（通信与信息系统专业论文）多进制超相移键控调制—mhpsk在卫星通信中的应用.pdf

摘要在卫星通信中，由于卫星信道是典型的非线性信道，经常使用等能量符号的调制方式以便非线性放大器能以最小的功率回退工作在线性区内。本文将一种新型调制方式多进制超相移键控调制( m h p s k ) 应用到卫星通信系统中，针对卫星通信系统的抗噪声性能和非线性失真问题展开研究。本文首先简单介绍了d v b s 2 系统的编码和调制技术，详细介绍了d v b s 2系统中l d p c 编解码的原理和采用的四种调制方式的软信息提取方法。随后重点研究了多进制超相移键控调制的原理，m h p s k 是一种频谱效率高的调制方式，它用四个正交基函数增加空间中不同符号间的距离，与其他调制方式相比，在相同的比特信噪比下降低了比特错误率。接下来介绍了16 h p s k 、3 2 h p s k 和6 4 h p s k调制的星座映射方案，对其传输系统性能进行了计算机仿真，并且分析了m h p s k的频带利用率。进一步，推导了其软判决的方法，并给出了1 6 h p s k 、3 2 h p s k和6 4 h p s k 的软解调算法，然后对m h p s k 系统的性能进行了计算机仿真，并将其与d v b s 2 系统性能进行比较。仿真结果说明，与d v b s 2 标准性能相比有较大的提高。最后，推导了1 6 h p s k 、3 2 h p s k 和6 4 h p s k 的峰均比且进行了功率回退仿真，结果表明，由于m h p s k 的符号是等能量的，适合应用到信道是非线性的卫星通信系统中。关键词：卫星通信软解调多进制超相移键控非线性信道功率回退a b s t r a c ti ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，t h eu s eo fe q u a le n e r g ys y m b o l si sp r e f e r r e ds ot h a tt h en o n l i n e a ra m p l i f i e rc a l lo p e r a t ei ni t sa p p r o x i m a t e l yl i n e a rr a n g e 、耐也m i n i m a lb a c k o f f , b e c a u s et h es a t e l l i t ec h a n n e li sat y p i c a ln o n l i n e a rc h a n n e l i nt h i st h e s i s ，an e wm o d u l a t i o nt e c h n i q u e - - m a r yh y p e rs k rk e y i n g ( m h p s k ) i sa p p l i e dt os a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，a n das t u d yh a sb e e nm a d ea b o u ta n t i n o i s ep e r f o r m a n c ea n di s s u e so fn o n 。l i n e a rd i s t o r t i o ni ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o i l s t k sp a p e rd e s c r i b e st h ec h a n n e lc o d ea n dm o d u l a t i o nt e c h n i q u eb r i e f l yf i r s t ,i n t r o d u c e sl d p ce n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r i n c i p l ea n da l g o r i t h m si nd e t a i l ，a n dr e s e a r c h e st h es o f t i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nm e t h o do ff o u rk i n d so fm o d u l a t i o n su s e di nd v b s 2s y s t e m t h e n , t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep r i n c i p l eo fm 时p s km o d u l a t i o n m h p s ki sas p e c t r a le f f i c i e n tm o d u l a t i o nt e c h n i q u et h a tu s e sf o u ro r t h o n o r m a lb a s i sf u n c t i o n st oi n c r e a s et h ed i s t a n c eb e t w e e nd i f f e r e n ts y m b o l si nt h es i g n a ls p a c e ，s oi to f f e r sa ni m p r o v e m e n ti nb i te r r o rp e r f o r m a n c eo v e ro t h e rm o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rt h es a m ea v e r a g ee n e r g yp e rb i t t o - n o i s ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t yr a t i o n n e x t ，t h ec o n s t e l l a t i o nm a p p i n gm e t h o d sf o r16 一h p s k 、3 2 - h p s ka n d6 4 一h p s ka r ei n t r o d u c e d、玩mt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e i rp e r f o r m a n c ea n da n a l y s i so ft h e i rs p e c t r a le f f i c i e n c y f u r t h e r m o r e ，s o f t d e m a p p i n gm e t h o do f16 - h p s k 、3 2 一h p s ka n d6 4 - h p s ki sp r o p o s e d 谢t ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h e i rp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sc o m p a r e d 埘也p e r f o r m a n c eo fd v b s 2s y s t e m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tag r e a ti m p r o v e m e n te x i s t si nt h ep e r f o r m a n c eo fn o i s er e s i s t a n c e n e x t , t h ep e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i oo f16 h p s k 、3 2 - h p s ka n d6 4 - h p s ki sr e s e a r c h e d f i n a l l y ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o no fa m p l i f i e rb a c k - o f fo fm 艄 p s ka r ed o n ei nn o n l i n e a rc h a n n e l n l er e s u l t ss h o wt h a tm h p s ki ss u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o nt os a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sw h o s ec h a n n e li sn o n - l i n e a r , d u et ot h ee q u a le n e r g ys y m b o l so fm 肿s k k e y w o r d s ：s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ss o f t d e m a p p i n gm h p s kn o n 1 i n e a rc h a n n e lb a c k - o f f西安电子科技大学学位论文独创性( 或创新性) 声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：盆塔。西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交的论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他的复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：蛊：堡垒导师签名：第一章绪论第一章绪论本章首先讲述了本论文的研究背景，然后介绍了卫星通信系统的传输体制和信道容量，最后阐述了本论文的工作和内容安排。1 1研究背景卫星通信的特点【1 】【2 】【3 】是：通信距离远、覆盖地域广、不受地理条件限制、通信容量大、可靠性高等。2 l 世纪的卫星通信将向更高频段、更大容量，更快速度，更强保密性的方向发展【4 】。因为具有如此多的优点，卫星通信系统已经成为世界电信结构中的重要部分，并一直为全球几十亿人提供着电话、数据和视频服务。其中数字卫星视频广播中的典型传输体制就是d v b s 和d v b s 2 。d v b s 是欧洲数字电视广播( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ，d v b ) 组织发布的第一个标准【5 l ，自1 9 9 4 年公布以来已广泛的应用于全世界的广播电视业务中。近几年，伴随着数字通信领域中纠错编解码技术和调制解调技术的突破性进展，同时由于服务商和用户对卫星通信提供更大容量和更多新业务的需求不断增长，d v b 组织于2 0 0 4 年公布了针对卫星宽带业务的第二代标准d v b s 2 【6 j 。该标准目前己被国际电信联盟和欧洲电信标准协会采纳为正式标准，作为全球卫星数字电视通用标准。与d v b s 标准相比，d v b s 2 标准有系统效率高、资源利用充分等优势，d v b s 2 标准的目标是实现最好的信号传播性能以及完整的系统灵活性和合理的接收机复杂性。然而卫星信道是典型的非线性信道r 7 1 ，这就要求所用的调制方式包络恒定( 或包络起伏很小) ，所以在数字卫星系统中常采用多进制相移键控( m a r yp h a s es h i f tk e y i n g ，m p s k ) 调制。随着数字宽带卫星业务量的增大和系统容量的扩展，频谱带宽资源越来越紧张，信号的传输将考虑采用高阶调制方式用来提高频带效率，但是较高频谱效率的调制方案要求更高的信噪比。随着卫星通信技术的飞速发展以及人们对无线数据业务需求的快速增长，无线数据传输需要频谱利用率高和抗噪声性能好的传输方式。因此在卫星通信系统中，调制方式的选取对于整个系统性能起着至关重要的作用。2多进制超相移键控调锖l j - - m h p s k 在卫星通信中的应用1 2 卫星通信系统传输体制和信道容量1 2 1 卫星通信系统的传输体制卫星通信系统传输过程如图1 1 所示：图1 1 卫星通信系统信号传输过程简单的说，卫星系统中信源编、译码器的目的在于提高通信的有效性；而信道编、译码器的目的在于提高通信的可靠性，即降低差错率；信道是传递消息的通道，是从信源到信宿之间传递物理信号的传输介质和设备。下面将详细介绍各模块的功能：1 信源编码与译码信源编码【2 】有两个作用：一是减少码元数目和降低码元速率，码元速率直接影响传输所占的带宽，而传输带宽又直接反映了通信的有效性；二是当信源给出的是模拟信号时，将其转换成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。模拟信号数字化有四种方式：脉冲编码调制( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，p c m ) 、差值编码( d p c m ) 、自适应差值编码( a d p c m ) 、增量调制( 厶m ) 。此外对于视音频信号来说，信源编码的另一个重要功能是对转换过来的数字信号再次进行压缩编码和码流复用，以便在保证一定视听质量等级的前提下，尽可能降低数字信号的传输速率，减轻后续传输和存储过程的压力。信源译码是信源编码的逆过程。2 信道编码与译码数字信号在信道中传输，由于受到各种噪声、衰落以及干扰的影响，会引起差错。为了减小差错，信道编码器对传输中的信息码元按照一定的规则加入保护成分，组成通常所说的“抗干扰编码”i s 。译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。由于信道编码加入了冗余比特，实际传输的数据速率比信息码流大，因此信道编码实际是以牺牲信道传输效率为代价换取传输的可靠性。3 调制与解调数字调制【2 】【9 】就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。常用的数字调制方式有振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移键第一章绪论3控f f s k ) 、差分相移键控( d p s k ) 以及正交振幅调制( q 6 峋。不同的调制方式，其信道传输效率( 即每h z 物理信道可以传输的比特数量) 不一样。总体上说，在其它条件( 如纠错编码方式) 相同的情况下，高阶调制的信道传输效率更高，但对发送功率要求也更高。接收端可以采用相干解调或非相干解调还原为数字基带信号。对高斯噪声下的信号检测，般用相关接收机或匹配滤波器实现。在上述的处理过程中，信源编码主要与信源和信息码流的特性有关，而信道编码和调制则与信道物理特性关系紧密。针对前者的有关规定称为信源编码和数字压缩编码体制，针对后者的有关规定则称为传输体制。本文是以d v b 。s 2 为例研究卫星通信系统的的传输体制。1 2 2 通信系统的传输容量信道容量1 2 j 是指信道中信息无差错传输的最大速率。假设输入信号为x ( t ) ，信道加性高斯白噪声为n ( t ) ，则信道输出为：j ，( f ) = x o ) + 玎( r )( 1 一1 )式中，输入信号x ( t ) 的功率为s ，信道噪声n ( t ) 的功率为n ，n ( t ) 的均值为零，方差为仃。2 ，其一维概率密度函数为：砌，= 丽1e x p ( - 寿m 2 ，对于频带限制在b ( 1 - l z ) 的输入信号，按照理想情况的抽样速率2 b 对信号和噪声进行抽样，将连续信号变为离散信号。此时连续信道的信道容量为：c ：= 一m a x 胁i ( x , y ) r b m ( 。r 一x ) 罂 2 b 一日圳p( 1 3 )= m a ) 【 h ( n 一、。当x 服从均值为零，方差为叮2 的高斯分布时，h ( x ) 和h ( 可获得最大熵：日( x ) = 一1 p ( x ) l o g p ( x ) d r = l 0 9 2 1 2 z r e n蛔( 1 4 )，m _日( y ) = 一1 。p ( y ) l o g p ( y ) a y = l 0 9 2x 2 z r e ( s + n )q连续信源的相对条件熵为：m ( r x ) - - - e p ( x ) d x e p ( y l x ) l 。g p ( y x ) d y= 一e p ( x ) 出e p ( 刀) l 。g p ( 胛) 砌( 1 5 )= 一e p ( 刀) l o g p ( n ) 如：l o g ：厨：日( ，z )4多进制超相移键控调制一m h p s k 在卫星通信中的应用所以连续信道的信道容量为：c = m a ) 【 日( y ) 一日( 】，x ) 2 b= il 0 9 2 、2 r c e ( s + ) 一l 0 9 2x 2 r c e ni 2 b_ 1 0 9 2 f 、伴1 2 b ( 1 - 6 )y“，c 、= b l 0 9 2 il + 告i ( b s )v 这就是1 9 4 8 年现代信息论的奠基人s h a n n o n 博士在其经典论作通信的数学原理【1 0 】一文中提出的著名的香农( s h a n n o n ) 信道容量公式，简称香农公式。香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。针对不同的条件，香农公式有很多推导公式。不过对于卫星通信，式( 1 - 6 ) 已经完全能够说明问题了，它明确指出了在给定的信道带宽b 上实现信息速率r = c的数字信号无误码传输所要求的最小信号噪声功率比s n ；或者反过来说，s h a n n o n公式明确指出了在给定的信道带宽b 和接收信噪比s n 条件下，系统能够实现无误码传输最大允许的信息速率r = c 。香农公式给出了通信系统所能达到的极限信息传输速率，达到极限信息速率的通信系统称为理想通信系统。但是香农公式只证明了理想通信系统的“存在性 ，却没有指出这种通信系统的实现方法。因此，理想通信系统的实现还需要我们不断努力。尽管如此，香农公式仍然具有重要的现实意义。一方面，作为一个理论上的奋斗目标，它已经成为衡量一种纠错编码或传输体制性能优劣的标尺；另一方面，香农公式给人以重要的启发，对于给定的信道容量c 来说，信道带宽b 、信号噪声功率比s n 及传输时间三者之间可以相互转换。若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然，如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少。1 3 本文的论文安排在卫星通信系统中，拥有较低误比特率和抗非线性的调制方式是数据传输所需要的。本文正是针对误比特率和非线性问题，选取新型的调制方式即多进制超相移键控调制，将其应用到卫星通信系统中，进行了性能仿真，并与d v b s 2 系统性能进行比较。第一章绪论。本章介绍了本文的研究背景，简要介绍了卫星通信系统的传输第一章绪论5体制和信道容量，并给出了本论文具体安排。第二章d v b s 2 系统编码与调制技术。本章详细介绍了d v b s 2 系统中l d p c编解码的原理与算法，简单阐述了d v b s 2 系统中各种调制方式的星座映射方案，最后重点研究了d v b s 2 系统中调制的软信息提取方法，为第四章的计算机仿真做好铺垫。第三章多进制超相移键控调制姗s k 。本章介绍了一种新型的调制方式：多进制超相移键控调制，详细阐述了m h p s k 的调制原理，介绍了1 6 h p s k 、3 2 h p s k 和6 4 一h p s k 的星座映射，并进行了计算机性能仿真和频带利用率的分析和推导。第四章m h p s k 系统与d v b s 2 系统的性能仿真和比较。本章给出了m h p s k调制的软判决方法，进行了计算机性能仿真，并和d v b s 2 系统进行了比较，仿真结果表明与d v b s 2 系统相比，性能有较大幅度的提升。除此之外，还推导了m h p s k 的峰均比，介绍了非线性高功率放大器模型，分析了3 2 h p s k 和6 4 h p s k调制在非线性信道下的性能，并进行了功率回退仿真。第五章结束语。对全文内容进行相应的回顾和总结，并结合目前的研究进展，指出了进一步研究工作的方向。第二章d s 2 系统编码与调制技术7第二章d v b s 2 系统编码与调制技术本章首先对l d p c 码做了简单介绍，随后研究了d v b s 2 系统中l d p c 的编解码原理与算法，然后阐述了d v b s 2 系统中的调制映射方案，最后重点研究了d v b s 2 系统中所用调制方式的软信息提取方法。因为本文是将m h p s k 应用到卫星通信系统中和d v b s 2 系统性能进行的对比，所以介绍d v b s 2 系统的编码和调制技术是很有必要的。2 1d v b s 2 系统中l d p c 编解码原理2 1 1l d p c 码简介l d p c 码全称是低密度奇偶校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e s ，l d p cc o d e s ) ，是r o b e r tg g a l l a g e r 在1 9 6 2 年提出的【1 1 】。名称来源于其校验矩阵是一种稀疏矩阵，即矩阵中非零元素的个数远远小于零元素的个数，或者矩阵的行重和列重与码长相比是个很小的数。正是由于校验矩阵是低密度矩阵，才能够构造出具有低复杂度、高性能的l d p c 码。自从s h a n n o n 提出信道编码定理以来，编码研究者一直致力于寻找性能上尽可能地接近s h a n n o n 极限，而复杂度又较低的可以实现的信道编码方案。可惜的是传统的纠错码都不是实用的好码【1 2 1 ，例如采用v i t e r b i 译码的卷积码是好码，但是其译码复杂度随约束长度的增加呈指数增加。采用序列译码的卷积码复杂度与约束长度无关，但是其可靠传输速率只能达到截止速率( c u t o f fr a t e ) ，不能接近信道容量。t u r b o 码的性能接近s h a n n o n 极限，t u r b o 码是简单卷积码的并行级联，编码简单，译码利用m a p 算法、l o gm a p 等算法实现最佳译码，实现复杂度低，其编码译码复杂度是码长的多项式形式，且在接近信道容量时可实现任意可靠的通信。然而t u r b o 码也有其缺点：由于交织器的存在，其译码复杂度相对较大，译码时延长；由于低码重码字的原因，在高信噪比时存在错误平台现象。与t u r b o 码相比，l d p c 码具有描述简单、译码复杂度低、可以并行实现、实用灵活以及具有较低的错误平台等优点。l d p c 不同于传统的纠错码，它是一种实用的好码，其在a w g n 信道下的性能接近s h a n n o n 极限且实现复杂度低。与以上介绍的t u r b o 码的复杂构造原理不同，l d p c 码是线性分组码，提高线性分组码纠错能力的根本方法在于尽可能增大码字间的最小汉明距离，而增大最小汉明距离以；。的方法就必须依据线性分组码的8多进制超相移键控调制一m h p s k 在卫星通信中的应用特性进行操作。线性分组码有如下特性：( 1 ) 线性分组码的纠错能力取决于码字之间的最小汉明距离以；。；( 2 ) 线性分组码由生成矩阵g 或监督矩阵h 唯一确定；( 3 ) 比钿是h 矩阵中线性相关列的最小数目；( 4 ) 以h 是g 矩阵的最小行重。根据所述分组码的特性，增大最小汉明距离丸；。有两种选择：一是尽可能增大h 矩阵线性相关列的最小数目或g 矩阵的最小行重；二是增大码字长度。接下来说明l d p c 码是如何增大h 矩阵中线性相关列的最小数目的。在二进制矩阵中( 每个元素是0 或1 ) ，如果列线性相关，那么说明在相同的位置上出现偶数个l 的交叠。可以想象，如果h 矩阵中1 的数目很多，也就是说很稠密，那么在同一行上出现交叠的概率就很大，这样就很容易使各列之间产生线性相关。相反，如果h 矩阵中l 的数目很少，也就是说很稀疏，那么很容易把不同列上的1 分散到不同的行上，这样就会减少交叠的概率，从而减弱了各列之间的相关性，增大了线性相关列的最小数目。除此之外，分组码的译码复杂度与码长成指数关系，当码长增大到一定程度后译码复杂度的增加将是不可控制的，无法在实际中应用。而l d p c 码不同，由于其奇偶校验矩阵的稀疏性，使它存在高效的译码算法，其译码复杂度与码长成线性的关系克服了分组码在码长较长时所面临的巨大译码计算复杂度问题，使长编码分组的应用成为可能。而且，由于校验矩阵的稀疏特性，在长编码分组时相距很远的信息比特参与统一校验，这使得连续的突发差错对译码的影响不大，编码本身就具有抗突发差错的特性。此外，这种编码方案不需要引入交织器因而没有因交织器的存在而可能带来的时延。正是由于有如此突出的优势，l d p c 码很适合应用到需要强抗干扰能力的卫星通信系统中。下面简单介绍一下t a n n e r 图和l d p c 码的分类。l d p c 码除了用校验矩阵表示外，还可以用双向图模型表示【1 3 】【1 4 】，其中t a n n e r图表示是比较方便的一种，可以形象地刻画l d p c 码的编译码特性。l d p c 码的二分图表示最早是t a n n e r 于1 9 8 1 年在i e e e 上发表的题为“ar e c u r s i v ea p p r o a c ht ol o wc o m p l e x i t y c o d e s ，【1 5 】的文章中提出的，这里就不做详细的介绍了。l d p c 码的分类方法有很多种，可以根据校验矩阵的不同特点进行分类。例如：规则码和非规则码，二进制l d p c 码和多进制l d p c 码，l d p c 分组码，l d p c 卷积码和广义l d p c 码。这一小节只简单介绍规则码和非规则码。如果校验矩阵中每行的非零元素的个数相同，每列的非零元素的个数也相同，这样的l d p c 码称之为规则码。与规则码相反，如果校验矩阵中每行的非零元素的个数不相同，或者每列的非零元素的个数不相同，这种l d p c 码称之为非规则码。第二章d v b s 2 系统编码与调制技术9经研究，只要选择合适的码度数分布，非规则码的性能优于规则码，采用优化的度数分布的非规则l d p c 码性能已经接近香农极限甚至已经超过t u r b o 码【1 6 1 【17 1 。非规则码的性能优于规则码，在论文【1 8 】【1 9 】中已经进行了详细的解释。在整个译码过程中，从变量节点的角度出发，与之相连的校验节点越多越好，变量节点的度数越大，它就能得到更多的信息，更加准确地判断出它的值。从校验节点的角度出发，恰恰相反，与校验节点相连的变量节点越少越好，校验节点度数越小，它能给相连的变量节点提供的消息的置信度就越高。由于变量节点和校验节点的总边数是相同的，对于这两种矛盾的要求，非规则码可以更灵活地实现折中，这也是很多系统采用非规则码的原因。在非规则码的译码过程中，度数高的变量节点接收到的置信消息多，可以迅速实现译码，它们可以给相连的校验节点传送更加有效的信息，而这些校验节点又可以给与它们相连的度数更小的变量节点更多的信息，从而产生波浪效应。度数高的变量节点首先正确译码，接着是度数稍低的变量节点，然后是度数更低的，如此继续下去，直到译出所有的变量节点。正式基于以上分析，为了提高编码效率，d v b s 2 系统采用了非规则l d p c 系统码即扩展非规则重复累积( e x t e n d e di r r e g u l a rr e p e a ta c c u m u l a t e ，e i r a ) 编码。2 1 2d v b s 2 系统中l d p c 编码原理d v b s 2 系统优越于d v b s 系统及其它纠错编码方案的本质所在就是因为选择了l d p c 码作为内码，这是d v b s 2 技术标准中最为重要的选择。因此本节将详细说明d v b s 2 系统中l d p c 码的编解码算法，因为在第四章计算机仿真中采用的就是这种编解码算法。下面将详细介绍d v b s 2 系统中l d p c 的编码原理。在e 1 r a 码中，校验矩阵变成如下形式【2 0 】：h = i q ，j( 2 一1 )其中，是( 一) 的稀疏矩阵，而马是( 一) ( 一) 阶梯型下三角矩阵，形式如下：马=( 2 - 2 )对于给定的校验矩阵h ，生成矩阵可以表达为如下的系统形式：g = ，p 】( 2 - 3 )1 0多进制超相移键控调制一m h p s k 在卫星通信中的应用其中i 是k 和的单位阵，p 是k 如( m 咖一) 阶的矩阵。因此，尸= q r 马r( 2 - 4 )皿r 具有如下的形式：( 2 - 5 )矩阵哎7 实际上是一个差分编码器( 又称为累加器) 的生成矩阵。因此，d v b - s 2的l d p c 码的编码可以通过三个步骤完成：( 1 ) 待编码信息m 乘以稀疏矩阵e ，得出中间结果p = m q r ；( 2 ) 对中间结果进行差分编码产生校验比特p = p 马：( 3 ) 将校验比特位和信息位合并得到最终输出的系统码字c = 【聊p 】。2 1 3d v b s 2 系统中l d p c 译码原理g a l l a g e r 在提出l d p c 码的同时给出了两种迭代译码算法：硬判决( b i tf l i p p i n g )和软判决算法。前者计算复杂度很低，只需要进行模2 运算，但其译码性能不理想，后者虽然性能更好，但复杂度过大。1 9 9 6 年，m a c k a y 和n e a l 提出了b p ( b e l i e fp r o p a g a t i o n ) 算法【2 1 1 ，也称为s u m p r o d u e t 算法，其译码性能比硬判决算法好的多，而且运算复杂度也不大。f o s s o r i e r 对复杂度低的b p 算法作了进一步研究，提出了b p b a s e d 算法【2 2 1 ，简化了b p 算法。为了改善b p b a s e d 算法因为校验节点上的简化处理而造成的性能损失，j c h e n 提出了两种改进算法【2 3 】【2 4 】：采用归一化的近似最佳b p b a s e d 算法( 亦称为n o r m a l i z e db p b a s e d 算法) 和通过降低可靠性值来改善外附信息精度的o f f s e tb p b a s e d 算法。软判决算法的思想是：在比特节点和校验节点之间通过边互相传递信息，以决定传输比特的值。译码的开始由比特节点向校验节点传输信息，信息的内容就是比特节点所接收到的值。当收到比特节点传递过来的信息后，校验节点利用奇偶检验公式更新比特节点信息，并将更新后的信息回传给比特节点。每个比特节点根据它所收到的所有回传信息执行一次软判决。这时，如果所有比特的硬判决都满足奇偶校验公式，这就意味着这是一个有效码字，处理过程停止。如果奇偶校验公式没有得到满足，比特节点就将软判决信息再传给相邻的校验节点，开始新的迭代过程。下面将详细描述d v b s 2 中的l d p c 译码方法。1 初始化：吒一= “。，n = 0 ，1 ，2 ，n 1 ，i - 1 ，2 ，d e g r e e ( 比特节点n 的度)第二章d v b s 2 系统编码与调制技术此处，嘲表示比特节点向与其相邻的校验节点q 传递的信息，1 , n 表示从信道上接收到的比特节点1 1 的原始值，n 是l d p c 码字长度。下面的图2 1 说明初始化的过程：b i t n o d图2 1l d p c 译码的初始化2 迭代处理步骤1 ：校验节点更新如果校验节点c 的度数为以，那么共有以个与之相邻的比特节点，n 2 ，向其传递信息屹吨 啼，、啼。该校验节点进行计算，返回信息心呻，比毗，毗。并回传给这些相邻的比特节点，如图2 2 ( a ) 所示：n o d ecb i t图2 2 ( a ) l d p c 译码的校验节点更新( b ) l d p c 译码的比特节点更新心 = g ( 、喇，、喇，k 嘲) ( 2 - 6 )其中，g ( a ，6 ) = s 切( 口) s 轫( 6 ) n l h l i 口i ，+ 三呸( 口，b )工呸( a ，6 ) = l 。g ( 1 + e 十叫- l o g ( 1 + e 十叫)步骤2 ：比特节点更新1 2多进制超相移键控调制一m h p s k 在卫星通信中的应用如果比特节点1 1 的度数为反，那么共有屯个与之相邻的校验节点q ，c 2 ，气向其传递信息一蝌，嘲，- 蜥。该校验节点进行计算，返回信息_ c i 屹啦，抱，并回传给这些相应的的校验节点：屹_ 。，= + k 一( 2 - 7 )，耐比特节点的更新如图2 2 ( b ) 所示：步骤3 ：译码判决在每一次比特节点更新完成后，译码器要对更新后的每一位比特进行一次硬判决( 小于零判为1 ，否则判为0 ) 。3 停止对硬判决之后产生的码字进行奇偶校验，如果所有的校验方程都得到了满足，将其输出并结束迭代过程；如果奇偶校验失败，则再次执行校验节点和比特节点的更新，开始新一轮的迭代，如此反复。如果在规定次数的迭代过程之后仍然没有满足校验方程，译码器就宣告译码失败。图2 3 是译码算法程序结构的流程图：图2 3l d p c 译码流程第二章d v b s 2 系统编码与调制技术2 2d v b s 2 系统调制的映射人们对于提高卫星带宽效率、充分利用有限资源以及传输更大容量信息的迫切需求促使d v b s 2 标准的提出并逐渐代替了d v b s 标准。随着当代卫星生产制造技术的不断发展，空间段转发器功率不断提高，卫星通信物理信道上的载噪比( c h i ) 条件不断得到改善，使得在原有的d v b s 标准下，卫星转发器处于带宽受限的状态。由于在d v b s 中，调制方式是q p s k ，卫星网络操作者无法通过改变调制方式来进一步提高信道带宽利用率，造成了转发器功率资源的浪费，无形中增加了卫星广播通信的运行成本。因此，在新的卫星广播传输标准d v b s 2 中引入了效率更高的调制方式。d v b s 2 共采用了4 种调制方式：q p s k 、8 - p s k 、16 a p s k 和3 2 a p s k 。d v b s 2 的调制功能由映射、物理层成帧和调制等模块组成【2 5 1 ，如图2 4 所示：物理层指信口= 0 3 5 ，0 2 5 ，0 2 0i_rl 物理层q 千执伯一卜基带滤波和i l l 正交调制：虚假帧：填充：- i - - -调制图2 4d v b - s 2 的调制功能模块映射实际上是把串行的f e c f r a m e 转换为与调制方式相适应的并行码流形式。与调制方式相适应的意思是：按照调制的符号所代表的比特数分组，进行串并转换，形成并行码流。因为调制与编码实际是两个相关的过程，码字与星座的对应关系在很大程度上影响着纠错编码的实际纠错性能。对于不经过调制的基带通信系统而言，当信号在信道中传输时，错误直接发生在比特上；而对于调制载波而言，错误则直接发生在符号上，然后在解调时再将误码传递给相应的比特位。一个符号就是星座图上的一个点，从统计的角度看，正常的通信系统受到噪声影响，在距离最近的相邻符号之间发生错误的概率要比相隔较远的符号大得多，因此自然希望相邻符号之间的误码所引起的比特错误尽量少。不同的映射方案会产生不同的效果，因为在格雷( g r a y ) 码映射中，所有相邻符号对应的比特数据之间只有1 位不同，因此在任意一对相邻符号之间发生错误变换，都只引起解调后比特流上的1 位比特错误，所以在q p s k 和8 p s k 中采用g r a y 映射。1 4多进制超相移键控调制- - m h p s k 在卫星通信中的应用在d v b s 2 系统中，规定了四种调制方式，对应四种星座图，这四种调制方式的调制阶数( 7 7 m o d ) 为：q p s k ，2 b i t s h z ；8 - p s k ，3 b i t s h z ；1 6 a p s k ，4 b i t s p r i z ；3 2 - a p s k ，5 b i t s h z 。经过映射后符号的常帧分组长度为6 4 8 0 0 r , o a ，短帧分组长度为1 6 2 0 0 r m o a 。下面介绍这四种调制方式的映射方案。1 q p s k 比特映射d v b s 2 系统中，q p s k 的星座图如图2 5 所示：；j伤，1 0 厂、ip 叭4 = 万4 。l：ii11 图2 5q p s k 星座图d v b s 2 系统中的q p s k 调制特点如下：a ) 采用传统的g r a y 码绝对映射q p s k 调制( 没有差分编码) ；b ) 每个符号的能量归一化为p 2 = 1 ；c ) 前向纠错帧的两个比特映射成一个q p s k 符号，即第2 i 和2 i + 1 比特映射成第i 个q p s k 符号，其中i = 0 ，1 ，2 ，( n 2 ) 1 ，n 是l d p c 的分组长度。2 8 p s k 比特映射d v b s 2 系统中，8 - p s k 的星座图如图2 6 所示：qlm s b璐，0 0一入v、。厂p = l o l o 彳钮h1l删一i i l图2 68 - p s k 星座图d v b s 2 系统中的8 - p s k 调制特点如下：第二章d v b s 2 系统编码与调制技术1 5曲采用传统的g r a y 码绝对映射q p s k 调制( 没有差分编码) ；b ) 每个符号的能量归一化为p 2 = l ；c ) 除了3 5 码率，前向纠错帧的第3 i 、3 i + 1 和3 i + 2 比特映射为第i 个8 - p s k符号；而对于3 5 码率，第3 i + 2 、3 i + 1 和3 i 比特映射为8 - p s k 第3 i 个符号，其中i = 0 ，l ，2 ，( n 3 ) 1 ，n 是l d p c 的分组长度。3 1 6 a p s k 比特映射d v b s 2 系统中，1 6 a p s k 的星座图如图2 7 所示：j1 哆一蠢多天二渤搿一0 1 1 0 严1 1 1 0 7火1 o l o lv0 0 0 1= 足足) 卜1 0 0 1图2 71 6 - a p s k 星座图d v b s 2 系统中的1 6 a p s k 调制特点如下：a ) 1 6 a p s k 是由2 个同心圆构成，圆上星座点等间隔分布，内外各为4 个点和1 2 个点，称为针1 2 a p s k ；b ) 外圆和内圆半径之比y = r 2 r i ，d v b s 2 系统中y 的取值已经确定，如表2 1 所示：c ) 每个符号的能量归一化平均能量为1 ，即：4 r 1 2 + 1 2 r 2 2 = 1 6 ；d ) 前向纠错帧的的第4 i 、4 i + 1 、4 i + 2 和4 i + 3 比特映射为1 6 - a p s k 第i 个符号，其中i = 0 ，1 ，2 ，( n 4 ) 一1 ，n 是l d p c 的分组长度。表2 - 11 6 一a p s k 半径比y 的取值调n 编码码率y频谱利用率2 32 6 63 1 53 42 9 92 8 54 53 1 92 7 5s | 63 3 22 7 01 6多进制超相移键控调制- - m h p s k 在卫星通信中的应用l8 93 5 52 6 0i9 1 03 5 92 5 74 3 2 a p s k 比特映射d v b s 2 系统中，3 2 a p s k 的星座图如图2 8 所示：q = ，2 =j j ：磉：j翦麴噙一 1 1 1 0 愀义。l ry o o o , o 1。卜繇v0 1 0 1 0。1 1 0 1 l0 1 0 1 1图2 83 2 - a p s k 星座图d v b s 2 系统中的3 2 a p s k 调制特点如下：a ) 3 2 a p s k 是由3 个同心圆构成，圆上星座点等间隔分布，从内到外依次分布4 个点、1 2 个点和1 6 个点，称为4 + 1 2 + 1 6 a p s k ；b ) 这三个圆的半径之比n = 马局，y 2 = 恐墨，d v b s 2 系统中y l ，y 2 的取值已经确定如表2 2 所示；c ) 每个符号的能量归一化平均能量为1 ，即：4 墨2 + 1 2 r 2 2 + 1 6 r 3 2 = 3 2 ；d ) 前向纠错帧的的第5 i 、5 i + 1 、5 i + 2 、5 i + 3 和5 i “比特映射为3 2 - a p s k 第i个符号，其中i = 0 ，1 ，2 ，( n 5 ) 1 ，n 是l d p c 的分组长度。表2 - 23 2 - a p s k 半径比y 1 ，y 2 的取值调制编码码率y l，2频谱利用率3 43 7 42 8 45 2 74 53 9 92 7 24 8 75 64 1 52 6 44 6 48 94 4 32 5 44 3 39 1 04 4 92 5 34 3 0第二章d v b s 2 系统编码与调制技术1 72 3d v b s 2 系统调制的软信息提取l d p c 译码方式用的是软判决译码，因此有必要介绍一下d v b s 2 系统中调制方式的软解调算法。在每一次软判决中m ，( 每一个映射符号的第i 位) 可信度的度量可以通过信号星座点到判决限的距离来表示。下面分别对d v b s 2 标准内每一种映射方式的软判决方法进行介绍。2 3 1p s k 软解调算法下面详细介绍q p s k 和8 - p s k 的软解调算法 2 6 1 。1 q p s k 星座的软解调星座图如图2 5 。通过对星座图的观察可以发现：嘲比特以虚轴为界，虚轴左边的点m a = 1 ，虚轴右边的点m a = 0 ；m o 比特以实轴为界，实轴上面的点7 , 1 0 = 0 ，实轴下面的点m o = 1 。因此在信道的接收端，假如接收符号落在虚轴右边，则铂比特判为“0 的概率大于判为“1 的概