LDPC码在卫星导航系统中的应用

作为一种接近香农极限的信道编码,近年来LDPC码被广泛采用,例如欧洲第二代数字视频广播卫星标准DVB-S2和空间数据咨询委员会(CCSDS)遥测信道编码标准就分别采用了LDPC码。文章将讨论LDPC码在卫星导航系统中的应用,内容涵盖星上编码与接收机解码。GPS联合项目办公室在接口规范(Draft IS-GPS-800,Navstar GPS Space Segment/User Segment L1C Interfaces,19 April 2006)中展现了L1电文结构中的LDPC码。子帧2和子帧3将分别用一个独立的24bit循环冗余检验(CRC)算法。加入CRC比特之后每一子帧将进一步被长度为1200/548码率为1/2的LDPC码编码。文章将给出同等长度同等码率的不同类型的LDPC码。它们表现出了优异的译码性能、简单的编码结构和较低的译码复杂度。另外一个优点是其校验矩阵无需用一系列的冗余表格来表示。这种LDPC码的构造方法可以被扩展到其它卫星导航系统,比如欧洲的伽俐略(Galileo)系统和中国的北斗(Compass)系统。     

星地高速数传系统LDPC编码器ASIC集成芯片设计

面向高分辨率对地观测卫星的高速数传应用需求,提出了一种低实现复杂度、多码率融合的LDPC并行编码结构,以及采用该结构的编码器芯片设计方案。基于TSMC 130 nm CMOS标准单元库,该编码器芯片在200 MHz时钟下能够达到1.6 Gbps的吞吐率,硅片面积为5.495 mm 2,功耗仅为184.3 mW。与传统结构设计的相同吞吐率的LDPC编码器芯片相比,本文方案可以将存储空间需求降至传统结构的18.52%,硅片面积和功耗分别下降至传统结构的20.3%和83.3%,非常适用于超高速星上通信应用。     

LDPC码在深空通信中的应用技术研究

在DVB-S2标准提出的LDPC码校验矩阵的构造方法以及编码算法的基础上,对LDPC码编码复杂度以及译码性能进行了分析和仿真验证;在AGWN信道下,采用BPSK调制方式对DVB-S2标准码长为16200、码率为0.5的LDPC码进行了计算机仿真。仿真结果表明,LD-PC码纠正突发错误和随机错误的能力均很强,具有很高的纠错比特数,适合应用在深空通信的恶劣环境中;并初步论述了深空通信的信道特点,通过和Turbo码比较,分析了LDPC码作为深空通信系统信道编译码方案的可行性。     

基于FPGA的高速并行DVB-S2标准LDPC译码

最新的CCSDS、DVB-S2等相关卫星标准都采用低密度校验(Low Density Parity Code,LDPC)码,其中DVB-S2中LDPC码由于码字长、码率多,不易于硬件实现。文章针对该码校验矩阵特性,给出一种基于改进最小和算法的高速并行译码器的FPGA实现方案。方案采用180并行,6bit位宽,在20次迭代下,基于Xilinx SC5VSX95T芯片的测试表明:设计方案支持200 MHz的时钟频率。     

长BCH码的编码和译码设计

第二代卫星数字广播系统标准DVB-S2的信道编码采用了LDPV-BVH码级联的形式,LDPC的性能非常优越,但是存在误码平台,BCH码的作用就是消除LDPC在低BER(10-6)时的误码平台.根据DVB-S2的标准,采用二进制的BCH(14400,14232).文章重点讨论了其编码器、解码器的速度与资源的优化;采用并行方式提高编码、译码速度,并且利用递归匹配、群组匹配及流水线的方法降低硬件复杂度,降低资源的消耗.     

基于信源信道联合编码的遥感图像传输

针对遥感应用对图像质量日益提高的需要,提出了一种基于层次树的集合分割算法（SPIHT）和低密度校验（LDPC）码联合编码的遥感图像高质量传输方案。此方案充分利用SPIHT编码后数据流按重要性排序,以及LDPC码的误码率性能与码率和迭代次数密切相关的特性,克服了SPIHT压缩数据流对噪声敏感的缺陷。高斯信道仿真结果表明,在码元噪谱密度比（Eb/N0）较低的情况下,利用此传输方案获得的图像恢复峰值信噪比（PSNR）,比传统的分离编码高7dB以上。     

深空通信中的一种级联编码调制及其迭代接收

在深空通信中,由于通信距离大幅增加,通信信号的自由空间传播损耗很大,提高系统的功率利用效率是深空通信系统设计需要考虑的重要问题之一。提出了基于LDPC码和FQPSK调制的级联编码调制体制,首先提出该编码调制体制的系统模型,通过修改相应的算法给出适合FQPSK的迭代解调解码算法,通过计算机仿真分析了该体制的误码率性能。研究结果表明：该体制利用FQPSK的恒包络特性克服信道非线性问题并使功放工作在饱和区,利用LDPC码实现低信噪比通信,同时在接收端通过迭代解调解码获得增益,从而能够缓解深空通信中由于传输距离过远而带来的极低信噪比通信问题。     

基于通道内截断的星载遥感图象精确码率控制方法

针对JPEG2000码率控制方法无法使压缩码流长度精确达到预设值，影响星载遥感系统缓存设计和控制、造成无用数据被纠错编码导致传输资源浪费等问题，提出了基于通道内截断的精确码率控制方法，将JPEG2000以通道为最小单位的码率控制延伸到通道内码率控制。先进行码率粗控制，再进行通道内截断，根据编码过程自适应地保留相对重要的通道数据，舍弃不重要的数据，最终实现精确码率控制。仿真结果表明，相对于JPEG2000码率控制的结果与预设码率相差可达上百字节，该方法在有所提高执行速度并保持图象恢复质量的前提下能够精确达到预设的码率，结果与预设码率完全一致。不仅能够解决上述问题，而且为地面接收的同步处理提供了方便。     

CCSDS卷积码快速识别算法

基于CCSDS标准中卷积码编码规范,提出并实现一种CCSDS卷积码快速识别算法。算法采用卷积码的校验矩阵对CCSDS标准中五种未知码率的卷积码进行遍历,从而完成删除模式和起始位置识别。该算法具有计算复杂度低、容错性好、易于实现的优点,而且克服了截获码序列起始位置模糊的问题。仿真实验表明,该算法在截获序列足够长且误比特率低于10-2时可以达到95%以上的识别正确率。     

基于CCSDS标准的卫星遥控LDPC编码方案探讨

随着天地一体化及遥控可靠性需求的不断提高,传统卫星遥控标准中广泛采用的BCH码很难满足未来卫星遥控链路复杂多样的需求。为此,文章将卫星遥控指令分为短指令模式和内存上注指令模式两大类,设计低密度奇偶校验(LDPC)编码方案。对于帧长较短的遥控指令,采用3种码长较短的LDPC码,与目前空间数据系统咨询委员会(CCSDS)遥控标准推荐的BCH(63,56)码相比,在误码字率为10~(-5)量级时,可以额外获得4～6dB的增益。对于大数据量的内存上注指令,应用现有CCSDS遥测标准推荐的LDPC(8160,7136)编码方案,当误码字率为10~(-5)量级时,所需信噪比(Eb/N0)约为3.8dB,编码增益约为7dB。为了实现LDPC编码方案,文章设计了与BCH码相似的协议格式,改动量较小且具有良好的兼容性,不会对已有遥控系统产生影响。译码方案采用并行的FPGA译码器架构及最小和译码算法,其译码复杂度较低,硬件实现资源占用较少,具有可行性。     

一种结构化LDPC码的部分并行译码器设计

CCSDS标准给出的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check,LDPC)其子矩阵具有不同的列重,这给部分并行译码器的设计带来困难。本文针对如何高效实现CCSDS中LDPC码部分并行译码的问题,根据该类码的准循环特性,将码的校验矩阵分解成3个矩阵的和,提出了一种能够部分并行译码的译码器结构。利用本文提出的方法设计译码器时可以在译码时延和译码复杂度之间进行折中。     

深空通信中LDPC码的一种译码算法

LDPC码由于具有逼近仙农极限的性能和硬件可实现的编译码复杂度,在深空通信中具有重要的应用前景。文章在简要介绍CCSDS（空间通信系统咨询委员会）中LDPC码编码规范的基础之上,采用多维EXIT图对其译码门限和收敛速度进行了研究,最后重点研究了译码算法,通过改进归一化最小和算法提出了一种自适应归一化最小和算法,该算法保留了归一化最小和算法的所有优点,改善了不同信噪比条件下的译码性能,并解决了归一化因子的选择难题,适合在资源受限的深空通信中应用。
     

一种性能优越的纠错码——Turbo码

Turbo码是一种性能优异的纠错编码方式 ,已引起广大学者的高度重视。文中介绍了 Turbo码的编码方式和迭代译码原理 ,详细推导了 MAP算法。给出了目前用于 CCSDS标准中的 Turbo码结构。对 Turbo码和卷积码的异同点做了比较。最后给出了一些目前关于 Turbo码研究的热点问题。     

基于LDPC的编码PCM/FM系统及其性能分析

提出一种基于低密度校验码LDPC的编码PCM/FM系统,并对该系统的性能进行分析与仿真。首先介绍接近Shannon限的先进的信道编码技术———低密度校验码(LDPC)信道纠错编码原理和解码算法,而后给出基于LDPC的编码PCM/FM系统方案,最后详细分析并仿真该系统的性能,着重比较未编码、卷积编码和LDPC编码三种系统的性能差异,还对比LDPC的各种不同参数(编码长度、校验矩阵等)对系统性能的影响。仿真表明,基于LDPC的编码PCM/FM系统具有非常优异的纠错性能,比未编码PCM-FM系统性能高出6~8 dB,适合于PCM/FM遥测系统的应用。     

CCSDS基于小波变换的图像压缩

通过分析一种CCSDS建议的基于小波变换的图像数据压缩的基本原理、编解码方法、系统实现和压缩性能,初步研究深空通信对于图像压缩的特殊要求。通过与现在流行的基于小波变换的图像压缩算法JPEG2000进行比较发现, CCSDS推荐的算法的性能与JPEG2000基本相当,且同样支持无损和有损压缩及渐进传输,但其算法复杂度更低,包丢失不会造成图像大面积损坏,因而更适合于深空通信。     

CCSDS建议的再生伪码测距性能分析

CCSDS(国际空间数据系统咨询委员会)于2009年3月发布了伪码测距的蓝皮书,规定了再生伪码测距的技术要求。我国正在研制的深空应答机和深空站测控设备要求具备再生伪码测距功能,同时为了实现国际联网,伪码测距系统需满足CCSDS建议的要求。为给我国深空测控设备伪码测距系统的研制提供设计依据,通过分析伪码特性和伪码捕获跟踪方法,推导得到伪码测距的捕获性能和跟踪性能。分析得到的性能与CCSDS建议书一致,可作为我国深空应答机和深空站测控设备伪码测距系统设计的参考。     

天地信息网络协议融合技术综述

天地信息网络融合可以实现空间与地面网络资源的充分共享和高效利用，国内外已提出多种天地一体化信息网络架构并从不同角度进行理论研究和关键技术攻关。面向CCSDS数据系统体制与空间通信协议规范（SCPS），在分析CCSDS协议体系结构及其应用发展基础上，讨论卫星链路应用TCP/IP的问题与关键机制，并综述星地一体化协议IPoC（IP over CCSDS）的技术研发与仿真研究进展。通过分析空间CCSDS协议体系与地面IP网络机制，为天地信息网络融合系统设计与网络协议研究提供参考。