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短波宽带通信系统LDPC码的研短波宽带通信系统LDPC码的研究与应摘要关键词：短波通信系统，LDPC码TheresearchandTheresearchandapplicationofLDPCcodesinwidebandcommunicationWuWiththerapiddevelopmentofcommunicationtechnology,shortwavecommunicationbecameoneofahigh-endtechnology,especiallyinthehigh-techmilitarystruggle,complexbattlefieldconditions(topography,weatheretc.)andthebadelectromagneticenvironmentrequiresinformationmoreaccurate,timely,securetransmission,whichputforwardmorestringentrequirementsonthequalityandsafetyinformationthetransmissionrateoftheshortwavecommunication.InordertoreducethewidebandHFchannel,multipathphenomenonisveryserious,largedelay,Dopplerfrequencyshiftandfadinginfluencefactorsonthebiterrorrateofthecommunicationsystem,thehighreliabilityofLPDCcodesaschannelcoding.ThispapermainlycarriesonthesimulationoftheexistingcommunicationsysteminLDPCcode,docomparativestudy,findtheappropriateparitycheckmatrix,obtainedasuitablewidebandHFcommunicationsysteminLDPCKeywords:Shortwavecommunicationsystem，LDPCcode目录摘 目 目录摘 目 一、绪 （一（二（三课题研究的背景和意 本课题研究的热点及发展现 课题研究内容安 二、传统短波系统中信道编码的研究与分 （一）DRM数字广播调幅系统中信道编码的研 （二）美军短波宽带数据通信标准MIL-STD-188- 三、LDPC码简 （一）LDPC码理论基 （二）LDPC码的构 （三）LDPC码的编码原 （四）LDPC码的译码原 四、各系统中LDPC码的研究与仿 （一（二（三（三（四CMMB系统中LDPC码的仿真与研 DTMB系统中LDPC码的仿真与研 TMMB系统中LDPC码的仿真与研 WiMax802.16系统中LDPC码的仿真与研 本章小 五、总结与展 参考文 后 （一）（一）课题研究的背景和短波通信又称高频通信，是波长在100米～10米之间，频率范围3兆赫～30兆赫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2342ms20Hz至50Hz，73Hz3.7KHz2～4条，可用频带窄导致通信容量小，信道拥挤，通信可靠性超过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，LDPCLDPC（二本课题研究的热点及发展现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20世纪60年代以前的30多年里，受科学技术知识的限制，短波通信技术发展302060和使用。由于短波通信得天独厚的优势，在2070年代后又掀起研究热潮，进2.LDPC2.LDPC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（超宽带）和DVB-S2芯片亮相。由于卫星数字电视也需支持数字高清规格，为了提高QPSK时，离纠错码香农极限（ShannonLimit）0.305dB。ComtechAHA公司推出一种LDPC码前向纠错编码、解码器内核。该LDPC码比其FECLDPCBER的信道条件。该内核以FPGA实现，支持高达30Mbit/s256的影响后，引入了先进的信道纠错编码技术—LDPC码。并于20068月在广电科技LDPC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[7]OFDM短波差分跳频（DFH）通信系统中，LDPC-DFHDFH（三）课题研究内容安LDPC码的发展历史和现状，表明两者在通信领域DRM第三部分——LDPCLDPCLDPC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。二、传统短波系统中信道编码的研究与分（一二、传统短波系统中信道编码的研究与分（一数字广播调幅系统中信道编码的研再在这些位置上添充,然后输入(N,1,m)码的Vitethi译码器译码。的删除码CP;。输入编码器的信息元:（u0,u1,...，uk-编码器输出的码字：（v0,v1,...，vk-删除的码源的位置：[1 1],1表示保留位，0表示删除位删除后的码字：[v0’,v2’,...，vk- ]以后,在发端的删除位置上填充特定的虚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。Mp-I-（X）=(a,映射码字,b,b,b)}i i-i-i-133，171，145，133FAC信道数据，根据不同编码率下的删除图样直接进行编码。MSCSDC24次数增加有所提升，因此解码性能靠接收端的实现方法[9]——110CHarrisRockwellCollins标准相比,110C24kHz带宽、3kHz120kbit/s(共计33种速率)的13Short和Long两种交织类型,使交织深度的最短平均值为0.12s能达到最优。Harris201063kHz、6kHz、12kHz24kHz的110C110C颁以K=7为例,若要得到3/4系统编码率,编码后的码字每3bit1/2，采用重复的方式。相比直接获得低码率的编码方式，这种方式（一）1/2，采用重复的方式。相比直接获得低码率的编码方式，这种方式（一）LDPC的理论基1.LDPCLDPCLDPC码的理论基础。分组码，编码时对每k个信息位分为一组进行单独处理，在信息位后面加上n-kn重码子（n>k），也就是说分组码的码长为n，qk个码字，当且仅当这qk个码字构成GF(q)上所有n维nk[n,k]nT：Hc（3-（3-（3-kC={uG|u∈FqHGT=0G1981TannerLDPCTanner（因子图）。Tanner图中所有的代码点可以分成互不相关的两类，我们称之为信息点和校验点。Tanner图上的边以一定的规律把它们连接起来，但是同一类中的代码点不TannerHTanner图的行向Tannerx=(x1，x2，…，xn)Hx=0(2-1）是一个（6,2,3）LDPC(2-2）0010110100011变量节110校验节(2-1）是一个（6,2,3）LDPC(2-2）0010110100011变量节110校验节3-2Tanner3-1LDPC1）围长：Tanner等，这样的LDPC码称为非规则码。（二）LDPC1.GallagerH1H.HH0.nρ. iρ，H0为预先构造的矩阵，UH0Uj（H0）（j=1,2,...λ）H0HU1(HUUj（H0）（j=1,2,...λ）H0HU1(HU2(H..H0.1.1MackayMackay2LDPC码3-31A2A：1A3333-41A1B,2B1A,2A那些使TannerTanner图上没有周长为某个特定长度LDPC3-41A1B,2B1A,2A那些使TannerTanner图上没有周长为某个特定长度LDPC响码的译码性能[10]Tanner[10]，这里我们不作详细介LDPC码码集的因子图中环的长LDPC码具有较优的性能，将其作为构造结果进行编码。1.3QC−XXX....XX..=H.. Xck其中=m×G。在获得校验矩阵H后，已知校验矩阵H求解生成矩阵G的主要算法是二1H’=H，i12Hi1iH0，则这一行是线性相关的，标记出来，找下一行i+1，重新执行步骤2i>m，结束。30ii12HRG1.1Efficient矩阵稀疏性的优势，正如这个算法名一样，提高了效率。EfficientH3-53-4TH’=T·0=TTH’=T·0=TBD1ABET1B ETA 如果码字c表示为m1212TASTBp1TTp2TETAC)s(ET1BD)p1TT 了另一n维矢量u’=（un-1 ，un-2），这个过程叫做循环移位C为循环码。二元（n，k）C中次数最低的非零码字多项式： 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能优于传统纠错编码的重要原因之一。具体原理就不详细描述了，可以参考文献[13]（一）CMMB系统LDPC码的仿1.CMMBCMMB标准定义了广播业务频率范围内信道物理层各功能模块及其传输信号的帧图4-1是CMMB系统物理层逻辑信道的功能框图。图中，上层数据流在RS编码和字节交织环节后，每个字节映射为8位比特流并送入LDPC编码器中，而字节4-1CMMBCMMBLDPC1/23/44-1LDPC2.CMMBLDPCCMMB4-1CMMBCMMBLDPC1/23/44-1LDPC2.CMMBLDPCCMMB1/23/4LDPC4608×92162304×9216维的校验矩阵，其校验矩阵都具有高度结构化的特点，下面作循环移位的因子有所不同：1/2码率的LDPC码，行移位规则为每隔1836361位位码，行移位规则为每隔行172列元素的位置向下循环移位行。LDPC256×36183618移位得到就是第一个子矩阵。可见CMMB3618移位得到就是第一个子矩阵。可见CMMB中的LDPC3.CMMBLDPC4-2码率为1/23/4LDPCSNR-BER（二）DTMB系统LDPC码的仿1.DTMB4-3发送机原理框图4-3发送机原理框图(8MHz带宽内)该信号经变频转换为射频信号(UHFVHF频段范围内)。LDPC码。DTMBLDPC7493比特，是固定值。在标3.DTMBLDPC0.4、0.60.8LDPCCMMB1234-44-4CMMB4-44-4CMMBDTMBSNR-BER（三）TMMB系统中LDPC码的仿真与1.TMMBTMMB(Terrestrial-MobileMultimediaBroadcasting)是一个单向网络系统。TMMB(DigitalMultimediaBroadcasting)，以及国际上两大手机电视标准——DAB-IPTDMBTMMB系统具有完整的自主知识产2220086TMMB2.TMMBLDPC的结果作了比较。具体实验结果如图4-5所示：4-5CMMBTMMB0.5SNR-BER4-5CMMBTMMB0.5SNR-BER（四）WiMax802.16e标准中LDPC码的仿真与研1.WiMax802.16e方式，所以共有6种编码方式。2.WiMax802.16eLDPCLDPC码迭代译码的性能具有门限现象，即当码长趋于无穷，信道噪声参数小于a、b两种编码方式。对于高斯白噪声信道，LDPC码的收敛门限指的是最大信道噪声标准方差。下面给出了WiMax802.16e，LDPC和达到时对应的信4-3WiMax802.16eLDPC2/3ab，说明同样的编码率和度数WiMax802.16e的LDPC码。根据不同的膨胀因子，生成不同的校验矩阵。其实校验矩阵就是一个大的0、1矩2304，编码率是1/212*24，然后每个值又膨胀成96*96的矩阵，因此整个校验矩阵的行数为12*96=1152，列数为24*96=2304。2/3ab，说明同样的编码率和度数WiMax802.16e的LDPC码。根据不同的膨胀因子，生成不同的校验矩阵。其实校验矩阵就是一个大的0、1矩2304，编码率是1/212*24，然后每个值又膨胀成96*96的矩阵，因此整个校验矩阵的行数为12*96=1152，列数为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.各种编3.各种编码率下校验矩阵的基本2.WiMax802.16eLDPC2.WiMax802.16eLDPC1/2,2/3b,3/4a,5/64-13R=5/6SNR-BERLDPC4-13R=5/6SNR-BERLDPC802.16e的码作对比实验，观察两者对DRM系统误比特率的影响。4-140.5802.16eLDPCSNR-BERSNRDRM所描述的那样短波信道的环境十分恶劣，信道十分狭窄。CMMB、DTMB、TMMB三种系Wimax802.16eLDPC576bitWimax802.16eLDPC576bit波系统中的WimaX802.16e标准进行了重点研究与分析。适配，找到合适的LDPC码。,.-[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技术在嫦娥二号任务中试验成功.Online徐谋磊LDPC技术在嫦娥二号任务中试验成功.Online徐谋磊.LDPC码在DM-OFDM短波通信系统中的应用[D].南京：东南大学,2010:56-57页17期：553