（通信与信息系统专业论文）卫星调制解调器e1接口设计及信道编译码技术研究.pdf

摘要摘要卫星通信自问世以来，就不断面临竞争和挑战。但是由于它独特的优势，卫星通信已成为国家信息基础设施不可缺少的组成部分。其中，调制解调器技术是一个非常重要的方面。e 1 是我国和欧洲使用的电信网一次群传输标准，主要提供2 m 的话音通信服务。由于其悠久的历史和良好的性能，在世界范围内已经有非常丰富的e 1 信道资源。为了支持电信网的数据传输，在几乎所有的卫星调制解调器产品中，都提供有符合g 7 0 3 标准的e 1 数据接口。e 1 技术虽然已经很成熟，但是为卫星调制解调器设备提供e 1 数据接口却非常有实际应用上的需求。另外，卫星信道环境复杂，具有较高的信道误码率及信号衰落特性，为了使通信的误比特率尽量的低，除了选择合适的调制解调方式以外，还应采用性能良好的信道编译码技术。因此，先进的差错编码处理技术是卫星调制解调器的一个主攻方向。在几乎所有的卫星调制解调器产品中，都提供有卷积码、t u r b o 乘积码等多种编码方式。这些码有比较好的性能，但是也有一定的不足。不断研究实现性能优异的新的编译码方案，是非常有前景的。本文针对上述问题，以e 1 和信道编译码为研究对象，主要设计了卫星调制解调器的e 1 接口，对e l 网络数据进行了提取插入处理，并仿真验证了一种新的分组卷积码一l t c 码的优异性能。本文的主要内容有：( 1 ) 研究了e 1 网络的基本知识，包括网络起源、优势和帧结构等。( 2 ) 通过配置e l 单片收发器d s 2 1 3 5 4 的寄存器和引脚，设计实现了e 1 数据接口，包括数据的编解码、成帧、同步等操作。( 3 ) 基于f p g a 实现了e l 数据的提取插入功能，实现了数据速率的可调节。( 4 ) 利用m a t l a b 仿真了l t c 码的优异性能，并将其与相对应的s c c c 码和t u r b o码进行了比较，突出了l t c 的性能优势。接着，又仿真比较了分组长度对l t c 码性能的影响。关键词：e 1 接口，d s 2 1 3 5 4 ，提取与插入，l t c 码，t u r b o 码a b s t r a c ta b s t r a c ts a t e l l i t ec o r n m u n i c a t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tb e c a u s eo fi t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s a n ds a t e l l i t em o d e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i e l d s a st h eb a s eg r o u ps t a n d a r do ft e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nc h i n aa n de u r o p e ，e1n e t w o r ki sw i d e l ya n dm a t u r e l yu s e d b e c a u s eo fi t se a r l yu s ea n dg o o dr e l i a b i l i t y ,t h e r ea r ef u uo felc h a n n e lr e s o u r c e sa l lo v e rt h ew o r l dn o w a l m o s ta l ls a t e l l i t em o d e me q u i p m e n t ss u p p o r te1d a t aa c c e s s d e s i g n i n ga ne1d a t ai n t e r f a c ef o ras a t e l l i t em o d e mi sac o l a n o na n dam u s t i ti so fg r e a ts e n s ei nr e a ll i f ea p p l i c a t i o n s t h ee n v i r o n m e n to fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ni sm o r ec o m p l e xt h a nt h a to fo t h e rc o m m u n i c a t i o n s i no r d e rt od e c r e a s et h eb i te r r o rr a t ea n ds u p p l yg o o dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , f e cs t r a t e g i e sa r ev e r yi m p o r t a n t s os u p p l y i n gm o r eo u t s t a n d i n gf e ct e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n s a m o n gt h ee x i t i n gs a t e l l i t em o d e m s ，f e cs t r a t e g i e ss u c h 硒c o n v o l u t i o n a lc o d e sa n dt p c sa r ev e r yc o m m o n , w h i c ha r en o tr i op e r f e c t r e s e a c ho fn e wa n db e t t e rf e cs t r a t e g i e si su s e f u l b a s e d0 1 1t h ea b o v ep r o b l e m s ，h e r e , e 1i n t e r f a c ed e s i g na n dd a t a “d r o p & i n s e r t f u n c t i o na r er e s e a r c h e d ，a sw e l l 鹪a d v a n t a g ep e r f o r m a n c eo fak i n d o fn e wc o d e - l a m i n a t e dt u r b oc o d e s ( l t c ) t h ef o l l o w i n ga l et h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e r ：( 1 ) s t u d yt h em a i nc o n c e p t so fe1n e t w o r k ( 2 ) d e s i g ne 1i n t e r f a c eb yw r i t i n gt h er e g i s t e r so ft h ee 1s c td s 2 1 3 5 4a n dc o n f i g u r i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp i n s ( 3 ) s u p p l y “d r o p & i n s e r t ”f u n c t i o n 研t hf p g a , a n dt h ed a t ar a t ec a u lb ec h o s e no u t s i d et of i xp a r t i c u l a rd a t ar a t er e q u i r e m e n t s ( 4 ) s i m u l a t ew i t hm a t l a bt oa c h i e v ea n dv e n f yt h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c eo fl t cb yc o m p a r i n gt oi t sr e l a t e dt u r b oc o d e sa n ds c c cc o d e s l a t e r , t h ei m p a c to fb l o c k sl e n g t hni sr e s e a r c h e d ，t o o k e y w o r d s ：e 1i n t e r f a c e ，d s 213 5 4 ，d r o p & i n s e r t ，l t c ，t u r b oc o d e sn图目录图目录图2 1 一个典型的数字通信系统框图9图2 2 卫星调制解调器系统框架图1 1图3 1e l 接口部分硬件连接框图1 3图3 2d s 213 5 4 的功能引脚图19图3 3d s 2 1 3 5 4 的外围电路原理图2 1图3 4d s 2 1 3 5 4 的时钟连接2 l图3 5d s 2 1 3 5 4 与1 0 4 的连接( 第一部分) 一2 2图3 - 6 图3 5d s 2 13 5 4 与1 0 4 的连接( 第二部分) 2 3图3 7d s 2 1 3 5 4 的基本网络接口设计2 4图3 8 线路接口单元与其它双极性器件的连接图2 6图3 - 9d s 2 1 3 5 4 初始化流程图2 8图3 1 0 主板的f p g a 模块3 2图3 1 1d s 2 1 3 5 4 与f p g a 之间的主要引脚连接3 2图3 1 2 提取模块连接框图3 3图3 1 3 提取端乒乓操作3 4图3 1 4 提取模块数据输入及输出总体图3 5图3 15 提取模块输出数据的一个帧3 5图3 1 6 提取模块输出数据的局部3 5图3 1 7 提取模块的板级数据3 6图3 1 8e 1 同步方式3 7图3 1 9 帧同步码检测电路3 8图3 2 0 同步检测模块仿真图3 8图3 2 l 插入模块连接框图4 0图3 2 2 插入模块输入输出数据整体效果图4 l图3 2 3 插入模块输出数据第一帧数据4 l图3 2 4 插入模块输出数据第二帧数据4 l图3 2 5 提取模块的板级数据4 1图4 _ 1 递归卷积编码原理结构5 2v图目录图4 - 2 递归系统卷积码归零的简单方法5 3图4 3 典型的t u r b o 编码编码框图5 3图4 4t u r b o 码译码器5 5图4 _ 5u 编码方式1 5 7图4 _ 6l t c 编码方式2 5 8图4 7 向前传递l l r 6 1图4 8 向后传递l u 之6l图4 - 9l t c 编译码总流程6 3图4 - 1 0 更新接收矩阵r e c e i v e 模块的内部流程6 4图4 - 1 l 前向译码6 5图4 1 2 后向译码6 6图4 - 1 3 译码堆栈中剩余的s 3 个分组6 7图4 1 4a p pd e c o d e r 译码模块6 8图4 - 1 5 使用外信息迭代和软输出迭代的性能比较7 0图4 16a p pd e c o d e r 译码器s i m u l i n k 模块图7 0图4 - 1 7 a p pd e c o d e r 作为软输入软输出译码器7 l图4 18s c c c 编码结构7 1图4 - 1 9l t c 与s c c c 的性能比较7 2图4 - 2 0l t c 与p c c c 的性能比较7 3图4 - 2 1 分组长度n 对l t c 性能的影响7 4v i表目录表目录表3 1 两种基本帧的结构1 4表3 2c a s 复帧1 6 时隙的b i t 结构1 5表3 3 常用的d s 2 1 3 5 4 输入输出引脚2 0表3 4 芯片正常工作的条件2 7表3 5 控制寄存器的赋值2 9表3 6 重起线路接口单元和弹性缓冲区后的寄存器值3 0表3 7 提取和插入模块n 的选择3 l表3 8d o u t 循环输出的数据3 6表4 - 1l t c 译码过程中要用到的变量6 2v l i缩略字表s c tf e cb c j rk n g rb e rp s kq p s kq a mp c ms i s 0a p pl l rs c c cp c c cl t cc a sc c sc l 比a m ih d b 3f a sn f a sp d hs d hc c mr st p cd 缩略字表s i n g l ec h i pt r a n s c e i v e rf o r w a r de r r o rc o n t r o lb a l h c o c k e j e l i n e k r a v i va d d i t i v e 1 h i t eg a u s s i a nn o i s eb i te r r o rr a t ep h a s es h i rk e y i n gq u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n gq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o np u l s ec o d em o d u l a t i o ns o f t i ns o f t o u tap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t yl o g - l i k er a t i os e l f - c o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d ep a r a l l e l c o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d el a m i n a t e dt u r b oc o d ec h a n n e la s s o c i a t e ds i g n a l i n gc o m m o nc h a n n e ls i g n a l i n gc y c l i c a lr e x t u n d a n c yc h e c ka l t e r n a t i v em a r ki n v e r s eh i g hd e n s i t yb i p o l a ro fo r d e r3f r a m ea l i g n m e n ts i g n a ln o n f r a m ea l i g n m e n ts i g n a lp l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h ys y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h yc o m t a n tc o d em o d u l a t i o nr e e d s o l o m o nt u r b op r o d u c tc o d ed i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n gv 1 1 i单片收发器前向纠错b c j r 算法加性高斯白噪声误码率相移键控正交相移键控正交幅度调制脉冲编码调制软输入软输出后验概率对数似然比自级联卷积码并行级联卷积码分组t u l b o 码随路信道信令共路信道信令循环冗余校验信号交替反转三阶高密度双极性码帧同步信号非帧同步信号准同步数字系列同步数字系列恒定编码调制里德所罗门码t u r b o 乘积码数字视频广播缩略字表t c mb n cl d p c) rs m fm ft s叁浏ga i sc e p tn uc m o sf p g av s a tn r zh d l cj t a gr s cb c ht 诧l l i sc o d e dm o d u l a t i o nb a y o n e tn u tc o n n e c t o rl o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d ei n t e r m e d i a t ed a t er a t es u b m u l t i f r a m em u l t i f r a m et i m es l o ta m e r i c a nw i r eg a u g ea l a r mi n d i c a t i o ns i g n a lc o n f e d e r a t i o no fe u r o p e a np o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s网格编码调制刺刀螺母连接器低密度奇偶校验码中等数据速率子复帧复帧时隙美国导线规格告警指示信号欧洲邮电管理委员会i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n国际电信联盟c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 互补金属氧化物半导体f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程门阵列v e r ys m a l la p e r t u r et e r m i n a ln o n r e t u r n t o z e r oh i 曲- l e v e ld a t al i n kc o n t r o lj o i n tt e s ta c t i o ng r o u pr e c u r s i v es y s t e m a t i cc o n v o l u t i o n a lb o s ec h a u d h u r ih o c q u e n g h 锄i x甚小天线地球站非归零高级数据链路控制联合测试行为组织递归系统卷积码b c h 码独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：日期：刃岬年岁月穸日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：星煎兰导师签名：日期：砷年j 月7 日第一章绪论1 1 卫星调制解调器的现状第一章绪论卫星通仔1 】【2 】【3 】是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个或多个地球站、宇宙站之间进行信息交换和信息传输的无线通信方式，是微波中继通信技术和航天技术结合的产物。卫星通信在我国从1 9 7 2 年丌始首次应用，2 0 世纪8 0 年代逐渐发展起来。9 0年代随着卫星公网干线中速率数字通信业务、卫星广播电视传输业务、企业专网v s a t ( v e r ys m a l la p e r t u r et e r m i n a l ) 、l i t _ 务等发展壮大，我国卫星通信事业进入了一个蓬勃发展的时期，与光纤通信、数字微波通信一起，成为我国当代远距离通信的支柱。进入2 1 世纪，我国卫星通信市场竞争日趋激烈，其竞争对手主要来自地面固定网络通信和无线移动通信。光纤通信的迅猛发展，对我国的传统卫星通信市场也产生了较大的冲击。然而随着信息全球化以、通信多媒体化和信息个性化，通信系统正在要求宽带化、个体化、移动化和无缝覆盖。卫星通信虽然暂时在服务质量和费用上无法和地面通信相媲美，但它有自己的优势：覆盖面积大，服务范围宽，能以较低的成本提供较宽范围的无缝覆盖：可利用的频带宽；网络路由简洁；网络建设速度快，成本低；有利于新业务的引入等。因此，卫星通信作为地面通信的补充和备份，以及在越洋通信等业务中的重要优势，已经成为国家信息基础设施不可缺少的组成部分，在信息时代的通信中起着地面通信不可替代的作用。卫星通信包括空间站和地面站两部分。空间站以卫星为主体，地面站包括了支持用户访问卫星转发器，并实现用户间通信能力的所有设施，卫星调制解调器就是其中之一。在挑战面前，卫星通信要持续发展，其技术就必须不断进步。作为用户和卫星之间的桥梁，卫星调制解调器非常重要。目前，国外的卫星调制解调器制造商主要有美国v i t a c o m 卫星系统公司，美国c o m t e c ht e l e c o m m u n i c a t i o n s 公司麾下的子公司c o m t e c he fd a t a 公司，美国d a t u m 公司和美国r a d y n ec o m s t r e a m 公司，加拿大p o l a r s a t 公司，德国n ds a t c o m 公司，香港亚洲卫星a s i a s a t 公司，美国劳拉天网l o r a ls k y n e t 公司等。而在国内，目前尚无电子科技大学硕士学位论文专业和具有领先地位的卫星调制解调器生产商。( 1 ) c o m t e c he fd a t ac o m t e c he fd a t a 公司致力于开发新一代市场领先的卫星通信产品，提供业内的范围宽的高效带宽调制解调器，是绝对的卫星地球站和调制解调器的市场领先者。c o m t e c he fd a t a 高效带宽调制解调器的设计核心是以现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ) ( - j 基础的高级结构，采用强大的3 2 位处理器，具有特征配置和灵活性。对于客户所需求的各种网络配置，c o m t e c he fd a t a都能提供合适的卫星通信调制解调器产品，即公司的产品适合于卫星运营商、服务供应商、政府部门、广播公司或企业用户等各种用户。在技术上，c o m t e c he fd a t a的卫星调制解调器能提供各种前向纠错技术，各种调制技术，各种速率可选择，各种接口，提取和插入以及管理控制等。c o m t e c he fd a t a 的卫星调制解调器产品主要分为入门级调制解调器，中档调制解调和高端调制解调三种。入门级卫星调制解调器包括c d d 5 6 4 l 、c d d 5 6 2 l 、c d m 5 7 0 l 、c d m 5 7 0 l i p 、c d m 5 7 0 l - i p e n 等【4 】 5 】【6 】。其中c d m 5 7 0 l 非常适宜于优化卫星通信，数据速率为2 4k b p s 到5m b p s ，为前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o n t r 0 1 )选项包括t u r b o 乘积码( t p c ，t u r b op r o d u c tc o d e ) 、维特比、r s 和t c m ，提供g 7 0 3 标准接口。c d m 5 7 0 l i p 是网络i p 模块可选的具有价格竞争力的卫星调制解调器，能提供2 4k b p s 到9 9 8m b p s 的数据速率，f e c 选项包括t p c 、维特比、r s 和t c m ，也提供g 7 0 3 标准接口。而c d m 5 7 0 l i p e n 是将调制解调器与i p模块配置在一起的，可实现m 网络中卫星连接效率的最大化的，适宜于网络通信的卫星调制解调器，其f e c 和接口等都和c d m 一5 7 0 l - i p 相同，不同在于c d m 5 7 0 l i p 的网络i p 模块是可选的。中档卫星调制解调器包括c d m 6 2 5 ，c d m q x l ，c d m 6 0 0 l 等【7 】【引。c d m 6 0 0 l 是开放网络卫星调制解调器，数据速率范围为2 4k b p s 到5m b p s ，f e c选项包括t p c 、维特比、序列、r s 、低密度奇偶校验码( l d p c ，l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e ) 和t c m ，提供g 7 0 3 标准接口。而c d m q x 和c d m q x l 是第一款多信道卫星调制解调器，采用模块化结构，f e c 选项包括t p c 、维特比和级联r s 。高端卫星调制解调器包括s l m 5 6 5 0 、c d m 7 1 0 、c d m 7 0 0 、c d m 7 1 0 g 等1 9 】【l o 】。c d m 7 0 0 是一款高速卫星调制解调器，用于各种数据接1 ：3 的双工或接收工作模式。该款调制解调器适用于广播、电路复原、点对点和点对多点的应用，具有出色的功率和带宽效率，f e c 为t p c 。符号率为l 至6 4m s p s ，在符号率的范围内数据率为l 至1 5 5m b p s ，步长为1b p s 。c d m 7 1 0 g 也是高速卫星调制解调器，2第一章绪论它利用为数字视频广播( d v b ，d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 视频传输开发的功能强大的d v b s 2 技术进行数据传输，通过卫星链路以高达4 5m s p s 的可编程符号数据率进行工作，工作模式为恒定编码调铜j ( c c m ，c o n s t a n tc o d em o d u l a t i o n ) 方式。( 2 ) 美国v i t a c o m 系统公司v i t a c o m 是一家专业从事卫星通信设备研究、开发、制造和销售的公司。v i t a c o m 提供两大类型的卫星调制解调器：通用型调制解调器和智能型卫星路由调制解调器，每一类型的调制解调器都分为5 0 0 0 和6 0 0 0 系列】【1 2 】。v i t a c o m卫星调制解调器具有很宽的业务适应性，其5 0 0 0 系列的数据速率为2 4 k b p s 到4 9 2 0 k b p s ，6 0 0 0 系列的数据速率为2 4 k b p s 到1 0 m b p s 。v i t a c o m 卫星调制解调器支持多种载波编码，如r s 、t u r b o 码等。( 3 ) d a t u m 公司d a t u m 也是美国专业卫星调制解调器通设备供应商【b 】，其卫星调制解调产品可以提供1 2 k b p s 到2 0 m b p s 的数据速率范围。公司有多种配置的卫星调制解调器产品，编码方式为标准维特比和r s 编码，t p c 编码被设置为可选择性选项配。( 4 ) r a d y n ac o m s t r e a mr a d y n ac o m s t r e a m 是一家在卫星通信事业上很有造诣的美国企业，c m 7 0 1 是r a d y n ec o m s t r e a m 公司的一款主要m o d e m 产品【1 4 】【15 1 。另外，公司的d m d d 2 4 0是d v b 3 0 3 0 、d m d d l 6 0 、d m d d 4 5 的更新换代产品，具有更加灵活的配置、更多的调制方式( 8 p s k 、1 6 q a m ) 和更高的速度( 数据速率最高为2 3 8 m b p s ，符号速率最高为6 8 m s p s ) 。1 2 卫星调制解调器中的e 1 接口从各大卫星调制解调器生产厂商的产品规格介绍中可以看到，所有的威信调制解调器产品都提供了符合g 7 0 3 的标准e l 接口。e l 网络的应用很广泛，提供e 1 接口是建立在应用需求上的，是非常有必要的。2 0 世纪3 0 年代，在模拟通信的鼎盛时期，a h 里福斯发明了一种用脉冲的组合来传递信息的新方法：脉冲编码调制通信【1 6 】。它采用二进制数码“1 和“o 来表示信息，对应到信号上，用“有脉冲表示“1 一，“无脉冲”表示“0 。通过采样、量化和编码，脉冲编码调制( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 可以用脉冲的组合来表示模拟信号，完成模拟信号的传输，即p c m 可以进行语声信号的通信，这也就是p c m 用于电信网络的原因。电子科技大学硕士学位论文在传输过程中，为了便于传输，提高模拟话音信号长距离传输后的质量，采用了数字传输方案【1 7 】【18 1 。由香农采样定理，当采样率为信号最高频率2 倍时，就能从采样信号中恢复出原始模拟信号。而话音信号的频带为3 0 0 3 4 0 0 h z ，所以，采样频率为f = 8 0 0 0 h z 。采样后的数据经过8 比特量化后编码，得到6 4 k b i t s 9 】的p c m 信号。为了提高信道利用率，对p c m 信号采用了时分复用技术。时分复用就是利用时隙分割，一路信号分配一个时隙，将一定路数的信号符合成一格标准的数据流，这就是基群，也叫一次群。时分复用提高了数据的速率，从而提高了信道利用率。国际电信联盟远程通信标准化组( i t u t ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 推荐了两种基群标准：t l 和e 1 ，统称为p c m 基群一次群，其中北美和日本采用2 4 路的t 1 ，系统码率为1 5 4 4 m b p s ；我国和欧洲采用3 0 3 2 路的e l ，系统码率为2 0 4 8 m b p s 。e 1 一帧内要时分复用3 2路信号，一路信号每隔1 2 5 a s 传送一次，每路占时1 2 5 3 2 = 3 9 a s ( 称为时隙) ，由于每路编为8 位码，所以每一位占时为0 4 8 8 b t s 。这里介绍一下命名规则。在e l 中，8 b i t ( 命名为b i t1 8 ) 组成一个时隙；3 2 个时隙( 命名为时隙0 3 1 ，记为t s 0 - t s 3 1 ) 组成一个基本帧( f ) ；1 6 个基本帧( 命名为帧0 1 5 ，f 0 一f 1 5 ) 组成一个复帧( m e ，m u l t i f r a m e ) ，一个复帧由两个子复帧( s m f ，s u b m u t i l f r a m e ) 组成，命名为子复帧1 和子复帧2 ，记为s m f 1 和s m f 2 。在传输的时候，b i t1 最先发送，b i t8 最后发送；时隙0 最先发送，时隙3 2 最后发送。一个帧中，时隙( t s ，t i m es l o t ) o 3 1 分别对应于3 2 个信道，这3 2 个信道命名为信道1 3 2 ，其中时隙0 对应于信道1 ，以此类推，时隙3 1 对应于信道3 2 。由于t s 0 和t s l 6 常用于信道开销，故对应到3 0 个语音信道上，时隙l 对应于语音信道l ，以此类推，时隙1 5 对应于语音信道1 5 ，跳过时隙1 6 ，时隙1 7 对应于语音信道1 6 ，类推下去，时隙3 l 对应于语音信道3 0 。作为电话网的始祖，电信网【2 0 】【2 l 】具有自己的优势：传送范围广；历史悠久，网络设计和管理、运营经验丰富；用户关系稳定等。电信网采用电路交换形式，话路量恒定对称，传输实时电话业务较佳，服务质量有保证，呼叫成本基于距离和时间。目前电信网仍主要传送电话业务，新业务还不是其主要业务。虽然电信网也可以传输突发性数据业务，但效率较低，传输成本和交换成本较高。符合g 7 0 3标准的e 1 是我国和欧洲使用的电信传输网一次群传输标准，在我国，电信网中无论是准同步数字系歹r j ( p d h ，p l c s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，还是同步数字系列( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) ，都建立在e 1 传输线路基础上，我国目前已4第一章绪论经拥有非常丰富的e 1 信道资源。随着个人通信的发展，国际通信越来越普遍，电信网提供国际通信也是必然趋势。由于e 1 线路本身的通信可靠性有保障，利用电信部门本身的传输网络和成熟技术，e l 线路上的数据可以在几十千米到几千千米的距离上传送，甚至可以进行跨国传送，而且目前我国拥有非常丰富的e 1 网络，因此，在卫星调制解调器中提供e 1 数据接口，支持电信网的数据接入，是卫星调制解调器存在和发展必不可少的基本功能之一。1 3 卫星调制解调器中的编码技术信道编码技术在卫星通信与深空通信中最早得到应用。由于卫星信道并不是线性信道，而且存在各种噪声的影响，如多径迹衰落，因此接收端接收到的信号会受到干扰而发生错误。为了使卫星通信质量尽可能好，卫星调制解调器除了需要提供合适的调制解调方式，还应该提供合适的信道编码方式，即差错控制编码。因此，各种新型的信道编码技术首先在卫星及深空通信中得到应用。在1 9 4 8 年，香农发表了具有里程碑意义的通信的数学理论【2 3 】【2 引，证明了只要信息传输速率低于信道容量，通过对信息进行适当的编码，采用最大似然译码时，可以在不牺牲传输或存储速率的情况下，将有噪信道或存储媒质引入的差错减小到任意低的程度。这就是著名的香农编码定理，纠错编码技术的起源。从此，为了在噪声环境下控制差错，人们在香农定理的指导下，在设计有效的编译码方法方面不断努力。高速数字系统的可靠性要求，使得差错控制编码的应用成为通信系统设计中不可分割的一部分。f e c 主要包括分组码，卷积码和级联码等。2 0 世纪4 0 ，r h a m m i n g 提出了第一个差错控制码一汉明码。但是汉明码是代数分组码，码率低，且只能纠正单个错误。m g o l a y 研究了汉明码的缺点后，将代数与组合相结合，于1 9 4 9 年提出了二元格雷码和三元格雷码。其中，二元格雷码是唯一已知的二元域上可以纠多个错的完备码。汉明码和格雷码都是线性分组码。1 9 5 4 年，m u l l e r 提出了一种分组码。之后，里德在此基础上得到了一种新的分组码，即旱德马勒码，这是继格雷码提出之后最主要的一类分组码。里德马勒码之后，人们又提出了循环码的概念。循环码也是一种分组码，其码字的比特经过循环移位后仍然是码字集合中的码字，这增加了码字的设计范围，简化了编译码结构。循环码通常用于纠单个错，常用作检错码，而非纠错码。1 9 6 0 年提出的b c h ( b o s ec h a u d h u r ih o c q u e n g h e m ) 码是循环码的一个子集，b c h 码扩展到非二元电子科技大学硕士学1 奇：论文后得到了r s ( r e e d s o l o m o n ) 码，该码最大的优点是可以纠突发错。虽然分组码技术成熟，应用也很广泛，但是分组码有自身的缺点。首先，分组码是面向分组的，接收端要接收完分组中的所有数据后才能开始译码，如果分组太大，译码延时会很大。其次，分组码要求严格的帧同步。另外，大多数分组码的译码都是基于代数的硬判决算法，导致了增益损失，在信噪比较小的情况下，分组码的纠错能力很差，而分组码的软判决译码的复杂度则随分组长度指数增长。基于分组码的缺点，卷积码出现了。卷积码【2 4 】是1 9 5 5 年由爱旱斯提出的。卷积码的编码过程中利用了比特之间的相关性。一个存储级数为m ，码率为r = k n的卷积码编码器，输入的信息序列k 比特一组分组，生成的码字，z 比特一组。卷积码编码器的输出不仅与当前输入的k 个比特信息有关，还与之前输入的m k 个比特信息有关，即某个时刻输入的k 个比特在进入编码器后，还会其中可以额外驻留m个时间单元，继续影响编码器的输出。通常，信息长度k 和码字长度n 都比较小，且k t 。理论上和实际上，卷积码的性能都不比分组码差。卷积码不是通过增加k和t ，而是通过增加存储级数m 来实现更大的最小距离和更低的误码率。从香农道编码定理也可知，随着分组码的码长或卷积码的约束长度的增加，系统可以取得更好的性能( 更大的保护能力或编码增益) 。卷积码的译码算法主要有序列译码算法，门限译码算法和v i t c r b i 算法。，基于译码复杂度的考虑，长期以来，人们都是在致力于构造短码，如分组码和卷积码。1 9 6 6 年，f o m e y 首次提出了串行级联码，利用短码级联构造长码，既达到了提高码的纠错能力的目的，又将译码分为几个简单的步骤，得到次优但可行的译码策略。所以，级联码的出现是编码界的一大进步。这个时期，主要是传统的编码思想，认为调制解调和编译码是独立的。但信息论认为，编码和调制的目的都是完成信道传输和纠错，即编码和调制是信号设计，而译码和解调则是信号检测。1 9 7 4 年，j m a s s e y 首次提出了将编码和调制作为一个整体处理会提高系统性能的猜想，而在1 9 8 2 年u n g e r b o e c k 提出的网格编码调制( t c m ，t r e l l i sc o d o dm o d u l a t i o n ) 有机的结合了编码和调制，在不增加系统带宽要求的条件下提高了编码增益。于是，编码调制方式开始出现并且被人们研究。在证明信道编码定理的时候，香农假设了三个条件。在丌始的研究过程中，人们基本上只关注分组长度和译码方法这两个条件，而随机编码这个条件都被忽略了。这是因为要实现随机性，就要求数据分组长度足够大，而最大似然译码译码时，译码复杂度与数据分组长度呈指数关系增长，在数据分组长度很大时，译码将无法实现。而且在可行性上，一个译码算法要被实现，就必须要有足够的结6第一章绪论构特征。而随机编码缺少结构特征，所以，虽然随机码能使码的性能得到提高，能够使获得好码的概率增加，但是却一直没能得到应用和发展。人们认为，随机性的条件只是香农在理论证明过程中的一个理想假设，在实际中没有可行性。随机性编码真正得以实现并体现出优越性是在t u r b o 码上。t u r b o 码是在1 9 9 3年瑞士日内瓦召开的国际通信会议上，由法国不列颠通信大学的c b e r r o u ,a g l a v i e u x 和他们的博士生p - t h i t i m a j s h i m a 首次提出的。t u r b o 码【2 5 】【2 6 】【2 7 1 ，又叫并行级联卷积码( p c c c ，p a r a l l e l c o n c a t e n a t e dc o n v o l u t i o n a lc o d e ) ，它综合了随机交织和卷积编码，实现了香农所提出的随机编码条件，获得了随机码。t u r b o 码通过将分量码进行并行级联，由短码分量码得到了长码t u r b o 码。t u r b o 码具有足够的结构特征，因此，译码算法是可以实现的，事实上，实际中使用的是迭代译码算法。又由于t u r b o 码具有随机编码的特点，因此具有接近香农限的译码性能。t u r b o码的译码虽然不是采用最大似然译码算法，但是它的每个分量译码器使用的都是最优的最大后验概率译码，再通过分量译码器之间的外信息迭代译码，使得t u r b o码的译码性能接近最大似然译码得到的结果。基于最优算法的迭代译码是一种次最优译码。在一定的仿真条件下，t u r b o 码与香农限制有0 7 d b 的差异【2 6 1 。香农定理从问世以来，编码编码定理已经取得了辉煌的成就，获得了广泛的应用。其中t u r b o 码是近年来编码界的一大里程碑，其性能比以往的编码都要好。随着2 0 0 0 年l d p c 码的重新发现，已得到了人们的广泛关注，l d p c 码与n i r b 0码均应用到卫星调制器中，但是这两种编码方式都以增加复杂度为代价，随着通信传输速率的提高( 如1 5 5 m b p s 以上) ，编码器的编译码复杂度要得到有效地降低，才能在实际产品中更好地应用。本文研究了低译码复杂度的分组t u 而o 码，特别适用于并行译码实现，是解决t u 而o 码不能并行译码的有效措施之一。1 4 论文的研究意义和课题来源目前我国国内生产卫星调制解调器的技术尚不先进，发展我国的卫星调制解调器设计技术具有很重要的意义。由于卫星通信中通过信道编码可以有效地提高系统可靠性，因此高效信道编译码技术在卫星信道中的得到广泛的应用。随着信息的发展，调制解调技术【2 8 】正向高速率发展，差错编码处理先进新技术也是主攻方向之一。卫星通信系统中，差错编码技术就是在设备的复杂性和频带宽度方式以及传输性能之间折衷。高码率、大约束长度、高数据率和大规模集成化已成f e c的发展方向。当前卫星通信领域使用的f e c 主要有卷积编码、t p c 、级联码、r s7电子科技大学硕七学位论文码等。本文将要提供一种比t u r b o 码性能更好的编码作为f e c 方案分组t u r b o 码( l t c ，l a m i n a t e dt u r b oc o d e ) 。l t c 码是一种在分组之间引入了记忆长度，具有分组卷积结构的码。分组记忆的引入使l t c 码获得了良好的瀑布性能。本文的课题来源于某卫星通信实验室，以卫星调制解调器的设计为背景，以e l 接口芯片为平台设计数据接口，以f p g a 为平台提供数据速率转换以及其它的诸如调制解调、编解码、同步、加扰等功能，并通过m a t l a b 进行信道编译码的性能仿真，最后以单板形式提交工作成果。在数据接口方面，符合g 7 0 3 标准的e 1接口是一个主要的数据接口，另外，在信道前向纠错码方面，设计了l d p c 、t p c 、卷积码等编码方式，并且编码方式可选，从而在应用过程中可以根据信道条件的好坏来选择不同的编码方案：在信道条件好的时候，可以选择码率较高、纠错能力较弱的编码方式；而在信道条件较差的时候，可以选择码率较低、纠错能力较好的编码方式，从而使调制解调器在资源利用和性能上达到一个良好的平衡。本文提供的l t c 码是一种