衛星通信低信噪比編碼與解調技術論文
摘要：本文分析了LDPC碼與QPSK的概況，介紹了衛星通信低信噪比編碼，同時闡述了LDPC碼QPSK解調接收系統硬件平臺，通過本文的研究，旨在為信號接收提供可靠、有效的傳輸方案，進而為深空探測與通信發展提供可靠的保障。
關鍵詞：衛星通信；低信噪比；編碼；解調技術
引言
隨著科學技術水平的提高，探測技術與通信技術迅猛發展，在先進技術的支持下，人類對空間領域的探索取得了一系列的成就。但深空通信具有低信噪比的特點，嚴重影響著接收機的工作，在此情況下，為了提高信號接收的可靠性，信道編碼與數字調制技術得到了廣泛的關注，通過二者結合，旨在構建擁有良好性能的接收系統。
1LDPC碼與QPSK的概況
數字通信主要是為了傳輸相關的信息，此時要求各信息應具有有效性。但通常情況下，受氣候條件與地理環境等因素的影響，致使傳輸信息信道受噪聲干擾，此時通信雙方需要對傳輸信息進行處理，方可獲得有效信息。為了避免噪聲干擾，增加信號傳輸的可靠性，采用了兩種手段，一種為信道編碼，另一種為信號調制，前者是指在有效信息中加入冗余信息，后者是指對遠距離傳輸的低頻信號進行頻譜搬移，借助高頻信號從而保證傳輸目標的達成。
1.1LDPC碼
信道編碼有效提高了通信系統的誤碼性能，通過各國學者對信道編碼技術的研究，提出了LDPC碼，其特定為較強的糾錯能力，較低的誤碼平臺、較短的譯碼延時等。LDPC碼作為線性分組碼，可采用傳統的高斯消元編碼方式，雖然此方式的原理較為簡單，但需要計算得出生成矩陣，而經矩陣變換后，矩陣原有的稀疏特性則會被破壞。在此情況下，基于具有下三角形式矩陣的編碼方式，可采用通過校驗矩陣的變化，以此實現編碼過程。通過分析可知，LDPC的編碼過程主要是借助校驗矩陣的變化實現的，此時未輔助生成矩陣，因此，它的運算難度相對較小。同時，經構造獲得的校驗矩陣呈現出了準循環的特點，此時可進一步簡化編碼過程，凸顯了LDPC碼的實用性[1]。
1.2QPSK
現階段，衛星通信系統設計中普遍應用的線性調制方式為相移鍵控，它主要是借助基帶信號，控制載波相位，從而保證了信號傳輸。目前，常見的多相相移鍵控有二相相移鍵控與四相相移鍵控。對于多相相移鍵控而言，其在信號調制過程中，調制載波相位的取值具有M種可能；對于QPSK來說，它的取值可能有4種，實際運用過程中，常見的相位體系有兩種，分別為π/2與π/4。QPSK解調主要是對原始基帶信號進行分離，以解調過程是否需要提供載波信息為劃分依據，其解調方式可以分為兩種，一種為相干解調，另一種為非想干解調，由于QPSK屬于雙邊帶調制，因此，其解調方式僅能夠選擇后者[2]。
2衛星通信低信噪比編碼——低碼率QC-LDPC碼
隨著科學技術水平的提高，火箭衛星技術為人類探索空間提供了技術支持，在人類空間探索范圍日漸擴大的背景下，深空通信技術的重要性日漸顯著，它實現了對天空衛星飛行器的有效控制，但在信息傳輸過程中，受傳輸距離、太空環境等因素的干擾，導致傳輸信號出現了較為嚴重的衰弱。在此情況下，LDPC碼的糾錯能力需要進一步提高。通過信道編碼的相關理論分析可知，通常情況下，糾錯能力較強的碼字具有較高的碼字冗余度，如果碼長相同，此時碼率與編碼增益呈負相關，即：前者越低，后者越高。因此，與較高碼率相比，較低碼率的糾錯能力更強，但其傳輸有效性相對較低。同時，在低信噪比的環境下，受噪聲干擾，高碼率碼字會受到較大的影響，特別是其譯碼性能會大幅度下降，甚至會出現譯碼無效的情況。當前，在衛星通信中應用較為廣泛的碼字為LDPC碼，其具有較強的糾錯能力與較高的編碼增益，同時其借助不同的處理方法，獲得了具有較高性能的低碼率QC-LDPC碼。它采用的校驗矩陣結構具有準循環、校驗節點優化線性分組碼擴展等優點，從而彌補了傳統LDPC碼的不足，使其譯碼門限性能進一步提高。對于深空飛行器而言，為了滿足其信號傳輸的需求，要求其符號信噪比應＜2dB，在此情況下，要求LDPC碼碼率應低于1/2。本文設計了具有準循環結構1/6碼率的LDPC碼，其具有良好的誤碼性能[3]。
3LDPC碼和QPSK解調接收系統硬件平臺
QPSK屬于恒包絡調制技術，雖然其頻率效率較低，但其優點為較低的實現復雜度與適中的解調門限要求。基于軟件無線電技術，通過研究構建了LDPC碼和QPSK解調接收系統。該系統的硬件平臺由兩塊板卡構成，分別為KC705與MFC150，前者嵌入了XC7K325T-1FFG900芯片，以此保證了時序邏輯算法編程的完成，后者嵌入了高頻ADC與DAC芯片，以此促進了數模信號間的有效轉換。數字接收系統通信鏈路的核心模塊主要有LDPC編碼模塊、成形濾波模塊、數字變頻模塊、載波同步模塊與相位模糊糾正模塊，同時利用Modelsim仿真工具便可對此系統進行功能仿真驗證，借助Chipscope分析系統的性能，從而證實了該系統的可行性[4]。
4總結
綜上所述，深空衛星通信存在諸多的問題，如：較弱的傳輸信號、較低的信噪比與嚴重的多普勒效應，在此情況下，接收系統急需改進。本文介紹了衛星通信低信噪比編碼與解調技術，在先進技術的支持下，構建了具有良好性能的數字接收系統，進而推動了深空探索工作的開展。
參考文獻：
[1]鐘鈞波.衛星通信低信噪比編碼與解調技術研究[D].杭州電子科技大學,2014.
[2]丁旭輝.低信噪比環境下基于低碼率Turbo碼的可靠通信傳輸技術研究[D].西南交通大學,2014.
[3]王博.低信噪比衛星通信中的編碼與解調技術研究[D].杭州電子科技大學,2013.
[4]李明光.低信噪比突發通信調制解調器技術的實現[D].西安電子科技大學,2011.
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