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1、保密类别 编毕 业 论 文短波宽带通信系统中LDPC码的研究与应用学 院 信息工程学院 专 业 数字媒体技术班 级 2011级数字图像处理方向姓 名 指导教师 中 国 传 媒 大 学2015年5月15日II短波宽带通信系统中LDPC码的研究与应用摘要随着通讯技术迅猛地发展，短波通讯成为了其中一种高端的技术，尤其在高科技军事斗争中，复杂的战场条件（地形、天气等）和恶劣的电磁环境都要求信息更加精确、及时、安全地传输，这就对短波通信的安全质量及信息传输速率提出了更加严苛的要求。为减小短波宽带信道中，多径现象非常严重、时延较大、多普勒频移大和衰落严重等因素对通信系统误比特率的影响，引入了高可靠性LPD
2、C码作为信道编码方式。本文主要对已有通信系统中的LDPC码进行仿真，做对比研究，寻找合适的校验矩阵，得出一种适用于短波宽带通信系统中LDPC码。关键词：短波通信系统，LDPC码，MATLAB The research andapplication of LDPC codesin wideband HF communication systemWu LiangABSTRACTWith therapid development ofcommunication technology,shortwave communicationbecame one ofa high-endtechnology,es
3、pecially in the high-techmilitary struggle,complex battlefieldconditions(topography,weatheretc.)and thebad electromagnetic environmentrequiresinformationmore accurate,timely,secure transmission,which put forwardmore stringent requirementson thequalityandsafetyinformationthe transmission rateof the s
4、hortwave communication.In order to reduce thewideband HF channel,multipathphenomenon is very serious,large delay,Doppler frequency shiftandfadinginfluence factors on thebit error rate of thecommunication system,thehigh reliability ofLPDC codes as channelcoding.This paper mainlycarries on the simulat
5、ion of theexistingcommunication systeminLDPC code,docomparative study,findthe appropriateparity check matrix,obtainedasuitablewideband HF communication systeminLDPC code.Keywords: Shortwave communication system，LDPC code ，MATLAB目 录摘要IABSTRACTII目 录1一、绪 论1（一） 课题研究的背景和意义1（二） 本课题研究的热点及发展现状1（三） 课题研究内容安排1
6、二、传统短波系统中信道编码的研究与分析4（一） DRM数字广播调幅系统中信道编码的研究4（二） 美军短波宽带数据通信标准MIL-STD-188-110C4三、LDPC码简介4（一） LDPC码理论基础4（二） LDPC码的构造4（三） LDPC码的编码原理4（四） LDPC码的译码原理4四、各系统中LDPC码的研究与仿真5（一） CMMB系统中LDPC码的仿真与研究5（二） DTMB系统中LDPC码的仿真与研究5（三） TMMB系统中LDPC码的仿真与研究5（三） WiMax802.16系统中LDPC码的仿真与研究5（四） 本章小结5五、总结与展望7参考文献8后记10中国传媒大学本科毕业论文一
7、、绪 论（一） 课题研究的背景和意义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30兆赫的一种无线电通信技术。被广泛地应用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，是一种重要的通信手段。 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能力与短波无法媲美。2）高度
8、机动性，天线架设简单，携带方便，容易隐蔽，既可用于固定台站，也可用于机动台站；3）抗干扰能力强，抗摧毁能力强，组网方便，频率变化快；4）投入成本小，运行成本低，由于其利用公共的天然信道电离层进行通信，不需交纳额外的信道使用费。正是因为这些独特的优点，短波通信自被发现以来，一直是各国学者们争相研究的对象，不断地发展进步。短波有两种基本的传播方式：一个是地波，一个是天波。由于地波传播的能量损耗会随着频率的增高而递增，因此在高频情况下只适合短距离通信。而天波是由电离层折射后返回地面的无线电波，又由地面反射会电离层，可以多次反射，传播距离远，所以天波是短波通信的主要传播手段。但由于多次反射，天波不是很
9、稳定。这也是短波通信中最严重的缺点：传输过程中多径现象非常严重、时延较大、多普勒频移大和衰落严重，时延典型值为2ms，多普勒频移高达20Hz至50Hz，在高纬度地区曾实测达73Hz。 同时短波信道频带窄，一般情况下短波信道的带宽为3.7KHz，信号传输路径为24条，可用频带窄导致通信容量小，信道拥挤，通信可靠性差，这使得短波信道十分复杂恶劣，短波信号传输不稳定，造成了短波通信的通信质量提高十分困难。 这些缺点使得短波通信技术需要不断更新来克服不利因素的影响。 随着大量通信新技术的涌现，各国学者们尝试将新技术引入短波通信中，短波通信标准被更新，短波电台不断换代，建立实验仿真探索新的方法，以满足现
10、代战争条件下对短波通信的更高要求。信道编码技术1通过在信息位后增加校验位来增强纠错性能，凭借降低误码率来提高整个通信系统的通信质量。短波通信中也有很多纠错码得到了使用和尝试，并取得了不错的效果。而近年来，LDPC码以其在 AWGN 信道下接近Shannon 极限的优异性能超过 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码只能通过打孔来达到高码率，这样打孔图案的选择就需要十分慎重的考虑，否则会造成性能上较大的损失。总之 ，LDPC 码具有描述简单、码率构
11、造灵活、译码复杂度低、实用灵活等诸多优点，将其用于短波通信中对抗干扰和减少系统时延，进一步提高短波通信系统的可靠性是十分合适的。本文主要对已有通信系统中的LDPC码进行仿真，做对比研究，寻找合适的校验矩阵，得出一种适用于短波宽带通信系统中LDPC码，为短波通信未来的发展提供一种可行的技术参考。（2） 本课题研究的热点及发展现状1. 短波通信发展历史及现状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)，实现了跨越整个大西洋的无线电通信。无线电短波通信迅速发展，成为远距离无线通信的主要技术手段。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
12、技术发展相对缓慢，但也已在多个领域，尤其是军事领域得到广泛应用，是国际间电子通信的主要手段，可以说这30年是短波无线通信发展的黄金时期。20 世纪 60 年代中期卫星通信出现使得短波通信的缺点越来越多地暴露出来：带宽较窄，射频频谱资源紧张，存在信道间干扰问题，易被窃听等等。相反的是，新型卫星通信技术可以提供宽频带、高速、稳定、质量高的远程通信，这些优势在短波的短板面前无限放大，使得短波通信的发展陷入低潮，许多原本属于短波通信的重要业务逐步被卫星通信所取代。然而随着电子战、卫星战等多样化的战争方式的出现，实践证明，卫星通信，尤其是在军事领域是无法不能替代短波通信的。一旦发生战争，卫星目标明显且固
13、定，很容易遭到摧毁和破坏，设备很难得到及时修理和恢复，整个通信系统将瘫痪，后果是不堪设想，这在信息战中是极其不利的；短波自身的特点决定其是唯一不受网络枢纽和有源中继体制约的远程通信手段，该技术的抗打击能力和自主通信能力超出其他通信方式，再加之卫星通信技术成本很高，而短波通信技术起点较低、价格低廉，一般的国家均能进行部署和使用。由于短波通信得天独厚的优势，在 20世纪 70 年代后又掀起研究热潮，进入高速发展时期，而微电子技术、计算机技术、移动通信技术的快速发展给了短波通信模块化、数字化、自适应化以强有力的技术支持，推动了短波通信的技术革新，可以说短波通信的技术发展潜力巨大。2. LDPC码发展
14、历史及现状自从Shannon提出信道编码定理2以来，研究者们也一直孜孜不倦地在寻找一种复杂度较低且容易实现，而且性能优越、尽可能接近Shannon极限的信道编码方案。在1963年，一篇由美国电子工程师Robert G.Gallager撰写，名为Low-Density Check-Parity Code的论文的发表，标志着LDPC码的正式诞生。Gallager建立了计算树模型，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列，用一个校验节点代表某一行，校验矩阵中的非零元素所在的行和列对应的变量节点和校验节点之间有边相连。Gallager证明随着码长的增加，Ldpc码的最
15、小汉明距离是线性增加的，同时发现随着码字长度增加，误比特率降低。虽然Gallager证明了LDPC码是具有优越性能的好码，但由于当时计算能力以及电子技术的限制，LDPC码并不被看好，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R.Neal证明LDPC码是一种好码3， 认可并推广了Gallager的实验理论，论述了置信传播（BP）算法的详细原理，极大地推动了LDPC码的发展进步，可以说是LDPC码发展的里程碑，随后LDPC码也成为了各国学者重点研究的对象，在越来越多的通信系统中获得应用。Flarion公司采用LDPC编码的OFDM系统方案已作为正在拟定的广域宽带移动通信标准IEEE 802.20候选提案。LDPC码已被作为NASAJPL（美国国国家航空航天局喷气与推进实验室）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5。在半导体技术国际会议“ISSCC2005”上，有2个研究小组于2005年2月就在L
