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短波寬帶通信系統(tǒng)LDPC碼的研短波寬帶通信系統(tǒng)LDPC碼的研究與應(yīng)摘要關(guān)鍵詞：短波通信系統(tǒng)，LDPC碼TheresearchandTheresearchandapplicationofLDPCcodesinwidebandcommunicationWuWiththerapiddevelopmentofcommunicationtechnology,shortwavecommunicationbecameoneofahigh-endtechnology,especiallyinthehigh-techmilitarystruggle,complexbattlefieldconditions(topography,weatheretc.)andthebadelectromagneticenvironmentrequiresinformationmoreaccurate,timely,securetransmission,whichputforwardmorestringentrequirementsonthequalityandsafetyinformationthetransmissionrateoftheshortwavecommunication.InordertoreducethewidebandHFchannel,multipathphenomenonisveryserious,largedelay,Dopplerfrequencyshiftandfadinginfluencefactorsonthebiterrorrateofthecommunicationsystem,thehighreliabilityofLPDCcodesaschannelcoding.ThispapermainlycarriesonthesimulationoftheexistingcommunicationsysteminLDPCcode,docomparativestudy,findtheappropriateparitycheckmatrix,obtainedasuitablewidebandHFcommunicationsysteminLDPCKeywords:Shortwavecommunicationsystem，LDPCcode目錄摘 目 目錄摘 目 一、緒 （一（二（三課題研究的背景和意 本課題研究的熱點及發(fā)展現(xiàn) 課題研究內(nèi)容安 二、傳統(tǒng)短波系統(tǒng)中信道編碼的研究與分 （一）DRM數(shù)字廣播調(diào)幅系統(tǒng)中信道編碼的研 （二）美軍短波寬帶數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188- 三、LDPC碼簡 （一）LDPC碼理論基 （二）LDPC碼的構(gòu) （三）LDPC碼的編碼原 （四）LDPC碼的譯碼原 四、各系統(tǒng)中LDPC碼的研究與仿 （一（二（三（三（四CMMB系統(tǒng)中LDPC碼的仿真與研 DTMB系統(tǒng)中LDPC碼的仿真與研 TMMB系統(tǒng)中LDPC碼的仿真與研 WiMax802.16系統(tǒng)中LDPC碼的仿真與研 本章小 五、總結(jié)與展 參考文 后 （一）（一）課題研究的背景和短波通信又稱高頻通信，是波長在100米～10米之間，頻率范圍3兆赫～30兆赫盡管新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波這一古老和傳統(tǒng)的通信方式仍然受到全世界普遍重視，不僅沒有淘汰，還在不斷快速發(fā)展。特別是在在軍事通信中處于不可替代的地位，因為它有著其它通信系統(tǒng)不具備的優(yōu)點：1）通過電離層反射進(jìn)行通信，通信距離遠(yuǎn)，不需要中繼站即可與數(shù)千公里外通信，如果發(fā)生戰(zhàn)爭或災(zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)都會受到破壞，衛(wèi)星也會受到攻擊。無論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信2342ms20Hz至50Hz，73Hz3.7KHz2～4條，可用頻帶窄導(dǎo)致通信容量小，信道擁擠，通信可靠性超過Turbo碼成為新的研究熱點。LDPC碼的譯碼算法，是一種基于稀疏矩陣的并行迭代譯碼算法，運算量要低于Turbo超過Turbo碼成為新的研究熱點。LDPC碼的譯碼算法，是一種基于稀疏矩陣的并行迭代譯碼算法，運算量要低于Turbo碼譯碼算法，LDPC碼的碼率可以任意構(gòu)造，有更大的靈活性。而Turbo碼只能，LDPCLDPC（二本課題研究的熱點及發(fā)展現(xiàn)1901年，意大利無線電工程師馬可尼在英國與紐芬蘭之間(距離為3400Km)，實現(xiàn)了20世紀(jì)60年代以前的30多年里，受科學(xué)技術(shù)知識的限制，短波通信技術(shù)發(fā)展302060和使用。由于短波通信得天獨厚的優(yōu)勢，在2070年代后又掀起研究熱潮，進(jìn)2.LDPC2.LDPC型，并將LDPC碼校驗矩陣與計算樹一一對應(yīng)，用一個變量節(jié)點代表校驗矩陣中某一是線性增加的，同時發(fā)現(xiàn)隨著碼字長度增加，誤比特率降低。雖然Gallager被看好，一度被認(rèn)為是一種不實用碼，被人們所忽視。直到1996年D.MacKay和氣與推進(jìn)實驗室）實驗室推出的深空通信CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中的信道編碼候選方案[4]?；贚DPC碼的編碼方案已經(jīng)被歐洲下一代衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)DVB-S2采納（超寬帶）和DVB-S2芯片亮相。由于衛(wèi)星數(shù)字電視也需支持?jǐn)?shù)字高清規(guī)格，為了提高QPSK時，離糾錯碼香農(nóng)極限（ShannonLimit）0.305dB。ComtechAHA公司推出一種LDPC碼前向糾錯編碼、解碼器內(nèi)核。該LDPC碼比其FECLDPCBER的信道條件。該內(nèi)核以FPGA實現(xiàn)，支持高達(dá)30Mbit/s256的影響后，引入了先進(jìn)的信道糾錯編碼技術(shù)—LDPC碼。并于20068月在廣電科技LDPC化算法等，經(jīng)過研究人員的努力，LDPC碼的研究取得很大進(jìn)展。LDPC[7]OFDM短波差分跳頻（DFH）通信系統(tǒng)中，LDPC-DFHDFH（三）課題研究內(nèi)容安LDPC碼的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，表明兩者在通信領(lǐng)域DRM第三部分——LDPCLDPCLDPC碼的構(gòu)造、編、譯碼原理，4個維度來介紹，闡明LDPC碼的特點，以及核心原理。二、傳統(tǒng)短波系統(tǒng)中信道編碼的研究與分（一二、傳統(tǒng)短波系統(tǒng)中信道編碼的研究與分（一數(shù)字廣播調(diào)幅系統(tǒng)中信道編碼的研再在這些位置上添充,然后輸入(N,1,m)碼的Vitethi譯碼器譯碼。的刪除碼CP;。輸入編碼器的信息元:（u0,u1,...，uk-編碼器輸出的碼字：（v0,v1,...，vk-刪除的碼源的位置：[1 1],1表示保留位，0表示刪除位刪除后的碼字：[v0’,v2’,...，vk- ]以后,在發(fā)端的刪除位置上填充特定的虛刪除碼的譯碼就可基于普通的(1,1,m)碼的Viterbi譯碼方法進(jìn)行。Mp-I-（X）=(a,映射碼字,b,b,b)}i i-i-i-133，171，145，133FAC信道數(shù)據(jù)，根據(jù)不同編碼率下的刪除圖樣直接進(jìn)行編碼。MSCSDC24次數(shù)增加有所提升，因此解碼性能靠接收端的實現(xiàn)方法[9]——110CHarrisRockwellCollins標(biāo)準(zhǔn)相比,110C24kHz帶寬、3kHz120kbit/s(共計33種速率)的13Short和Long兩種交織類型,使交織深度的最短平均值為0.12s能達(dá)到最優(yōu)。Harris201063kHz、6kHz、12kHz24kHz的110C110C頒以K=7為例,若要得到3/4系統(tǒng)編碼率,編碼后的碼字每3bit1/2，采用重復(fù)的方式。相比直接獲得低碼率的編碼方式，這種方式（一）1/2，采用重復(fù)的方式。相比直接獲得低碼率的編碼方式，這種方式（一）LDPC的理論基1.LDPCLDPCLDPC碼的理論基礎(chǔ)。分組碼，編碼時對每k個信息位分為一組進(jìn)行單獨處理，在信息位后面加上n-kn重碼子（n>k），也就是說分組碼的碼長為n，qk個碼字，當(dāng)且僅當(dāng)這qk個碼字構(gòu)成GF(q)上所有n維nk[n,k]nT：Hc（3-（3-（3-kC={uG|u∈FqHGT=0G1981TannerLDPCTanner（因子圖）。Tanner圖中所有的代碼點可以分成互不相關(guān)的兩類，我們稱之為信息點和校驗點。Tanner圖上的邊以一定的規(guī)律把它們連接起來，但是同一類中的代碼點不TannerHTanner圖的行向Tannerx=(x1，x2，…，xn)Hx=0(2-1）是一個（6,2,3）LDPC(2-2）0010110100011變量節(jié)110校驗節(jié)(2-1）是一個（6,2,3）LDPC(2-2）0010110100011變量節(jié)110校驗節(jié)3-2Tanner3-1LDPC1）圍長：Tanner等，這樣的LDPC碼稱為非規(guī)則碼。（二）LDPC1.GallagerH1H.HH0.nρ. iρ，H0為預(yù)先構(gòu)造的矩陣，UH0Uj（H0）（j=1,2,...λ）H0HU1(HUUj（H0）（j=1,2,...λ）H0HU1(HU2(H..H0.1.1MackayMackay2LDPC碼3-31A2A：1A3333-41A1B,2B1A,2A那些使TannerTanner圖上沒有周長為某個特定長度LDPC3-41A1B,2B1A,2A那些使TannerTanner圖上沒有周長為某個特定長度LDPC響碼的譯碼性能[10]Tanner[10]，這里我們不作詳細(xì)介LDPC碼碼集的因子圖中環(huán)的長LDPC碼具有較優(yōu)的性能，將其作為構(gòu)造結(jié)果進(jìn)行編碼。1.3QC?XXX....XX..=H.. Xck其中=m×G。在獲得校驗矩陣H后，已知校驗矩陣H求解生成矩陣G的主要算法是二1H’=H，i12Hi1iH0，則這一行是線性相關(guān)的，標(biāo)記出來，找下一行i+1，重新執(zhí)行步驟2i>m，結(jié)束。30ii12HRG1.1Efficient矩陣稀疏性的優(yōu)勢，正如這個算法名一樣，提高了效率。EfficientH3-53-4TH’=T·0=TTH’=T·0=TBD1ABET1B ETA 如果碼字c表示為m1212TASTBp1TTp2TETAC)s(ET1BD)p1TT 了另一n維矢量u’=（un-1 ，un-2），這個過程叫做循環(huán)移位C為循環(huán)碼。二元（n，k）C中次數(shù)最低的非零碼字多項式： n-k- n-g(x)=1+g1x+g2x+....+gn-k-1xu(x)=u0+u1x+u2x+....+un-1x= n- j（3-（3-（四）LDPCBFMP[12]算法。MP1.1能優(yōu)于傳統(tǒng)糾錯編碼的重要原因之一。具體原理就不詳細(xì)描述了，可以參考文獻(xiàn)[13]（一）CMMB系統(tǒng)LDPC碼的仿1.CMMBCMMB標(biāo)準(zhǔn)定義了廣播業(yè)務(wù)頻率范圍內(nèi)信道物理層各功能模塊及其傳輸信號的幀圖4-1是CMMB系統(tǒng)物理層邏輯信道的功能框圖。圖中，上層數(shù)據(jù)流在RS編碼和字節(jié)交織環(huán)節(jié)后，每個字節(jié)映射為8位比特流并送入LDPC編碼器中，而字節(jié)4-1CMMBCMMBLDPC1/23/44-1LDPC2.CMMBLDPCCMMB4-1CMMBCMMBLDPC1/23/44-1LDPC2.CMMBLDPCCMMB1/23/4LDPC4608×92162304×9216維的校驗矩陣，其校驗矩陣都具有高度結(jié)構(gòu)化的特點，下面作循環(huán)移位的因子有所不同：1/2碼率的LDPC碼，行移位規(guī)則為每隔1836361位位碼，行移位規(guī)則為每隔行172列元素的位置向下循環(huán)移位行。LDPC256×36183618移位得到就是第一個子矩陣?？梢奀MMB3618移位得到就是第一個子矩陣?？梢奀MMB中的LDPC3.CMMBLDPC4-2碼率為1/23/4LDPCSNR-BER（二）DTMB系統(tǒng)LDPC碼的仿1.DTMB4-3發(fā)送機(jī)原理框圖4-3發(fā)送機(jī)原理框圖(8MHz帶寬內(nèi))該信號經(jīng)變頻轉(zhuǎn)換為射頻信號(UHFVHF頻段范圍內(nèi))。LDPC碼。DTMBLDPC7493比特，是固定值。在標(biāo)3.DTMBLDPC0.4、0.60.8LDPCCMMB1234-44-4CMMB4-44-4CMMBDTMBSNR-BER（三）TMMB系統(tǒng)中LDPC碼的仿真與1.TMMBTMMB(Terrestrial-MobileMultimediaBroadcasting)是一個單向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。TMMB(DigitalMultimediaBroadcasting)，以及國際上兩大手機(jī)電視標(biāo)準(zhǔn)——DAB-IPTDMBTMMB系統(tǒng)具有完整的自主知識產(chǎn)2220086TMMB2.TMMBLDPC的結(jié)果作了比較。具體實驗結(jié)果如圖4-5所示：4-5CMMBTMMB0.5SNR-BER4-5CMMBTMMB0.5SNR-BER（四）WiMax802.16e標(biāo)準(zhǔn)中LDPC碼的仿真與研1.WiMax802.16e方式，所以共有6種編碼方式。2.WiMax802.16eLDPCLDPC碼迭代譯碼的性能具有門限現(xiàn)象，即當(dāng)碼長趨于無窮，信道噪聲參數(shù)小于a、b兩種編碼方式。對于高斯白噪聲信道，LDPC碼的收斂門限指的是最大信道噪聲標(biāo)準(zhǔn)方差。下面給出了WiMax802.16e，LDPC和達(dá)到時對應(yīng)的信4-3WiMax802.16eLDPC2/3ab，說明同樣的編碼率和度數(shù)WiMax802.16e的LDPC碼。根據(jù)不同的膨脹因子，生成不同的校驗矩陣。其實校驗矩陣就是一個大的0、1矩2304，編碼率是1/212*24，然后每個值又膨脹成96*96的矩陣，因此整個校驗矩陣的行數(shù)為12*96=1152，列數(shù)為24*96=2304。2/3ab，說明同樣的編碼率和度數(shù)WiMax802.16e的LDPC碼。根據(jù)不同的膨脹因子，生成不同的校驗矩陣。其實校驗矩陣就是一個大的0、1矩2304，編碼率是1/212*24，然后每個值又膨脹成96*96的矩陣，因此整個校驗矩陣的行數(shù)為12*96=1152，列數(shù)為24*96=2304。p(i,p(i,j)p(i,j)p(f,i,j)p(i, p(f,i,j)p(i,p(i,j)p(i,j)3.各種編3.各種編碼率下校驗矩陣的基本2.WiMax802.16eLDPC2.WiMax802.16eLDPC1/2,2/3b,3/4a,5/64-13R=5/6SNR-BERLDPC4-13R=5/6SNR-BERLDPC802.16e的碼作對比實驗，觀察兩者對DRM系統(tǒng)誤比特率的影響。4-140.5802.16eLDPCSNR-BERSNRDRM所描述的那樣短波信道的環(huán)境十分惡劣，信道十分狹窄。CMMB、DTMB、TMMB三種系Wimax802.16eLDPC576bitWimax802.16eLDPC576bit波系統(tǒng)中的WimaX802.16e標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重點研究與分析。適配，找到合適的LDPC碼。,.-[M].168CEShannon.AMathematicalTheoryofCommunication[J].BellSystemTech.J.，（27）：379-D.J.C.MackayandR.M.Neal.NearShannonLimitPerformanceofLow-densityParity-checkCCSDS131.1-0-2.LowdensityparitycheckcodesforuseinnearEarthanddeepETSITR102376V1.1.1.DigitalVideoBroadcasting（DVB）userguidelinesforthesecondgenerationsystemforbroadcasting；interactiveservices，newsgatheringandotherbroadbandsatelliteapplications（DVB-S2）.EBI，2005LDPC技術(shù)在嫦娥二號任務(wù)中試驗成功.Online徐謀磊LDPC技術(shù)在嫦娥二號任務(wù)中試驗成功.Online徐謀磊.LDPC碼在DM-OFDM短波通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].南京：東南大學(xué),2010:56-57頁17期：553