適于衛星通信傳輸的新型信道編碼技術研究

張振權 徐燕紅

摘 要：信道編碼是數字通信系統中保障數字信息在傳輸中降低誤碼，達到傳送的完整性和準確性起到關鍵作用，特別是衛星信道是一種無線隨機信道，在相同誤碼率情況下降低信噪比對提高衛星傳輸起到至關作用，本文從信道編碼的角度，重點研究和介紹了幾種適用于衛星信道傳輸的信道編碼技術以及它們的技術特性和在衛星通信中的應用。

關鍵詞：衛星通信;傳輸;信道編碼;研究

近年來，隨著衛星通信需求的增加和衛星通信新技術的不斷發展以及衛星通信的數字化不斷深入，衛星信道編碼技術給科研工作者帶來了新的研究課題，信道編碼技術可以有效對信道傳輸中的誤碼進行糾錯和檢錯，不同的編碼類型可以在相同誤碼率的情況下大大降低對信噪比的要求，從而使得衛星通信設備降低發射功率，也使得衛星通信設備小型化成為可能。近幾年來，如Turbo碼，LDPC等新型編碼技術在國際和區域衛星通信的的通信業務和傳輸中層出不窮并得到廣泛應用。本文就重點對兩種新型的適用于衛星信道傳輸的信道編碼技術的技術特性和在衛星通信中的應用進行了研究和分析。

一、信道編碼的作用

數字通信中有信源編碼和信道編碼兩種類型，其中信源編碼的目標就是使信源減少冗余，更加有效、經濟地傳輸，最常見的應用形式就是壓縮。相對地，信道編碼是為了對抗信道中的噪音和衰減，通過增加冗余，如校驗碼等，來提高抗干擾能力以及糾錯能力。根據山農公式，對于一個無記憶的信道，存在一參數C（信道容量），當信道中的信息傳輸速率R小于C時，通過適當的編碼和譯碼方法總可以使得信道的接收端誤碼率Pe任意小。于是專家們推出了更加逼近Shannon極限的Turbo碼，該編碼譯碼復雜度相對于前些編碼更加容易接受，性能更加接近信道容量。1996年一種新型的LDPC編碼技術因為編碼結構簡單，性能超過了Turbo碼，被廣泛使用在TDMA系統中。目前，在國際性通信系統中Turbo碼和LDPC的信道糾錯編碼技技術被廣泛使用，而且許多國外衛星運營商和業務提供商都使用帶有這些編碼技術的調制解調器或收發通信設備。

二、Turbo碼性能

為了進一步提高編碼的性能，1993年由Berrou，Glavieux和Thitimajshima在提出了Turbo碼，它是一種并行級聯卷積碼。Turbo碼將分量碼和隨機交織器巧妙結合起來，采用并行級聯的結構，實現了隨機編碼的思想，采用軟輸入軟輸出的迭代譯碼方法，達到了接近香農限的性能。分量碼編碼器是重要的組成部分，該部分產生系統信息和校驗信息。由于遞歸系統卷積碼（RSC）具有良好的譯碼性能，且存在較高的交織增益，譯碼性能也會隨著交織長度增加而提高。影響譯碼性能的因素很多，如卷積碼的約束長度、生成多項式以及生成多項式的順序等，所以，在實際中具有種類不同的分量碼構造的Turbo碼。Turbo碼的交織器更主要的功能是使碼重分布合理，降低數據序列的相關性，增大輸出碼字的最小漢明距，實現隨機編碼。根據香農理論，碼長越長，編碼增益越大。所以交織器的長度越長，Turbo碼的碼長越長，性能越好。另外，交織器的交織規則也是影響因素。最簡單的交織器即行列交織器，數據按行寫入，按列讀出。在選用交織器時需要根據交織器長度、交織規則、系統復雜度等因素綜合考慮。

三、LDPC編碼性能

LDPC 編碼是被稱為低密度校驗碼，雖然提出的比較早，但是因為該編碼大量的運算和存儲量的要求，一直未得到充分發展，直到1996年LDPC又被重新進行了研究，發現LDPC編碼是比Turbo碼更具有逼近農限的優異性能，且比Turbo碼更具有較低的錯誤平層，其譯碼算法可采用并行結構進行實現，特別適合于高速寬帶通信中，其碼長和碼率選擇都十分靈活，因此可以使用在深空通信、衛星通信等方面。近些年來，隨著人們進一步的研究和仿真，通過不同的算法和密度演進理論，可以進一步指導和改進LDPC編碼的設計，同時工業界也已經有LDPC編譯碼的芯片生產，使得被廣泛得到應用，如2006年中國移動通信多媒體技術中其信道傳輸就采用了LDPC編碼，軍用和民用的一些 TDMA系統中就采用LDPC編碼，這樣使得在信噪比為3.6的前提下就可以滿足解調器的輸入要求，大大提高了設備的傳輸使用率。

四、結論

在衛星通信領域的信道編碼技術正在發展和不斷應用之中，舊的信道編解碼設備仍在使用，新的性能更好的技術也在不斷成熟中，本文介紹的Turbo碼和LDPC以其優良的誤碼性能被廣泛使用在衛星通信系統中，許多衛星調制解調器中都提供了這兩種編碼，隨著技術的進一步發展，相信這兩種糾錯編碼技術必將繼續發展，為數字通信社會發展起到關鍵作用。

參考文獻：

[1]楊守國，張振權，等.基于AVR實現RS碼的時域譯碼及其加速算法[J].空軍工程大學學報，2006.

[2]徐莉，羅新民，等.卷積碼的Matlab仿真及其性能研究[J].現代電子技術，2006（3）.

[3]張威，徐熙宗，等.R S級聯編碼在超短波通信與衛星通信信道的仿真分析[J].通信技術，2009（2）.

[4]張振權，徐燕紅.基于CDM570L實現的衛星信道編碼性能特點[J].電子技術與軟件工程，2019（1）.