祁棟升,陳自力,白勇博,楊 勇

(軍械工程學(xué)院,河北石家莊050003)

0 引言

無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)和地面控制站聯(lián)系的樞紐,負(fù)責(zé)上行遙控指令、下行遙測(cè)數(shù)據(jù)和偵察任務(wù)信息的傳輸。因此,高質(zhì)量的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信是保證無(wú)人機(jī)高效完成作戰(zhàn)任務(wù)的前提,也是當(dāng)前重要的研究課題。而在現(xiàn)代電磁戰(zhàn)環(huán)境下,無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)面臨的是復(fù)雜的電磁環(huán)境以及有針對(duì)性的電磁干擾。因此,抗干擾技術(shù)是確保無(wú)人機(jī)通信鏈路迅速、準(zhǔn)確、保密和暢通的關(guān)鍵技術(shù)。

Turbo碼自1993年提出以來(lái),因其接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能,一直成為編碼界研究的熱點(diǎn)。Turbo碼雖然具有優(yōu)異的性能,但是由于其譯碼復(fù)雜度高、譯碼延時(shí)大等問(wèn)題,嚴(yán)重制約了Turbo碼在高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。近年來(lái),可編程邏輯器件得到了很大發(fā)展,FPGA以其密度高、速度快、編程靈活和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。文中在進(jìn)一步研究Turbo碼特性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了Turbo碼編譯碼器的FPGA設(shè)計(jì),這種實(shí)現(xiàn)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(mǎn)足無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的通信要求。

1 無(wú)人機(jī)信道模型

信道分析是基于統(tǒng)計(jì)模型基礎(chǔ)上的,描述了無(wú)人機(jī)通信信道的傳播特性。與陸地移動(dòng)通信不同,無(wú)人機(jī)地面站都使用定向高增益的測(cè)控天線(xiàn)。因此,無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)中必然存在較強(qiáng)的直射信號(hào)分量和一定的高斯白噪聲,同時(shí)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(wú)人機(jī)存在一定的飛行速度,還要考慮其造成的多普勒效應(yīng),因此無(wú)人機(jī)信道類(lèi)似于Rician信道。實(shí)際研究中,為了研究問(wèn)題的方便,可以把無(wú)人機(jī)信道簡(jiǎn)化Rician衰落信道模型。

2 Turbo碼概述

Turbo碼又稱(chēng)并行級(jí)聯(lián)卷積碼(Parallel Concatenated Convolutional Code,PCCC),它將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起,在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼思想的同時(shí),通過(guò)交織器實(shí)現(xiàn)了由短碼構(gòu)造長(zhǎng)碼的方法,并采用軟輸出迭代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼?？梢?jiàn),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(jié)果表明,在采用長(zhǎng)度為65536的隨機(jī)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(diào)制時(shí),碼率為1/2的Turbo碼在AWGN信道上的 BER≤10-5,達(dá)到了與Shannon極限僅差0.7 dB的優(yōu)異性能。

Turbo碼是一種性能十分優(yōu)越的信道編碼技術(shù),為糾錯(cuò)碼研究帶來(lái)了新的突破。Turbo碼與其他編碼相比最大的優(yōu)點(diǎn)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(shuō)明Turbo碼可以在環(huán)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(shù)據(jù)率和承載多媒體業(yè)務(wù)為目的的信道編碼方案之一,用于高速率和高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信業(yè)務(wù),而這正是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信所需要的,所以研究Turbo碼技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)高速、可靠通信具有重要意義。

3 Turbo碼性能研究

為了設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈特性的譯碼器,比較有效的研究方法是用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真。仿真在Matlab環(huán)境下進(jìn)行,仿真時(shí)以程序產(chǎn)生的隨機(jī)碼作為信源,經(jīng)過(guò)Turbo碼編碼和BPSK調(diào)制后,加入模擬的Rician衰落信道,之后進(jìn)行解調(diào)和譯碼,最后把譯碼結(jié)果和原始信源對(duì)比,統(tǒng)計(jì)誤碼數(shù)和誤碼率,得出性能結(jié)果。接下來(lái)分別討論交織類(lèi)型、譯碼算法和迭代次數(shù)對(duì)Turbo碼性能的影響。

3.1 交織類(lèi)型對(duì)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(gè)比特的位置進(jìn)行隨機(jī)置換,但它卻起著關(guān)鍵作用,在很大程度上影響著Turbo碼的性能。其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)使得輸出與輸入之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的函數(shù),將信息序列中各元素的位置進(jìn)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(lèi)型對(duì)其性能的影響如圖1所示。

圖1 交織類(lèi)型對(duì) Turbo碼性能影響

由仿真結(jié)果可知,隨著SNR的增大,幾種交織器的性能有了顯著差別。當(dāng)幀長(zhǎng)一定時(shí),分組交織器的性能略差一些,而偽隨機(jī)交織器的性能相對(duì)較好。

3.2 不同譯碼算法對(duì)Turbo碼性能影響

Turbo碼有多種譯碼算法,選擇Turbo碼的生成多項(xiàng)式為 G(D)=[37,21],碼率為1/2,幀長(zhǎng)度為1 024比特,迭代次數(shù)為5,交織器采用偽隨機(jī)交織方式,進(jìn)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(xiàn)如圖2所示。

圖2 譯碼算法對(duì) 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(jù)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈高速通信的要求,該設(shè)計(jì)在解碼過(guò)程中采用改進(jìn)后的Log-MAP算法來(lái)減小運(yùn)算量,提高設(shè)計(jì)的可行性。

3.3 不同迭代次數(shù)對(duì)Turbo碼性能影響

迭代譯碼結(jié)構(gòu)是Turbo碼的一個(gè)主要特點(diǎn),通過(guò)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(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同的迭代次數(shù),觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Turbo碼生成多項(xiàng)式選用[37,21],碼率選為1/2,采用Log-MAP譯碼算法,幀長(zhǎng)采用1 024進(jìn)行性能研究,得仿真結(jié)果如圖3所示。由圖可知迭代次數(shù)增大,譯碼性能會(huì)得以提升,但譯碼時(shí)延會(huì)隨迭代次數(shù)的增加而線(xiàn)性增大,同時(shí)迭代次數(shù)增大到一定程度后,譯碼性能會(huì)趨于飽和,所以不能無(wú)限制地增加迭代次數(shù)。

圖3 迭代次數(shù)對(duì)Turbo碼性能影響

4 Turbo譯碼器的FPGA實(shí)現(xiàn)

4.1 譯碼算法的選擇

利用FPGA的并行計(jì)算能力可以很好地解決Turbo碼譯碼復(fù)雜和譯碼時(shí)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(duì)于硬件的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)復(fù)雜性非常高,計(jì)算的中間存儲(chǔ)量大、時(shí)延大、成本高,不太可能在實(shí)際系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和應(yīng)用,因此選擇一種適于硬件實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)的MAP算法是非常必要的。通過(guò)上述的分析和仿真,再結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)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(jī)交織器、LOGMAP 算法,迭代次數(shù)選擇為7次來(lái)實(shí)現(xiàn)譯碼器。

4.2 譯碼器的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

根據(jù)上述介紹的迭代譯碼原理,在FPGA中實(shí)現(xiàn)Turbo碼的迭代譯碼。在ISE環(huán)境下,采用Verilog語(yǔ)言完成各功能模塊的描述,在譯碼器設(shè)計(jì)的頂層實(shí)體中,用元件例化的方法,例化各模塊實(shí)體,并進(jìn)行元件的端口映射,完成一個(gè)完整的譯碼器設(shè)計(jì)。然后再在ISE環(huán)境下完成系統(tǒng)的綜合、仿真,并進(jìn)行分析驗(yàn)證。設(shè)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(yīng)為codeut=(11010)。由圖4知,該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Turbo碼的正確譯碼,而且具有較高的譯碼速率,這表明設(shè)計(jì)的迭代譯碼器達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 Turbo碼譯碼器仿真波形

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)無(wú)人機(jī)信道特點(diǎn),以無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中的Turbo碼為研究對(duì)象,對(duì)其性能進(jìn)行了研究分析。運(yùn)用開(kāi)發(fā)工具Xilinx ISE10.1結(jié)合設(shè)計(jì)語(yǔ)言并采用模塊化結(jié)構(gòu)對(duì)Turbo碼譯碼器硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了FPGA設(shè)計(jì)分析,根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)運(yùn)用仿真工具進(jìn)行了仿真,達(dá)到了預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。通過(guò)驗(yàn)證該方案能夠提高無(wú)人機(jī)通信質(zhì)量和無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信的抗干擾性能。目前,Turbo碼的FPGA實(shí)現(xiàn)在無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用研究較少,該課題的開(kāi)展有助于深入研究無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路特性,對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)高速、可靠通信具有一定的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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