（信号与信息处理专业论文）pcmfm再入遥测系统中信道编码技术的应用.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 i 摘 要 我国再入遥测技术主要采用脉冲编码调制/调频（pcm/fm）体制，当码速率较低时 （500kbps 以下） ，信号受到平坦衰落，增大系统功率可以降低系统误码率。目前，我国 pcm/fm 再入遥测体制的数据传输速率可以达到 2 mbps。由于传输速率的提高，信号受到严 重的频率选择性衰落，码间干扰严重，增大系统功率也不能降低系统误码率。因此，在无线 通信系统中常使用信道编码来提高系统的抗干扰能力，降低系统误码率。近年来，能有效抵 抗信道衰落并逼近香农限的信道编码技术 turbo 码、ldpc 码受到广泛关注，已应用到各个 通信领域。turbo 码通过卷积码和伪随机交织器相结合来构造具有伪随机特性的码，并在两 个软输入/软输出（siso）译码器之间进行多次迭代实现译码，从而使其获得了接近香农限的 译码性能。ldpc 码是另一类能够达到 shannon 极限性能的线性分组码。与 turbo 码相比， 基于稀疏校验矩阵的 ldpc 码采用并行迭代译码算法，译码算法复杂度低，运算量小，且具 有更低的错误平层，这些特点使得 ldpc 码成为可以挑战 turbo 码的另一种信道编码方案。 本文主要研究非规则 ldpc 码在莱斯信道下的度优化方法以及基于 turbo 码和 ldpc 码 的 pcm/fm 再入遥测系统的性能分析。获得的主要结论如下： 首先，在高斯信道下对 turbo 码以及 ldpc 码的译码算法的性能进行分析对比。对非规 则 ldpc 码与规则 ldpc 码的译码性能作了比较，在相同的码率下优化结构设计的非规则 ldpc 码在码长小于规则码码长时其性能仍然优于规则码，比最优规则码有 0.6 db- 1.5db 左 右的编码增益。 其次， 根据pcm/fm再入遥测系统的特点， 构建基于 turbo码和ldpc码的编码pcm/fm 再入遥测系统架构模型。根据再入遥测信道的特点，建立了一种适用于编码的 pcm/fm 再入 遥测系统的信道仿真模型，并将 turbo 码和 ldpc 码应用于 pcm/fm 再入遥测系统，且进行 了仿真实验。仿真结果表明，在再入遥测信道中，有编码的 pcm/fm 再入遥测系统在抗误码 性能上有了很大的提高，与未编码的 pcm/fm 再入遥测系统相比有 7db以上的编码增益。 最后，研究了非规则 ldpc 码的度优化问题，提出了一种在莱斯信道下基于 exit 图的 非规则 ldpc 码度优化方法。该方法修正了 rice 信道中未知信道状态信息条件下比特节点 译码器曲线计算公式，并给出了 rice 信道下的度优化结果。仿真结果表明，这种方法易于 实现，而且经过优化的 ldpc 码在衰落信道中具有良好的性能。 关键词：再入遥测技术，脉冲编码调制/调频体制，turbo 码，低密度校验码，外部信息传递 杭州电子科技大学硕士学位论文 ii abstract the pulse code modulation/frequency modulation (pcm/fm) is widely used in most reentry telemetry system in our country. when the code rate is low (500kbps or less), the transmitting signal suffering only flat fading and increasing the system power can reduce the bit- error rate (ber). at present, the data transfer rate of pcm/fm reentry telemetry system can reach 2mbps in our country. because of the increase of the speed rate, the signal suffers from frequency select fading, which causes the serious intersymbol interference (isi). thus, increasing the system power can t reduce the ber. so wireless communication systems frequently make use of channel coding to improve the anti- jamming capability. in recent years, the turbo codes and ldpc codes which can approach shannon limit and effectively resist channel fading are of widespread concerned and have been applied to various communications. turbo codes with pseudo- random properties is constructed by combining convolutional code and random interleaver. after certain iterations between two soft input/soft output (siso) decoder, turbo codes realize the iteration decoding. ldpc code is another kind of shannon capactiy achieving linear block code. compared with the turbo codes, ldpc codes based on parallel iterative decoding algorithm of sparse matrix have low algorithm complexity of decoding, less computing works and lower error level layer. all of these features make the ldpc codes become a challenge to turbo codes. this thesis studies mainly about the optimization problem of degree distribution of irregular ldpc codes on rice channel and the performance analysis of pcm/fm reentry telemetry system based on turbo codes and ldpc codes. the conclusions gained are as follows: firstly, the performance of turbo and ldpc decoding algorithm on gaussian channel is analyzed. we compare the decoding performance of regular ldpc codes and irregular ldpc codes. the performance of irregular ldpc codes on which degree distribution is well optimized is better than regular ldpc codes even the code length is shorter. in fact, the gain can achieve 0.6 db- 1.5db. secondly, on the basis of the structural characteristics pcm/fm reentry telemetry system, we build the architecture model of the encoded pcm/fm reentry telemetry system based on turbo/ldpc codes. according to the reentry telemetry channel characteristics, we established a channel simulation model for encoding pcm/fm reentry telemetry system, and apply turbo code and ldpc code in pcm/fm reentry telemetry system, build the construction of encoded pcm/fm reentry telemetry system and analyse the system. the results showed that in the telemetry channel, the anti- bit- error performance of encoded pcm/fm reentry telemetry system has been greatly improved. the encoded pcm/fm reentry telemetry system has at least 7db channel gain compared 杭州电子科技大学硕士学位论文 iii to the non- encoded reentry telemetry system. finally, we study the optimization problem of degree distribution of irregular ldpc codes. a method based on exit graph for degree distribution optimization of irregular ldpc codes on rician channel is proposed. this method modify the computing formula of variable node decoder (vnd) curve under a condition of not knowing channel state information (ncsi). a result of degree optimization is also given. the result shows that the method is easy to implement and the ldpc codes also have a good performance after optimization. keywords: reentry telemetry technology, pcm/fm, turbo, ldpc, exit 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于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杭州电子科技大学。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杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 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 它复制手段保存论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 在我国的军事领域，pcm/fm 是较为成熟的遥测传输技术，也是靶场主要遥测体制之一。 随着科学技术的飞速发展，人们对遥测技术的要求越来越高，要求无线传输信道有更大的信 息容量，要求数据的传输更加安全、可靠。所以，运用通信新技术提高 pcm/fm 系统性能是 必要的且有很好的效果。 近几十年来，相继出现了很多编码方法，包括各种代数码和卷积码，但是性能与香农限 相差很远，以至于人们认为香农限是不可能达到的。二十世纪九十年代对于信道编码来说是 一个具有里程碑意义的时代，其中最具代表性的是turbo 码的提出以及低密度校验（low density parity check，ldpc）码被关注。turbo码和ldpc码由于其卓越的性能而成为人们研 究的热点。 1 . 1 我国遥测技术发展概况 遥测技术1起源于 19 世纪初叶，1912 年，美国人制造了世界上第一台无线电遥测装置。 在第二次世界大战中，由于战争的需要，现代意义的遥测技术开始发展起来。所以遥测技术 在国防建设上一直具有十分重要的地位。19 世纪中叶，俄国人开始利用遥测技术进行水下鱼 雷测量。此后，pdm、fm- fm、pam 等遥测体制广泛用于飞机、火箭、导弹和航天器的试 验，也极大地促进了遥测技术的发展。5060 年代，随着通信理论、通信技术和半导体技术 的发展，遥测技术在调制体制、传输距离、数据容量、测量精度以及设备小型化等方面也都 取得了很大的进展。60 年代以来，遥测技术发展的显著特点是：遥测设备的集成化、固态化、 模块化和计算机化，出现了可编程序遥测和自适应遥测。 同一时期国际上遥测技术的发展很迅速2- 4，欧洲、美国等都形成了各自的独立体系。就 其水平来说还是美国的较高。近年来，国际航天遥测与测控技术和装备取得了较大进展，主 要体现在以下几点： （1）新体制不断涌现，如美国在 artm（靶场先进遥测计划）中重点研 究 cpfsk、soqpsk- tg、fqpsk- jr、cpm 等几种新型调制体制，相对于传统的 pcm/fm 体制，它们的频带利用率高，具有良好的滚降特性； （2）新技术和新方法不断采用，如在 pcm/fm 体制中采用多符号检测（msd）技术、turbo 乘积码（tpc）和 ldpc 码等新技术， 大大提升了遥测系统的性能； （3）新产品不断推出并装备，如微波仿真软件、微波多芯片组 装（mw mcm）工艺和微波集成电路（mic）技术的发展和应用。 我国的遥测技术在建国以后虽然在民用工业上有所应用，但系统的发展还是从航空、航 天等军事方面开始的，大体经历了四个阶段5- 8：引进仿制阶段、独立研究阶段、提高发展阶 段和标准化阶段。 50 年代末到 60 年代初为引进和仿制阶段。在这期间我国从原苏联引进了 pam- am 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 （tpc- 1） 、pam- fm（tpc- 3） 、pam- fm- fm（tpc- 6）遥测系统，并在苏联技术人员的帮助 下建立了导弹试验靶场。后来由于中苏关系恶化，苏联科学家撤走，我国遥测技术被迫开始 走自我创新的发展道路，技术人员对 tpc- 6 遥测系统进行了成功的改进，将它的测量路数由 原来的 26 路扩展为 52 路，并命名为 tcp- 6 甲。 60 年代中期 70 年代末为自行研制阶段。 1969 年我国自行研制了 bwy- 3 大容量无线电遥 测系统。bwy- 3 主要以晶体管为主要元件，地面首次采用磁记录器，弹上首次采用电子交换 子，可同时测量十多路速变信号和时间参数以及上百路的缓变信号。1972 年又成功研制了以 薄膜电路为主要元件的 bwy- 4，它采用自跟踪天线，pcm- psk- pm 体制，地面首次采用数字 磁记录器。 70 年代末进入发展阶段。该时期主要的成果有以中小规模集成电路为主要元器件的 y7 遥测系统。y7 系统可兼容大容量和中低速遥测，可测量 200204.8kbit/s 和 312.5320kbit/s 的大量速变、缓变即时间参数，地面首次采用检前纪录的计测磁记录器。1982 年，我国成功 研制了 t12 路频分制模型，并在 1984 年完成了 23 路 pbw 的样机。1985 年到 1986 年，又相 继成功研制了 pbw- 24+cbw- b 和 cbw- f，g。 80 年代末进入标准化阶段。1986 年，按照国际遥测标准规定，我国开始研制 s 波段遥测 系统，主要成果有 yq- 311、yq312 等 s 频段遥测系统。该系统的数据流码率可达到 2mbps， 遥测参数可存储， 可以与计算机相结合， 实现软硬件标准化。 地面采用了符合国际标准的 8mm 数字磁记录器和倍密度计测磁记录器。 再入遥测技术（reentry telemetry）是遥测技术的重要组成部分。他的基本原理与一般的 遥测技术相同。目前，我们已研制成功了三代再入微波遥测系统。 第一代再入微波遥测系统于六十年代末开始研制，采用 ppm 脉冲体制，多波束天线、多 通道接收机的等待接收方式，以高 s 波段为载波，系统具有较大的功率裕量和较宽的频带宽 度，能够实现边记边发功能。1978 年该系统已正式投入部队使用。 第二代再入微波遥测系统于 1986 年开始研制。在继承第一代再入微波遥测系统的基础 上，第二代再入微波遥测系统具有明显的创新：ppm 脉冲遥测系统首次实现了数字化，创立 了 ppk 遥测系统；采用共点频的 pcm、ppk 双套遥测系统，充分利用了遥测信道；首次实 现了特快波形的测量并采用 fft技术完成了速变参数的缓化测量。第二代再入微波遥测地面 设备已于 1992 年初步投入使用。 第三代微波测量系统在继承第一代、 第二代遥测系统的基础上又有了明显的进步： 将 ppk 遥测系统从单脉冲体制发展到双脉冲体制，使得遥测容量成倍地增加；完成低高度飞行器运 动轨迹测量并向综合测量系统的过度，突破了传统遥测的概念；实现弹上设备小型化。 虽然我国遥测技术取得了一定的进展，但我们不应该忽视下列两个现实9：一个是我国 遥测技术与国际先进水平的差距；另一个是目前靶场的遥测设备还不能完全满足航天、导弹 和常规兵器新型号试验的需求。这些差距是： （1）数据速率低，最高码率仍停留在 2mbps 水 平，国外同类产品的码率已达到 5mbps； （2）设备的小型化、可靠性水平较低； （3）设备功 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 能单一； （4）不具备多目标的跟踪能力； （5）对低空目标的跟踪能力有待改进； （6）测控能 力较弱。 随着航天事业的飞速发展，未来我国遥测技术的发展趋势包括： （1）计算机技术的发展 带动计算机软件技术向各个领域渗透，未来的遥测技术也将越来越重视软件在遥测系统中的 作用，智能化的控制管理和测试都要靠软件来完成； （2）传感器精度对遥测系统精度起着非 常重要的作用，所以开发传感器新材料新技术是未来的一个发展方向； （3）遥测标准的制定 和实施是遥测技术的重要标志。 目前我国已经制定的有关遥测类标准基本上类似于国际标准， 但空间数据系统咨询委员会的 ccsds 在我国尚未推广。为了尽快和国际接轨合作，使用 ccsds 势在必行； （4）遥测频率向更高的频段靠拢； （5）遥测码速率的提高对遥测系统记录 器的技术速度提出了更高的要求，未来具有大容量、高精度、高记录速率和高可靠性的磁光 盘会成为存储遥测数据的理想手段。 1 . 2 turbo 码研究进展 1993 年 5 月，在瑞士日内瓦召开的 ieee国际通信会议（icc 93）上，berrou，glavieux 和 thitimajshima 发表的论文最先提出 turbo 码的原始概念，他们构造的并行级联卷积码，在 约束长度为 5、码长为 131072 和 18 次迭代译码情况下，在比特错误概率为 10- 5时，并行级 联卷积码的性能距离 shannon限只有 0.7 db，并在文献1011中得到了进一步的详细阐述。 然而，这一理论在开始阶段却受到了人们的怀疑。 1996 年，benedetto 和 montorsi的两篇论文1213最早对 turbo 码的优异性能提供了理论 支持。由于交织器的使用使得 turbo 码的性能分析异常困难，benedetto 等在文章12首次提 出了均匀交织器的概念，对 turbo 码进行了系统的性能分析，给出了 turbo 码的一个在所有 交织器上平均的性能上界。同时他还探讨了交织器与分量码对 turbo 码性能产生的影响，提 出通过增加 turbo 码的交织深度来减少 turbo 码的“错误平层（error floor）效应” 。在文章 14中，jhagenauer 等首次清晰地阐明了迭代译码的原理，分析了迭代译码的优势。 turbo 码的译码算法主要有最大后验概率算法（map）和软输出维特比算法（sova） 。 map 算法性能优越，但是运算量大，且大量的非线性运算不利于硬件实现。基于此，人们相 继提出了译码复杂度相对较低的简化算法： log- map 和 max- log- map15这两种算法虽然 在性能上有所下降，但运算复杂度大大降低了，而且便于硬件实现。sova 算法在硬件的可 实现方面受到人们的青睐，它运算量小，尽管其性能不如 map 算法。在文献16中提出了一 种新的 sova 算法，能够实现在不明显增加译码复杂度的前提下，使其译码性能在高信噪比 下逼近 map 算法。在文献17提出了一种 sm- sova（a serially mixed sova）译码算法， 它将反向和正向的 sova 串联进行译码，利用编码 rsc2 不归零时反向 sova 性能优于正向 sova 性能的特点，降低时延，提高译码性能。 divsalar 等人根据卷积码的转移函数，给出了 turbo 码采用 mld 时的误比特率上界18。 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 对于 turbo 码来说，标准联合界在信噪比较小时比较宽松，只有在信噪比较大时才能实现对 turbo 码性能的度量。因此，tmduman、isason和 ddivsalar等人在 gallager限等已 有性能界技术的基础上进行改进，扩展了 turbo 码性能界的范围19。很多文献也提出了大量 turbo 编码的改进形式，如串行级联，串并混合级联以及自级联20- 22。 turbo 码在应用开始阶段，由于技术条件的限制，其迭代译码会产生比较大的时延，所 以只能应用在一些非实时场合，如卫星通信、深空通信等地方。随着技术的进步，turbo 码 造成的时延已经越来越小，其应用又开始成为热点。turbo 被广泛地应用于 inmmarsat 移 动卫星通信、cdma2000、宽带无线系统、wcdma、tds- cdma 和无线 ofdm 等通信领域 中23- 28。turbo 码已经成为第三代蜂窝无线移动通信系统三种标准的选用方案。在 cdma 系 统中，将多用户检测与 turbo 码相结合29，利用外部信息的更新和交换从而达到了单用户的 性能。文献30结合最小均方误差（mmse）接收机，探讨了 turbo 码在 ds- cdma 系统的优 越性能。文献31描述了 turbo 码调制方案，并且得出在衰落信道中 turbo 码性能优于空时码 的特点。在硬件方面，文献32利用简单查表法实现 turbo 码译码算法中的复杂运算，并通过 fpga 来得以实现；文献33针对 umts/3gpp 标准中的 8 状态 turbo 码，探讨了如何在定点 dsp 芯片上实现 turbo 码译码器；文献34充分利用 fpga 内在的并行结构，解决了基站收 发所需要的符号速率和计算密集的问题。 1 . 3 ldpc 码研究进展 除 turbo 码之外，ldpc 码是另一类逼近香农限（信道容量）的编码。ldpc 码由 r. g. gallager 于 1963 年首次提出35。然而不幸的是，由于当时的技术条件，缺乏可行的译 码算法，ldpc 码被编码研究人员忽略了大约 34 年，虽然在 1981 年 tanner从图的观点提供 了一种对 ldpc 码的全新阐释 （这就是后来我们所称的 tanner 图） 。 直到 90 年代中期， mackay 和 neal等人对 ldpc 码重新进行了研究，提出了可行的译码算法，从而进一步发现了 ldpc 码所具有的良好性能，迅速引起强烈反响和极大关注。在文献36- 41中，mackay等人论述了 基于置信度传播（belief propagation，简记为 bp）迭代译码的详细实现方法，证明在码长较 长的情况下，bp 译码算法能够获得只距香农限零点几分贝的误码性能， 这才引起编码研究人 员的重视，开始研究图编码和迭代译码。ldpc 码的高性能使其在很多要求高可靠性的通信 和数字存储系统中成为 turbo 码的有力竞争者。 由于 ldpc 码缺乏结构特点，因此它们的编码过程非常复杂。尽管 gallager 在其最初的 文章中提出一种用于构造一类伪随机 ldpc 码的通用方法，但并没有系统地提供用于构造好 的 ldpc 码的特点方法。 目前已经发现的好码， 大部分是计算机生产的。 mackay建议将 ldpc 码的校验矩阵强制为下三角形式42，但这种约束破坏了校验矩阵的环长约束和校验节点及变 量节点的次数约束，造成性能的下降。 hu xiaoyu提出了逐边 （peg） 构造方法43，使得ldpc 码对应图中小环尽可能大，该方法构造的中短码长的 ldpc 码好于随机构造的码。文献44 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 在此基础上提出一个当给定 girth下限时的 peg 扩展算法，构造高码率 ldpc 码，而文献45 提出一种编译码更为简单地准循环 peg 方法，获得了几乎相同的性能。tiantao 等人分析了 ldpc 码中环、停止集（stopping set）和校验矩阵线性相关列之间的关系以及在消息传递算 法下对码性能的制约，以外信息度（extrinsic message degree）度量 ldpc 码 tanner图的连 接特性的基础之上，提出了 veterbi- like 算法有选择的去除小环，增加停止集的规模（size） ， 有效的降低了码的错误平层46- 48；另一方面人们从代数理论出发，kou，lin和 fossorier从有 限集合理论首次提出了一种代数的、系统的 ldpc 码构造方法49- 50。tanner等人设计的准循 环（qc）ldpc 码，码的校验矩阵由循环矩阵构成，使得 qc- ldpc 码具有准循环特性，利 于高效编码的实现。此外，qc- ldpc 码的代数结构也有利于高速大规模集成电路（vlsi） 的实现。在此基础之上，tanner 利用 qc- ldpc 码的循环矩阵构造了 ldpc 卷积码，中短码 长时性能与随机构造的规则码相当，长码略差于随机构造的码51。 ldpc 码的译码算法种类很多，主要分为硬判决译码算法和软判决译码算法两大类。软判 决译码算法大部分可以被归结到信息传递（massage propagation，简记为 mp）算法40集中。 frkschischang等人在文献52 中提出了和积算法（sum- product algorithm） ，算法中包 含了大量的实际译码算法，如 bp 算法，维特比算法，前向/后向算法等，这些算法均可由和 积算法框架导出。在所有软判决译码算法中，bp 译码算法性能最好的，但算法中涉及到很多 非线性计算，复杂度高，所以一些简化算法相继推出，如对数域 bp 译码算法、改进的 bp 译 码算法（improved bp- based）53、归一化 bp 译码算法54、bp- based 算法55，此外 fossorier 还提出了 app- based 算法56，这些算法大大降低 ldpc 码的迭代译码复杂度。相比较软判决 译码算法，硬判决译码算法在性能方面要差一些，但复杂度要小。基于硬判决的译码算法有 大数逻辑（majority logic，简记为 mlg）57译码算法和比特翻转（bit flipping，简记为 bf） 58译码算法。大数逻辑译码复杂度最低。比特翻转复杂度要高些，但是可以获得更好的译码 性能。 对于 ldpc 码的性能分析，luby 等人在文献59中给出了一种新的基于 martingales 的 concentration bounds方法。在文献60中，mackay研究了 bp 算法译码性能随实际噪声变化 的敏感程度，得出了译码性能与噪声估计失配的函数关系。 tjrichardson和 rlurbanke 在文献61中提出了一种称为“密度优化” （density evolution）算法。算法将 bsc 和 mp 译码算法的约束条件推广到各类信道模型，利用数值逼 近来估计信道的噪声门限，并提出了一种在二元无记忆信道中采用 mp 译码确定 ldpc 码的 性能的分析方法，且能为 bp 算法提供任何精度的性能估计。tspollock62和sikeda 63 等认为可以从置信度传播的方法和信息集合的观点来分析和设计 ldpc 译码算法。 与 turbo 码相比， ldpc 码具有以下的优点： （1）译码算法不基于网格，运算量低于 turbo 码译码算法，便于硬件实现； （2）有更低的错误平层； （3）具有很好的分组误码性能； （4） 码率可以任意构造，相比较 turbo 码只能通过打孔来提高码率，ldpc 码显然更加灵活。 杭州电子科技大学硕士学位论文 6 1 . 4 论文的主要工作及内容安排 论文主要研究非规则 ldpc 码在莱斯信道下的度优化方法以及基于 turbo 码和 ldpc 码 的 pcm/fm 再入遥测系统的性能分析。完成的主要工作如下： 1总结我国 pcm/fm 再入遥测技术的发展过程以及 turbo 码和 ldpc 码的研究历史和 应用现状。 2系统地介绍 pcm/fm 再入遥测系统的数字实现方法和遥测信道模型，turbo 码的编译 码原理以及 ldpc 码的编译码原理，并仿真分析了各自译码算法的性能。 3将 turbo 码和 ldpc 码应用于 pcm/fm 系统，构建了编码的 pcm/fm 再入遥测系统 架构模型，仿真并分析了编码的与未编码的 pcm/fm 系统在遥测信道中的性能，研究 turbo 码和 ldpc 码对于再入遥测系统性能的改善作用。 4研究非规则 ldpc 码的度优化问题，提出一种基于 exit图的非规则 ldpc 码在莱斯 信道下的度优化算法。该方法易于实现，而且经过优化的非规则 ldpc 码在衰落信道中同样 获得良好的性能。 本文共分六个章节，结构安排如下： 第一章叙述 turbo 码和 ldpc 码在 pcm/fm 再入遥测系统中应用的目的和意义。简述我 国 pcm/fm 再入遥测技术的发展概况以及 turbo 码和 ldpc 码的研究现状。 第二章阐述数字式再入遥测系统的结构，pcm/fm 调制解调的数字实现，遥测信道中相 干带宽和相干时间对信号传输的影响，并介绍几个经典的衰落信道模型。最后采用莱斯法建 立了遥测信道模型。 第三章介绍 turbo 码和 ldpc 码的编译码原理及译码算法分析。仿真分析 turbo 码和 ldpc 码的迭代译码算法，并在高斯信道下比较了各自译码算法的性能。 第四章主要研究 turbo 码和 ldpc 码在 pcm/fm 再入遥测系统中的应用问题：首先仿真 实现了数字 pcm/fm 再入遥测系统。然后，针对 pcm/fm 的结构特点提出 turbo 码和 ldpc 码在 pcm/fm 系统中的应用模型。最后，对基于 turbo/ldpc 码的 pcm/fm 系统在遥测信道 上进行仿真，分析 turbo/ldpc 码对系统性能的改善。 第五章主要研究非规则 ldpc 码在莱斯信道下的度优化算法。首先，介绍 exit 图的基 本原理，并将其应用于 rice衰落信道，修正 rice信道中未知信道状态信息情况下比特节点 译码器曲线计算公式，并给出 rice信道下的度优化结果。 第六章为全文的总结。 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 第 2 章 再入遥测的基本理论与数字实现 再入遥测技术主要是指飞行器在再入大气过程中的各种物理参数进行遥测的一项专门技 术。再入遥测技术由于被测参数的特殊性、特殊的弹头内部环境以及飞行器再入大气层产生 的特殊环境条件使其有别于其他的遥测技术。总的来说，再入遥测主要有以下特点： （1）被 测信号的频带很宽； （2）特快信号具有单次性的特点，且要求有高精度的时间测量； （3）再 入遥测系统是一个存储遥测系统； （4）飞行器上遥测部件要有良好的屏蔽功能、体积要小、 重量要轻，地上设备也应具有很高的抗干扰性； （5）再入遥测信道是一个变参信道。 2 . 1 数字式遥测系统的组成 随着遥测技术的进步，目前已经广泛使用数字式遥测系统，主要有二元 pcm 系统和多元 pcm- ppk 系统。图 2. 1 表示一个简单的数字式遥测系统。可以看出，它主要由数据采集、射 频传输、数据恢复以及显示记录和数据处理等部分组成。 数据采集射频传输数据恢复 显示记录数 据处理 图 2.1 数字遥测系统的组成 2 . 1 . 1 数据采集系统 数据采集系统将各种被测信号进行数字化，并与各种辅助信号一起按某种要求编排成多 路数字信号，其中包括信道编码和数据加密。在 pcm/fm 遥测体系中，由数据采集系统输出 的是 pcm 数据流。典型的 pcm 遥测数据采集系统的基本组成如图 2. 2 所示。 a/d 控制相 加电路 信道 编码 码型 变化 交 换 子 模拟放大器 和 取样- 保持 编码器 信号匹 配器 模 拟 信 号 输 入 pcm程序器和 同步码生成器 至射频传输系统 数字信号输入 图 2.2 pcm 遥测数据采集系统基本框图 模拟信号在送入交换子之前一般要进行调整和处理，以便与交换子的工作相适应。这一 杭州电子科技大学硕士学位论文 8 任务由信号匹配器来完成。信号匹配器的作用就是防止或减轻噪声对交换子的影响，限制信 号的频带和调节信号电平，当输入信号由于某种原因超过量程或输入过高的电压时能够对系 统提供必要的保护。在实践中，遥测系统失效的常见原因之一就是信号匹配器对于被测对象 的适应能力不够强。 交换子通常由时钟、脉冲分配器和传输门三个基本部分组成，它的任务是对输入到遥测 系统的信号按照顺序进行采样，实现多路复用的目的。信号在经过交换子采样处理后以 pam 的形式输出。 pam 信号在经过采样后由模/数（a/d）转换器转换成 pcm 数字信号并输入到控制相加 电路。控制相加电路的作用是将直接输入的数字信号、pcm 程序器和同步码产生器产生的同 步信号以及 a/d 转换器产生的数字信号按一定的顺序排列成 pcm 信号输出。 在 pcm 数据采集系统中，程序器的功能是产生所有定时信息，并完成所要求的其他逻辑 功能，其主要任务有：形成主/副帧计数器输出信号，并给主/副帧译码矩阵提供地址信号，以 控制主/副帧传输门和控制相加电路；产生码同步和字同步，以控制取样保持电路和编码器的 工作；控制帧同步码发生器的工作。 信号从控制相加电路输出后，再经过信道编码和码型变换，将 pcm 遥测信号变换成适 合传输的形式由射频传输系统发送进入信道传输。其中信道编码是本文研究的重点内容，这 部分会在下面的章节中做深入的分析。 2 . 1 . 2 数据恢复系统 数据恢复系统是遥测地面站的主要组成部分， 它接收来自射频传输系统的 pcm 数据并将 其恢复成原始信号。图 2. 3 为数据恢复系统的原理框图。其功能为： （1）提取码同步信号； （2）对信号进行抽样判决，恢复数据码； （3）检测帧同步信号，确定帧起始位置，并从帧同 步中提取字同步信号； （4）对多路信号进行分路，以便变换、显示、记录和处理。 接收机 pcm序列 模拟器 时钟 编码器 码同步 pcm 判决 磁记录 重放 帧、字 同步 反变换器 (程序输出) 信道地址 程序器帧结构 控制 . 数据输出 帧 、 字 同步门 阀 时钟 图 2.3 pcm 数据恢复系统原理框图 杭州电子科技大学硕士学位论文 9 对所有 pcm 再入遥测数据恢复系统的一个基本要求是恢复码同步信号。在数字通信中， 同步（synchronous）是十分重要的。当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，如每 次发出一个数据帧的数据信号，接收器必须识别出该帧数据信号的开始位和结束位，以便在 正确的时间上开始和结束积分（对积分判决检测器）或者在最佳时间上对输入信号采样（对 采样判决检测器） ，这就是接收器与发送器之间的基本同步问题。所以对码同步的基本要求是 码同步的重复频率要与发送端的码速率保持一致，且要保持码同步信号与接收的数据信号之 间的相位同步以保证在数据恢复是的最佳采样判决。 在遥测地面站的数据恢复系统中，要实现整个地面站的数据解调，除了确定了码同步外 后还应该确定帧同步信号以及字同步信号。字同步可以从帧同步产生，但反过来不成立，即 不能从字同步导出帧同步。 帧同步方式是以识别一个帧的起始或结束来同步的。主要是使用一段特殊的字符串来表 示数据帧，这段特殊字符串我们称之为帧同步码，它具有尖锐的自相关性。如 7 位巴克码：1 1 1- 1- 1 1- 1。 自相关函数可定义如下： 1 c 0 ( )() n ii t i taa + = = (2- 1) 式中， i a 表示第 i 个元素的值； i t a + 表示第（i+t）个元素的值；n 表示码组的长度。当0t =时， c( ) t 的值为最大；当0t 时， c( ) t 的值为 0 或- 1。 帧同步识别器就是利用相关原理这一特性来检测帧同步信号的。在识别器中预先存入帧 同步码，发送端在同步位置上传送相同的码组，当相对应码位的 1 或 0 一致时，则输出一个 单位的幅度，并将各码位输出相加。当数据流中的同步码全部进入识别器时，输出相关函数 达到最大值 n，它与参考电平比较后输出一帧同步指示。 2 . 2 pcm/fm调制解调的数字实现 调频（fm）是一种非线性调制方式，它将要传送的调制信号从低频率搬移到高频，使它 能通过电离层反射进行传输，在远距离接收端我们用适当的解调装置再把原信号不失真的恢 复出来，就达到了传输低频信号的目的。 非线性调制完成频谱的搬移之后，信号的频谱不再 具有基带特性，即已调信号的频谱与基带信号频谱之间存在着非线性的变换关系。 调频信号一般可以表示为： ( )cos( ) c s tatt=+ (2- 2) 其中a为载波的恒定振幅，( ) ct t+为信号的瞬时相位，( ) t为信号的瞬时相位偏移。 由相位和频率的关系我们可以知道信号的瞬时频率为 () c dtt dt + ，信号的瞬时频率偏移为 杭州电子科技大学硕士学位论文 10 ( )dt dt 。 在频率调制中，瞬时频率偏移和基带信号( )f t是成比例变化的，即 ( ) ( ) f dt k f t dt = (2- 3) 或者是： ( )( ) t f tk fd = (2- 4) 其中 f k为频偏常数。 由此调制信号( )s t的解析表示为 ( ) cos( ) cos( ) c s tattjh actt=+ cos()sin() cc attjatt=+ exp() c ajtt=+ (2- 5) 其中()h 为 hilbert 变换。 由于信号的载波不含有信息，将 ( )s t搬移到基带得到： ( ) exp ( )( )( ) bbb s tatitjq t=+ (2- 6) 其中 ( )cos ( )cos( ) ( )sin( )sin( ) t bf t bf itatakfd q tatakfd = = (2- 7) 将式（2- 7）代入式（2- 2）得 ( )()cos()()sin() bcbc s taittqtt= (2- 8) ( ) b it 、( ) b q t 分别称为信号( )s t的同向、正交风量，所以称这种方法为正交分解。( ) b it 、 ( ) b q t 包含了所要传递的全部信息。 由于调制信号时在数字域实现的，所以（2- 7）中的积分运算可以采用数字累加法来实现 1 ( )( ) n fs k f nkf n t = = (2- 9) 其中1/ ss tf=， s t 为采样间隔， s f 为采样频率。从而得到 pcm/fm 信号的离散数字表达 式（2- 8） 。图 2.4 为 pcm/fm 调制框图。 1 ( ()(1) ( )cos()cos() 2 n ss csfs i f itf it s nant