1、毕 业 论 文短波宽带通信系统中 LDPC码的研究与应用学 院 信息工程学院 专 业 数字媒体技术班 级 数字图像处理方向姓 名 指导教师 中 国 传 媒 大 学年 月 日I短波宽带通信系统中 LDPC码的研究与应用摘 要随着通讯技术迅猛地发展，短波通讯成为了其中一种高端的技术，尤其在高科技军事斗争中，复杂的战场条件（地形、天气等）和恶劣的电磁环境都要求信息更加精确、及时、安全地传输，这就对短波通信的安全质量及信息传输速率提出了更加严苛的要求。为减小短波宽带信道中，多径现象非常严重、时延较大、多普勒频移大和衰落严重等因素对通信系统误比特率的影响，引入了高可靠性的 LPDC 码作为信道编码方式。
2、近年来随着信道编码技术的不断进步，硬件技术的不断发展，LPDC 码作为信道编码方式展现了巨大的潜力。相对于传统的卷积码，LDPC 码的码率可以任意构造，有更大的灵活性。其次 LDPC 码的译码算法，是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，由于结构并行的特点，在硬件实现上比较容易。因此在大容量通信应用中，LDPC码更具有优势。基于以上优点，在短波宽带通信系统中使用 LDPC 码，能提供高质量、高可靠性的通信服务，是一个重要的应用领域研究课题。 本论文在对各个通信系统中 LDPC 码的标准进行学习与研究的基础上，对标准CMMB、DTMB、TMMB、Wimax IEEE 802.16e、Mcwill
3、系统进行了仿真，得到误码率曲线，对各系统中不同结构的 LDPC 码的性能作出了分析。 其中重点研究了 Wimax IEEE 802.16e 中不同码率、码长的 LDPC 码的性能，并将其 DRM 中的卷积码性能进行了对比，分析 LDPC 码较于传统卷积码的性能优势。 最后对之前的实验结果 LDPC 码进行整理归纳，做对比研究，寻找合适的校验矩阵，得出适用于短波宽带通信系统中 LDPC 码。关键词：短波通信系统，LDPC码，MATLABIIThe research and application of LDPC codes in wideband HF communication systemA
4、BSTRACTWith communication technology rapid development, the short wave communication become a high-end technology, especially in the high-tech military struggle, complex battlefield conditions, terrain, weather, etc.), and the bad electromagnetic environment require information more accurate, timely
5、, safe transmission, which on the shortwave communication quality and safety information transmission rate proposed more stringent requirements.In order to reduce the wideband HF channel, multipath phenomenon is very serious, large delay, Doppler frequency shift and fading and serious factor of comm
6、unication system bit error rate, introduced the high reliability of LPDC codes as channel coding.In recent years, with the continuous progress of channel coding technology, the development of hardware technology, LPDC codes as channel coding methods show great potential. Compared with the traditiona
7、lconvolutional code, LDPC code can be arbitrary rate, greater flexibility. Secondly LDPC decoding algorithm, a parallel iterative decoding algorithm based on sparse matrix, due to the characteristics of the parallel structure, the hardware implementation easier. Therefore in large capacity communica
8、tion applications, LDPC code has more advantages. Based on the above advantages, in the wideband HF communication system using LDPC codes, to provide high quality, high reliability of the communication service is an important application field of research.This paper on the study and research of LDPC
9、 codes standards of various communication systems based, of CMMB standard, DTMB, tmmb, WiMAX IEEE 802.16e and McWiLL simulation bit error rate curve, making analysis to the performance of different structure of LDPC codes in the system.Which focuses on the performance of different code rate and code
10、 length LDPC codes in the IEEE 802.16e WiMAX and compare the DRM convolutional code performance, performance advantages of LDPC codes, compared with the traditional convolutional codes.Finally of previous experimental results LDPC codes were summarized, comparative study, looking for the appropriate
11、 calibration matrix, obtained the applicable to wideband HF communication system in LDPC codes.Keywords: Shortwave communication system，LDPC code ，MATLAB目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .1一、绪 论 .1（一） 课题研究的背景和意义 .1（二） 本课题研究的热点及发展现状 .1（三） 课题研究内容安排 .1二、短波系统中信道编码的研究与分析 .4（一） DRM 数字广播调幅系统中信道编码的研究 .4（二） 美军短波宽带数据通信
12、标准 MIL-STD-188-110C.4三、LDPC 码简介 .4（一） LDPC 码理论基础 .4（二） LDPC 码的构造 .4（三） LDPC 码的编码原理 .4（四） LDPC 码的译码原理 .4四、各系统中 LDPC 码的研究与仿真 .5（一） CMMB 系统中 LDPC 码的仿真与研究 .5（二） DTMB 系统中 LDPC 码的仿真与研究 .5（三） TMMB 系统中 LDPC 码的仿真与研究 .5（三） WiMax802.16 系统中 LDPC 码的仿真与研究 .5（四） 本章小结 .5五、总结与展望 .7参考文献 .8附录 .8后记 .10中国传媒大学本科毕业论文1一、绪
13、论（一） 课题研究的背景和意义短波通信频率范围 3 兆赫30 兆赫的一种无线电通信技术。被广泛地应用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，是一种重要的通信手段。 尽管新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视，不仅没有淘汰，还在不断快速发展。特别是在在军事通信中处于不可替代的地位，因为它有着其它通信系统不具备的优点：1）通过电离层反射进行通信，通信距离远，不需要中继站即可与数千公里外通信，如果发生战争或灾害，各种通信网络都会受到破坏，卫星也会受到攻击。无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无法媲美。2）高度机动性，天线架设简单，携带方便，容易隐蔽，
14、既可用于固定台站，也可用于机动台站；3）抗干扰能力强，抗摧毁能力强，组网方便，频率变化快；4）投入成本小，运行成本低，由于其利用公共的天然信道电离层进行通信，不需交纳额外的信道使用费。正是因为这些独特的优点，短波通信自被发现以来，一直是各国学者们争相研究的对象，不断地发展进步。短波有两种基本的传播方式：一个是地波，一个是天波。由于地波传播的能量损耗会随着频率的增高而递增，因此在高频情况下只适合短距离通信。而天波是由电离层折射后返回地面的无线电波，又由地面反射会电离层，可以多次反射，传播距离远，所以天波是短波通信的主要传播手段。但由于多次反射，天波不是很稳定。这也是短波通信中最严重的缺点：传输过
15、程中多径现象非常严重、时延较大、多普勒频移大和衰落严重，时延典型值为 2ms，多普勒频移高达 20Hz 至50Hz，在高纬度地区曾实测达 73Hz。 同时短波信道频带窄，一般情况下短波信道的带宽为 3.7KHz，信号传输路径为 24 条，可用频带窄导致通信容量小，信道拥挤，通信可靠性差，这使得短波信道十分复杂恶劣，短波信号传输不稳定，造成了短波通信的通信质量提高十分困难。 这些缺点使得短波通信技术需要不断更新来克服不利因素的影响。 随着大量通信新技术的涌现，各国学者们尝试将新技术引入短波通信中，短波通信标准被更新，短波电台不断换代，建立实验仿真探索新的方法，以满足现代战争条件下对短波通信的更高
16、要求。信道编码技术 1通过在信息位后增加校验位来增强纠错性能，凭借降低误码率来提高整个通信系统的通信质量。短波通信中也有很多纠错码得到了使用和尝试，并取得了不错的效果。而近年来，LDPC 码以其在 AWGN 信道下接近 Shannon 极限的优异中国传媒大学本科毕业论文2性能超过 Turbo 码成为新的研究热点。LDPC 码的译码算法，是一种基于稀疏矩阵的并行迭代译码算法，运算量要低于Turbo 码译码算法， LDPC 码的码率可以任意构造，有更大的灵活性。而 Turbo 码只能通过打孔来达到高码率，这样打孔图案的选择就需要十分慎重的考虑，否则会造成性能上较大的损失。总之 ，LDPC 码具有描
17、述简单、码率构造灵活、译码复杂度低、实用灵活等诸多优点，将其用于短波通信中对抗干扰和减少系统时延，进一步提高短波通信系统的可靠性是十分合适的。本文主要对已有通信系统中的 LDPC 码进行仿真，做对比研究，寻找合适的校验矩阵，得出一种适用于短波宽带通信系统中 LDPC 码，为短波通信未来的发展提供一种可行的技术参考。（2） 本课题研究的热点及发展现状1. 短波通信发展历史及现状1901 年，意大利无线电工程师马可尼在英国与纽芬兰之间(距离为 3400Km)，实现了跨越整个大西洋的无线电通信。无线电短波通信迅速发展，成为远距离无线通信的主要技术手段。20 世纪 60 年代以前的 30 多年里，受科
18、学技术知识的限制，短波通信技术发展相对缓慢，但也已在多个领域，尤其是军事领域得到广泛应用，是国际间电子通信的主要手段，可以说这 30 年是短波无线通信发展的黄金时期。20 世纪 60 年代中期卫星通信出现使得短波通信的缺点越来越多地暴露出来：带宽较窄，射频频谱资源紧张，存在信道间干扰问题，易被窃听等等。相反的是，新型卫星通信技术可以提供宽频带、高速、稳定、质量高的远程通信，这些优势在短波的短板面前无限放大，使得短波通信的发展陷入低潮，许多原本属于短波通信的重要业务逐步被卫星通信所取代。然而随着电子战、卫星战等多样化的战争方式的出现，实践证明，卫星通信，尤其是在军事领域是无法不能替代短波通信的。
19、一旦发生战争，卫星目标明显且固定，很容易遭到摧毁和破坏，设备很难得到及时修理和恢复，整个通信系统将瘫痪，后果是不堪设想，这在信息战中是极其不利的；短波自身的特点决定其是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段，该技术的抗打击能力和自主通信能力超出其他通信方式，再加之卫星通信技术成本很高，而短波通信技术起点较低、价格低廉，一般的国家均能进行部署和使用。由于短波通信得天独厚的优势，在 20 世纪 70 年代后又掀起研究热潮，进入高速发展时期，而微电子技术、计算机技术、移动通信技术的快速发展给了短波通信模块化、数字化、自适应化以强有力的技术支持，推动了短波通信的技术革新，可以说短波通信的技术发
20、展潜力巨大。中国传媒大学本科毕业论文32. LDPC码发展历史及现状自从 Shannon 提出信道编码定理 2以来，研究者们也一直孜孜不倦地在寻找一种复杂度较低且容易实现，而且性能优越、尽可能接近 Shannon 极限的信道编码方案。在 1963 年，一篇由美国电子工程师 Robert G.Gallager 撰写，名为Low-Density Check-Parity Code的论文的发表，标志着 LDPC 码的正式诞生。Gallager 建立了计算树模型，并将 LDPC 码校验矩阵与计算树一一对应，用一个变量节点代表校验矩阵中某一列，用一个校验节点代表某一行，校验矩阵中的非零元素所在的行和列对
21、应的变量节点和校验节点之间有边相连。Gallager 证明随着码长的增加，Ldpc 码的最小汉明距离是线性增加的，同时发现随着码字长度增加，误比特率降低。虽然Gallager 证明了 LDPC 码是具有优越性能的好码，但由于当时计算能力以及电子技术的限制，LDPC 码并不被看好，一度被认为是一种不实用码，被人们所忽视。直到1996 年 D.MacKay 和 R.Neal 证明 LDPC 码是一种好码 3， 认可并推广了 Gallager 的实验理论，论述了置信传播（BP）算法的详细原理，极大地推动了 LDPC 码的发展进步，可以说是 LDPC 码发展的里程碑，随后 LDPC 码也成为了各国学者
22、重点研究的对象，在越来越多的通信系统中获得应用。Flarion 公司采用 LDPC 编码的 OFDM 系统方案已作为正在拟定的广域宽带移动通信标准 IEEE 802.20 候选提案。LDPC 码已被作为 NASAJPL（美国国国家航空航天局喷气与推进实验室）实验室推出的深空通信 CCSDS 标准中的信道编码候选方案 4。基于 LDPC 码的编码方案已经被欧洲下一代卫星数字视频广播标准 DVB-S2 采纳 5。在半导体技术国际会议“ISSCC2005”上，有 2 个研究小组于 2005 年 2 月就在LIS（大规模集成电路）中封装 LDPC 码的结果发表了演讲。采用 LDPC 码纠错的UWB（超
23、宽带）和 DVB-S2 芯片亮相。意法半导体称此 LSI 具有很高的性能，在调制方式为 QPSK 时，离纠错码香农极限（Shannon Limit）仅差 0.305dB。Comtech AHA 公司推出一种 LDPC 码前向纠错编码、解码器内核。该 LDPC 码比其它商用 FEC 方式具有更高的误码率性能。该 LDPC 码的 BER 比现有其它纠错技术更接近香农极限。此 LDPC 内核支持多种编码、调制格式及数据率，可动态改变以适应变化的信道条件。该内核以 FPGA 实现，支持高达 30 Mbit/s 的数据率、块大小最高为30kbit/s，输入量化多达 6 位，每块可编程反复达 256 次。
24、我国颁布的移动多媒体广播标准中，就以 LDPC 码作为信道编码方法来实现前向纠错来提升信息传输的可靠性。我国的 T-MMB 系统为了保证采用高阶调制方式系统在高速移动环境下保持良好的接收性能，在综合考虑了性能、复杂度、实现平台等因素的影响后，引入了先进的信道纠错编码技术LDPC 码。并于 2006 年 8 月在广电科技司安排下，在北京完成了外场大功率功能测试。2008 年 6 月 9 号我国在西昌发射的“中星 9 号”卫星的 ABS-S（先进卫星广播系统）标准中也采用了一类 LDPC 码，这类 LDPC 码具有高结构性。该结构的 LDPC 码，中国传媒大学本科毕业论文4其编解码复杂度低，并可以
25、在相同码长条件下，方便地实现不同码率的 LDPC 码设计。作为嫦娥二号任务的六大工程目标之一，清华大学研制的低密度奇偶校验码于2010 年 10 月 10 日按照嫦娥二号任务的预定计划参与了技术试验，工作稳定，整个试验过程顺利。LDPC 编码设备体积小、重量轻、功耗低，可使测控通信的可靠性和传输数据速率得到较大的提升，被确定为嫦娥二号任务测控通信系统的四大创新技术之一，这在国内卫星上应用尚属首次 6。目前 LDPC 码研究领域的主要工作集中在译码算法的性能分析、编码方法、码的优化算法等，经过研究人员的努力，LDPC 码的研究取得很大进展。LDPC 码在短波通信中的应用也已作了尝试，根据文献 7
26、所记载，在时域差分OFDM 短波通信系统中应用 LDPC 码，把两个国产 TBR-134A 短波便携式电台作为收发信机，通过实际测试表明系统工作性能优良，传送话音十分清晰。而文献 8中将LDPC 码用于短波差分跳频（简称 DFH）通信系统中，LDPC-DFH 系统的误比特率相比于传统的 DFH 系统，下降速度迅速，性能更加优良。（三） 课题研究内容安排本文内容安排如下：第一部分绪论。阐述了短波通信在整个通信领域的重要性、不可替代性，同时介绍了短波通信的优缺点，以改善短波通信的可靠性作为切入点，提出课题的研究背景和意义。其次综合叙述了短波通信以及 LDPC 码的发展历史和现状，表明两者在通信领域
27、具有极大的发展潜力。第二部分传统短波通信系统中编码的研究与分析。主要介绍了 DRM 数字广播调幅系统和美军短波宽带数据通信标准 MIL-STD-188-110C，了解传统短波通信系统的编码方式以及原理。为下文与 LDPC 码的性能研究作下铺垫。第三部分LDPC 码的简介。主要是从 LDPC 码的理论基础、LDPC 码的构造、编、译码原理，4 个维度来介绍，阐明 LDPC 码的特点，以及核心原理。第四部分介绍了 CMMB、DTMB、TMMB、Wimax 802.16e 四种系统中 LDPC 码的应用。并对这几种系统做了性能比较实验，为短波通信系统的改进提供了依据。第五部分结论。对整个课题的总结与
28、展望，对短波通信系统中 LDPC 码的应用做进一步研究进行了讨论。 中国传媒大学本科毕业论文5二、传统短波系统中信道编码的研究与分析（一）DRM 数字广播调幅系统中信道编码的研究在 1999 年 11 月，欧洲电信标准化协会 European Telecommunications Standards Institute（简写为 ETSI）颁布了数字调幅广播 DRM（Digital Radio Mondiale）标准。而于 2008 年 2 月发布了 2.3.1 版本中，该版本在 2005 年 10 月发布的第二版 ES 201 980 的基础上做了以下几点改进： 1）将当时最新的 MPEG-4
29、 标准作为音频编码方式； 2）数据包模式中加入 FEC（Forward Error Correction 前向纠错）技术； 3）在使用下一帧 DRM 系统时的文字说明。 数字调幅广播 DRM 是 30MHz 以下数字调幅广播标准，覆盖长波、中波、短波的广播频带，适应此带宽下变化的信道限制和传播环境。为了满足这些条件限制，设计了不同的传输模式。这两种模式由以下两种传输参数所决定信号带宽相关参数、传输效率相关参数。从而客服了原来模拟调幅广播的传输质量差、业务单一等缺点，抗干扰性能好、频谱利用率高、能传送多套节目、发射功率很小，能提供优质的信息传输服务。下文主要阐述 DRM 数字广播调幅系统中信道编
30、码过程中的主要技术。1.删除卷积码把已知卷积码通过删除的手段来构造新的卷积码，形成的新码成为删除卷积码。基本原理是删除(N,1,m)码字中的某些特定位置的码字。在收端译码时,用特定的码元再在这些位置上添充,然后输入(N,1,m)码的 Vitethi 译码器译码。假设码源 C 是（1,1,m）卷积码，把信息元以 k 位分组，并输入（1,1,m）卷积编码器，从而把（1,1,m）编码器输出的码字看成是(k,k,m)卷积码 C的码字,其中 k是正整数,称为分组长度。按以下所示的位置,在码字的每 k 码元中,删除特定位置的（k-n）码元(nk),特定位置用矩阵 P 表示,称为删除模式。发送剩下的 n 个
31、码元,从而我们就得到了码率为k/n 的删除码 CP;。输入编码器的信息元:（u 0,u1,.，u k-1.）编码器输出的码字：（v 0,v1,.，v k-1.）删除的码源的位置：1 0 . 1,1 表示保留位，0 表示删除位。删除后的码字：v 0,v2,.，v k-1.接收端收到码字v 0,v2,.，v k-1.以后,在发端的删除位置上填充特定的中国传媒大学本科毕业论文6虚假码元,然后送入(1,1,m)译码器,并且在译码时禁止对这些虚假码元作运算,从而使这类删除码的译码就可基于普通的(1,1,m)码的 Viterbi 译码方法进行。DRM 系统使用的信道编码器为母码编码率 1/4、约束长度为
32、7 的删除卷积码。母码通过编码器生成自向量（X p,i）Mp-1 i-1=(ai)I-1 i-0,映射码字(b0,i,b1,i,b2,i,b3,i)I+5 i-0，方式如图所示：图 2-1 DRM 删除卷积编码器 具体公式如下：b0，j =aia i-2a i-3a i-5a i-6b1，j =aia i-1a i-2a i-3a i-6 (2-1)b2，j =aia i-1a i-4a i-6b3，j =aia i-2a i-3a i-5a i-6i=0,1,2，I+5。八进制形式的的生成多项式系数分别为 133，171，145，133。对于 FAC 信道数据，根据不同编码率下的删除图样直接进行编码。MSC 和 SDC 数据中的 24 个尾比特，需要经过计算后采用不同的删除方式得到编码后的码字。 接收机的解码过程可以通过迭代算法，也可以直接进行。接收机的性能随着迭代的次数增加有所提升，因此解码性能靠接收端的实现方法 9。
