無人機數據鏈中Turbo碼研究與FPGA實現

祁棟升,陳自力,白勇博,楊 勇

(軍械工程學院,河北石家莊050003)

0 引言

無人機數據鏈是無人機飛行系統和地面控制站聯系的樞紐,負責上行遙控指令、下行遙測數據和偵察任務信息的傳輸。因此,高質量的無人機數據鏈通信是保證無人機高效完成作戰任務的前提,也是當前重要的研究課題。而在現代電磁戰環境下,無人機數據鏈系統面臨的是復雜的電磁環境以及有針對性的電磁干擾。因此,抗干擾技術是確保無人機通信鏈路迅速、準確、保密和暢通的關鍵技術。

Turbo碼自1993年提出以來,因其接近香農極限的優異性能,一直成為編碼界研究的熱點。Turbo碼雖然具有優異的性能,但是由于其譯碼復雜度高、譯碼延時大等問題,嚴重制約了Turbo碼在高速通信系統中的應用。近年來,可編程邏輯器件得到了很大發展,FPGA以其密度高、速度快、編程靈活和成本低廉等優點在越來越多的領域中得到了廣泛應用。文中在進一步研究Turbo碼特性的基礎上,實現了Turbo碼編譯碼器的FPGA設計,這種實現方式在集成度、高速率、可靠性和靈活性等方面均能較好地滿足無人機數據鏈的通信要求。

1 無人機信道模型

信道分析是基于統計模型基礎上的,描述了無人機通信信道的傳播特性。與陸地移動通信不同,無人機地面站都使用定向高增益的測控天線。因此,無人機通信系統中必然存在較強的直射信號分量和一定的高斯白噪聲,同時存在地面反射波及由不同傳播路徑引起的多徑分量。另外,由于無人機存在一定的飛行速度,還要考慮其造成的多普勒效應,因此無人機信道類似于Rician信道。實際研究中,為了研究問題的方便,可以把無人機信道簡化Rician衰落信道模型。

2 Turbo碼概述

Turbo碼又稱并行級聯卷積碼(Parallel Concatenated Convolutional Code,PCCC),它將卷積碼和隨機交織器結合在一起,在實現隨機編碼思想的同時,通過交織器實現了由短碼構造長碼的方法,并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼?？梢?Turbo碼充分利用了Shannon信道編碼定理的基本條件,因此得到了接近Shannon極限的性能。研究結果表明,在采用長度為65536的隨機交織器并譯碼迭代18次情況下,在信噪比Eb/No≥0.7 dB并采用BPSK調制時,碼率為1/2的Turbo碼在AWGN信道上的 BER≤10-5,達到了與Shannon極限僅差0.7 dB的優異性能。

Turbo碼是一種性能十分優越的信道編碼技術,為糾錯碼研究帶來了新的突破。Turbo碼與其他編碼相比最大的優點在于它能夠在較低信噪比條件下得到較高的編碼增益,這說明Turbo碼可以在環境比較惡劣的情況下依然能保持較低的誤碼率。因此,Turbo碼已成為以大容量、高數據率和承載多媒體業務為目的的信道編碼方案之一,用于高速率和高質量的無線移動通信業務,而這正是無人機數據鏈通信所需要的,所以研究Turbo碼技術對于實現無人機高速、可靠通信具有重要意義。

3 Turbo碼性能研究

為了設計出滿足無人機數據鏈特性的譯碼器,比較有效的研究方法是用計算機進行仿真。仿真在Matlab環境下進行,仿真時以程序產生的隨機碼作為信源,經過Turbo碼編碼和BPSK調制后,加入模擬的Rician衰落信道,之后進行解調和譯碼,最后把譯碼結果和原始信源對比,統計誤碼數和誤碼率,得出性能結果。接下來分別討論交織類型、譯碼算法和迭代次數對Turbo碼性能的影響。

3.1 交織類型對Turbo碼性能影響

在Turbo碼的生成中,交織器扮演著重要的角色。交織器雖然僅僅是將信息序列中的N個比特的位置進行隨機置換,但它卻起著關鍵作用,在很大程度上影響著Turbo碼的性能。其實質就是一個使得輸出與輸入之間存在對應關系的函數,將信息序列中各元素的位置進行重置,從而得到交織序列。在其他條件相同的情況下,不同交織類型對其性能的影響如圖1所示。

圖1 交織類型對 Turbo碼性能影響

由仿真結果可知,隨著SNR的增大,幾種交織器的性能有了顯著差別。當幀長一定時,分組交織器的性能略差一些,而偽隨機交織器的性能相對較好。

3.2 不同譯碼算法對Turbo碼性能影響

Turbo碼有多種譯碼算法,選擇Turbo碼的生成多項式為 G(D)=[37,21],碼率為1/2,幀長度為1 024比特,迭代次數為5,交織器采用偽隨機交織方式,進行仿真比較各種譯碼算法的差異,Turbo碼在不同譯碼算法下的性能仿真曲線如圖2所示。

圖2 譯碼算法對 Turbo碼性能影響

由圖2可以看到,MAP算法的譯碼性能最好,SOVA的譯碼性能最差,Log-MAP算法的性能與MAP算法差別不大。根據無人機數據鏈高速通信的要求,該設計在解碼過程中采用改進后的Log-MAP算法來減小運算量,提高設計的可行性。

3.3 不同迭代次數對Turbo碼性能影響

迭代譯碼結構是Turbo碼的一個主要特點,通過迭代,使軟信息在分量譯碼器之間傳遞,提高Turbo碼的譯碼性能。該實驗通過設置不同的迭代次數,觀察實驗結果。Turbo碼生成多項式選用[37,21],碼率選為1/2,采用Log-MAP譯碼算法,幀長采用1 024進行性能研究,得仿真結果如圖3所示。由圖可知迭代次數增大,譯碼性能會得以提升,但譯碼時延會隨迭代次數的增加而線性增大,同時迭代次數增大到一定程度后,譯碼性能會趨于飽和,所以不能無限制地增加迭代次數。

圖3 迭代次數對Turbo碼性能影響

4 Turbo譯碼器的FPGA實現

4.1 譯碼算法的選擇

利用FPGA的并行計算能力可以很好地解決Turbo碼譯碼復雜和譯碼時延的矛盾。Turbo碼譯碼算法中,MAP算法的性能是最好的,但是一般的MAP算法對于硬件的實現來說復雜性非常高,計算的中間存儲量大、時延大、成本高,不太可能在實際系統中設計和應用,因此選擇一種適于硬件實現的改進的MAP算法是非常必要的。通過上述的分析和仿真,再結合硬件實現的簡便性和譯碼性能后,這里選用RSC子碼為(37,21)碼,碼率為1/2,選用偽隨機交織器、LOGMAP 算法,迭代次數選擇為7次來實現譯碼器。

4.2 譯碼器的實現及測試

根據上述介紹的迭代譯碼原理,在FPGA中實現Turbo碼的迭代譯碼。在ISE環境下,采用Verilog語言完成各功能模塊的描述,在譯碼器設計的頂層實體中,用元件例化的方法,例化各模塊實體,并進行元件的端口映射,完成一個完整的譯碼器設計。然后再在ISE環境下完成系統的綜合、仿真,并進行分析驗證。設輸入譯碼器的碼元序列code=(11 11 01 11 00),則理論分析輸出碼字應為codeut=(11010)。由圖4知,該設計實現了Turbo碼的正確譯碼,而且具有較高的譯碼速率,這表明設計的迭代譯碼器達到了設計目標。

圖4 Turbo碼譯碼器仿真波形

5 結束語

依據無人機信道特點,以無人機數據鏈中的Turbo碼為研究對象,對其性能進行了研究分析。運用開發工具Xilinx ISE10.1結合設計語言并采用模塊化結構對Turbo碼譯碼器硬件實現進行了FPGA設計分析,根據系統特點運用仿真工具進行了仿真,達到了預期實驗效果。通過驗證該方案能夠提高無人機通信質量和無人機數據鏈通信的抗干擾性能。目前,Turbo碼的FPGA實現在無人機數據鏈中的應用研究較少,該課題的開展有助于深入研究無人機數據鏈路特性,對于實現無人機高速、可靠通信具有一定的理論和實際應用價值。

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