加入扰码将数据随机化后送给l d p c 编码 器，使信源编码后的数据更适合于信道编码，同时也有利于接收机的载波提取和时钟恢复。 对于中短码长的l d p c 码，采用基于l u 分解的编码方式，其编码复杂度处于可控范围之内。 信道编码器输出的数据经过串并转换后进行时域差分o f d m 调制，基带处理过程完成后， 通过发射电台将基带信号调制到短波的工作频段进行发射。 在接收端，接收电台将接收信号下变频后经声卡a d 采样进p c 机，p c 机完成同步、 解调、信道( 源) 译码等基带处理过程，最后得到接收信息。 2 2 关键模块及技术 2 2 1 信源编码 由于实际的短波通信系统的带宽较低( 本文所用的短波单边带电台其6 d b 带宽仅为 2 7 k h z ) ，且为了保证系统的可靠通信，大量的码元需要用于信道编码，因此本文的短波通 信系统采用低速率语音编码技术。所谓低速率语音编码是指码率在1 2 - - - 4 k b s 的语音编码， 7 东南大学硕士学位论文 是近年来语言编码研究的一个热点。 传统的线性预测( l p c ) 声码器虽然能够在2 4 k b s 速率上提供可懂度较高的语言，但其音 质不够好，缺乏自然度。混合激励线性预澳t j ( m e l p ) 声码器在传统的二元激励l p c 模型基础 上采用混合激励、非周期脉冲、自适应谱增强、傅里叶级数幅度值、脉冲整形滤波等5 项新 技术，使合成音质得到极大的改善，在2 4 k b s 速率上能够提供较好的语音质量，故我们将 m e l p 声码器应用到短波数字通信系统中。 m e l p 声码器的编译码原理框图如图2 2 和图2 3 所示【2 5 】。 输入语音 预处理 高通滤波 量化编码 纠错编码 基音周期 计算 傅里叶级数 幅值计算 发送比特流 图2 2m e l p 声码器编码原理框图 l p c 分析 非周期性 标志 2 2 2 信道编码 图2 - 3m e l p 声码器译码原理框图 1 2 节提到，目前只有t u r b o 码和l d p c 码是实用的好码。本文综合以下几点考虑，采 用当前信道编码技术中研究最热的l d p c 码作为信道编码方案【2 6 】： 1 ) l d p c 码的译码易于硬件实现。由于采用b p 译码，可以实现全并行译码，比t u r b o 码的串行译码具有更快的速度和更低的复杂度； 2 ) l d p c 码具有接近s h a n n o n 限的优异性能。相比于t u r b o 码，其瀑布效应明显，误码 平台较低，而t u r b o 码的错误平层在l o 西量级上； 3 ) l d p c 码具有内在的交织性。系统一般不需要额外添加交织器，因而能够大大降低系 统的复杂度和延时，使用t u r b o 码，特别是在高码率的情况下往往需要尺寸较大的交织器； 4 ) l d p c 码的码字构造较为灵活。可以很方便地构造任意码长、任意码率且性能良好的 l d p c 码字，这点t u r b o 码难以做到，且码率较高的t u r b o 码性能较差； 8 第2 章d m o f d m 短波通信系统 5 ) l d p c 码的理论研究较为成熟开放，而t u r b o 码的理论分析不足，目前还缺乏编译码 复杂度以及误比特率的完整分析； 6 ) l d p c 码作为最先进的信道编码技术，将其用于短波通信系统，具有较高的研究价值。 当然l d p c 码也存在着如下的一些缺点： 1 ) 全并行的译码结构对硬件资源需求比较大，编码比较复杂，更低复杂度的编码算法还 有待研究； 2 ) 码字鲁棒性不强，必须对于特定的系统来优化码字，如系统接收端的检测方式，是 否采用o f d m 调制，仿真的信道类型，等等； 3 ) 构造性能良好的短码长l d p c 码仍然是一个研究难点，故只有在码长比较长的情况， l d p c 码性能上的优势才能充分体现。但另一方面，采用长码又会造成较大的编译码时延。 2 2 3 时域差分o f d m 调制 对于o f d m 系统，在接收端可以采用相干检测或非相干检测来恢复基带信号。一般采 用差分调制时，采用差分检测。相干检测由于必须进行信道估计，以获得o f d m 符号每一 个子载波上的绝对参考相位和幅度，使得系统较为复杂。而差分检测通过比较相连两个符号 的相位来恢复信号，不需要信道估计，因而可以大大简化接收机的结构。同时，避免了由于 插入大量导频所引起的传输效率和信噪比的损失，约l d b 。另一方面，由于没有用户信道信 息，差分检测较相干检测约有3 d b 的性能损失。综合起来考虑，差分检测比相干检测在性 能上差2 d b 左右p j 。 信息比特流 检测输出 力口 c p 星时 i 座 域f s p p s 映差 f 射分 t 1 r 去 一 c p 信道 一 l 解 差 p s 映 分 f j 检 f s p 射 t 测 图2 - 4 时域差分o f d m 调制解调原理框图 o f d m 的差分编码( 对于p s k 调制，即相位比较) 可以在时域进行，也可以在频域进行， 分别称为时域差分o f d m 调制和频率差分o f d m 调制。本文采用时域差分o f d m 调制方 式。时域差分调制是在时域上，通过比较时间上连续两个o f d m 符号在同一子载波传输 符号之间的相位来实现差分编码。时域差分o f d m 调制解调的原理框图如图2 - 4 所示。 9 东南大学硕士学位论文 在发送端，首先对传送的码流进行串并( s p ) 转换，然后将码流根据一定的标记方式映 射为星座图符号。在对每个子载波进行相移键控( p s k ) 调制之前，先进行差分编码，然后通 过对差分编码后的符号做i f f t 运算完成o f d m 调制。对调制后的符号加保护间隔( g i ) ，保 护间隔内的符号也称循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，它是在保护间隔内对o f d m 符号进行周 期扩展。最后进行并串( p s ) 转换，将信息送入信道。接收端去c p 后，依次经过串并转换、 f f t 、差分检测、解映射、并串转换后完成检测。 图2 5 给出了时域差分检测的示意图，它通过求解同一子载波在时域上相邻两个符号的 相位差作为检测依据。如果信道的相干时间足够大，则时间上连续的信道传输函数之间存在 很强的相关性，在不考虑噪声的情况下，可以完全消除信道传递函数因子，但噪声功率会增 大，因而误码率有所增加。 2 2 4 信道模型 t 霎 向 _ 纨一哟蠡_ 矽唿-唿氛蒯隧毪妇嵫 。槐一鸭菇一群翻哟沙饧小堍陵 图2 - 5 时域差分o f d m 调制示意图 无线信道是最为复杂的一种信道，它的衰落取决于无线电传播环境。在无线通信中，发 射信号在传播过程中往往会受到各种物体( 如建筑物、山坡等) 引起的遮挡、反射、绕射和吸 收的影响，使得信号通过多条路径到达接收机，造成多径效应，并导致严重的衰落。 衡量无线信道的指标主要有传播损耗、传播时延、时延扩展、多普勒频移、多普勒扩展、 干扰等等。一般采用广义平稳非相关散射( w i d es e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g ， w s s u s ) 假设来描述时变多径信道【2 6 2 引。广义平稳是指信道冲激响应的自相关函数与时间无 关，只与时间差值有关；非相关散射设是指不同散射体的延迟分布是不相关的。 基于w s s u s 的假定，时变信道的冲激响应可表示为： l ( f ，_ r ) = p , q ( t ) 8 ( r f ( ，) ) ( 2 1 ) k = l 其中，以和r ( f ) 分别是第k 条路径的幅度衰减因子和时延，q ( t ) 是零均值复高斯随机过程， 其幅度i q ( ，) 旧艮从r a y l e i g h 分布，相位( f ) 在( o ，27 r ) 内服从均匀分布，它基本上能够反映电 1 0 第2 章d m o f d m 短波通信系统 离层的变化。 长波和中波均只通过地播传输，长波信道可以用加性高斯白噪声( a w g n ) 信道来建模， 中波信道用莱斯( r i c e ) 或瑞利( r a y l e i g h ) 信道建模。然而短波主要通过电离层的反射即天波来 传播，由于存在多径效应，故短波信道需建模为多径信道。 本文采用d r m 标准【2 9 l 建议的一系列信道，其中信道l 为长波信道，b i a w g n 信道；信道 2 为中波信道，用r i c e 信道建模；信道3 和信道6 分别为典型的短波信道和恶劣的短波信道， 信道的具体参数如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 长波信道和中波信道 长波信道：a w g n ( c h i1中波信道：r i c e ( c h 2 ) p a t h lp a t h 2p a t h lp a t l l 2 时延( a k ) ool m s 路径增益( o k ) 1 o1 o 0 5 多普勒频移( d s h ) 0h z0h z0h z 多普勒扩展( d s p ) oh z0h z0 1 h z 表2 2 短波信道 典型的短波信道( c h 3 ) p a t h lp a m 2p a m 3 p a t h 4 时延( a k ) o0 7 m s1 5 r n s2 2 m s 路径增益( o k ) 1 0o 7o 5o 2 5 多普勒频移( d s h ) 0h zo 2 h z0 5 h z1 o h z 多普勒扩展( d s p ) 0h z0 5 h z1 0 h z2 0 h z 恶劣的短波信道( c h 6 1 p a t h lp a t h 2p a t h 3p a t h 4 时延( a k ) o2 m s4 m s6 m s 路径增益( p k ) 0 5lo 2 50 0 6 2 5 多普勒频移( d s h ) oh z 1 2 h z2 4 h z3 6 i - i z 多普勒扩展( d s p l 0 1h z2 4 h z4 8 h z7 2 h z 2 3 本章小结 对于短波通信系统而言，采用什么样的基带处理技术对系统的性能非常关键，本章中的 短波通信系统尝试采用m e l p 语音编码、l d p c 信道编码和差分o f d m 技术，并通过仿真 以及实际短波电台室外测试的方法衡量系统性能。 本章主要给出了d m o f d m 短波通信系统的系统模型，并简单介绍了m e l p 语音编码 的编译码原理、l d p c 码的优缺点、时域差分o f d m 调制技术的原理以及信道建模技术等 方面的内容。 第3 章l d p c 码原理与编译码算法 第3 章l d p c 码原理与编译码算法 3 1 基本理论 3 1 1 基本概念 l d p c 码由r g a l l a g e r 在其博士论文中首次提出，本质是一种线性分组码，可以通过一 个生成矩阵g 将信息序列映射成发送序列，也就是码字序列。对于生成矩阵g ，完全等效 地存在一个奇偶校验矩阵日，所有的码字序列c 构成了日的零空间，即胁t = 0 。l d p c 码 与传统的线性分组码的区别在于其校验矩阵是稀疏矩阵：它的元素中绝大多数是0 ，只有少 数元素是1 。二元l d p c 码的校验矩阵斌如无特别说明，本文中所涉及到的校验矩阵日均 为行满秩的) 应满足以下4 个条件： 1 ) 每列包含a 个1 ，且a 3 ； 2 ) 每行包含p 个1 ，且p a ； 3 ) a 和p 相对于奇偶校验矩阵日的列数目和行数目非常小，即日的密度很低； 4 ) 任何两行( 列) 中相同位置的l 的数目不超过1 。 条件4 ) 为m a c k a y 补充i l ，他发现此约束条件能有效改善l d p c 码的迭代译码性能。 式( 3 1 ) 给出了一个l d p c 码校验矩阵的例子。 h = l0 0 1 00 ll lo oo ll 0l ol ll lo 0o ( 3 1 ) 如果一个l d p c 码字所对应的校验矩阵各行中非0 元素的个数相等，且各列中非0 元素 的个数也相等，则该码字称为规则l d p c 码。对应地，如果校验矩阵各行或各