面向CCSDS标准的深空通信信道编译码算法研究
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硕士学位论文
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面向 CCSDS 标准的 深空通信信道编译码算法研究
RESEARCH ON CHANNEL CODEC ALGORITHMS IN DEEP SPACE COMMUNICATIONS FOR CCSDS 韩 超
哈尔滨工业大学 2013 年 6 月
国内图书分类号：TN911.22 国际图书分类号：654
II
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘 要 ............................................................................................................................... Ⅰ Abstract .......................................................................................................................... Ⅱ 第 1 章 绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 ........................................................................ 1 1.2 国内外研究现状及分析 .................................................................................... 2 1.2.1 LDPC 码研究现状 ................................................................................... 2 1.2.2 Turbo 码研究现状 ................................................................................... 3 1.2.3 深空通信信道编译码应用现状 ............................................................. 5 1.2.4 国内外文献综述的简析 ......................................................................... 6 1.3 本文的主要研究内容 ........................................................................................ 7 第 2 章 LDPC 码编译码算法分析 ................................................................................. 8 2.1 LDPC 码概述 ...................................................................................................... 8 2.1.1 LDPC 码的描述和图模型表达 ............................................................... 8 2.1.2 LDPC 码的分类 ....................................................................................... 9 2.1.3 LDPC 码的性能特点 ............................................................................. 15 2.2 LDPC 码编码算法 ............................................................................................ 16 2.2.1 高斯消元算法 ....................................................................................... 16 2.2.2 RU 快速编码算法.................................................................................. 17 2.2.3 QC-LDPC 编码算法 .............................................................................. 18 2.3 LDPC 码译码算法 ............................................................................................ 19 2.3.1 基于概率的 BP 算法 ............................................................................ 20 2.3.2 LLR-BP 算法 ......................................................................................... 21 2.3.3 最小和算法及其改进算法 ................................................................... 22 2.3.4 不同译码算法的比较 ........................................................................... 24 2.4 CCSDS 标准中的 LDPC 码 ............................................................................. 25 2.4.1 码型参数 ............................................................................................... 25 2.4.2 校验矩阵结构 ....................................................................................... 26 2.4.3 编码器结构 ........................................................................................... 27 2.4.4 译码器结构 ........................................................................................... 28 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 29 第 3 章 Turbo 码编译码算法分析 ............................................................................... 30 3.1 Turbo 码概述 .................................................................................................... 30
Han Chao Associate Prof. Gao Changsheng Master of Engineering Spacecraft Design School of Astronautics June, 2013 Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
在深空通信中，由于极低的信噪比环境，保证通信的可靠性成为其一大重点 和难点。解决这一问题的有效手段是采用信道编译码技术。Turbo 码和 LDPC 码是 两种性能优异的信道编码方式，被 CCSDS 作为深空通信应用的标准。本文在对这 两种编码方式国内外研究现状调研的基础上，对它们的编译码算法分别进行了分 析，重点研究了它们在深空通信中的应用，并通过仿真比较了它们各方面的性能。 首先，对 LDPC 码的编译码算法进行了研究。分析了几种常用的 LDPC 编译 码方式，重点是 QC-LDPC 编码算法和最小和译码算法及其改进算法，并探讨了深 空通信中 LDPC 码的应用。然后，对 Turbo 码的译码算法进行了研究。这一部分 主要分析研究了 MAP 算法、Log-MAP 算法及其改进算法，并对深空通信中使用 的 Turbo 码编码器和译码器进行了分析。最后，使用 MATLAB 分别对 CCSDS 标 准中推荐的 LDPC 码和 Turbo 码进行了仿真，比较了不同译码方式、不同迭代次 数以及不同码长、码率等条件下的译码性能，并对这两种编码方式的编码效率、 编译码复杂度及数据传输速率等性能进行了比较分析。 总体来说，本文在学习和理解现有编译码理论的基础上，对 LDPC 码和 Turbo 码的编译码算法进行了推导， 特别是对 CCSDS 标准中的这两种码进行了详尽的仿 真，这一工作对工程应用具有很强的指导意义。 关键词：CCSDS；深空通信；LDPC 码；Turbo 码
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Due to the very low SNR, in deep space communications, to ensure the reliability of communication becomes one of emphasis and difficulty. An effective means to solve this problem is the use of channel codec technology. LDPC and Turbo codes are two excellent codes, and have been used in CCSDS standard. In this thesis, the codec algorithms of both codes were analyzed, focusing on their application in deep space comunications, and their performance were compared through simulation. Firstly, the LDPC encoding and decoding algorithms were studied. Based on the overview of LDPC codes, several commonly used LDPC encoding and decoding algorithms were analyzed, the focus was on the QC-LDPC encoding, the min-sum decoding, and improved algorithms. The application in deep space communication of LDPC codes was also discussed. Secondly, the Turbo decoding algorithms were studied. This section focus on analysis of MAP algorithm, Log-MAP algorithm and improved algorithms. And Turbo coder and decoder used in deep space communication were discussed. Finally, LDPC codes and Turbo codes recommended in CCSDS standard were simulated by MATLAB, their decoding performance under different conditions were compared respectively. And the performance of these two codes, such as the encoding efficiency, the encoding and decoding complexity and the data transmission rate, etc. were compared and analyzed. Overall, after a lot of theory study and understanding, this thesis focuses on the algorithm inference of LDPC code and Turbo code, especially the simulation of the codes, which has a strong .guiding significance for the application. Keywords: CCSDS, Deep space communications, LDPC codes, Turbo codes
Dissertation for the Master Degree in Engineering
RESEARCH ON CHANNEL CODEC ALGORITHMS IN DEEP SPACE COMMUNICATIONS FOR CCSDS
Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation： Date of Defence： Degree-Conferring-Institution：
学校代码：10213 密级：公开
工学硕士学位论文
面向 CCSDS 标准的 深空通信信道编译码算法研究
硕 士 研 究 生： 韩 超 导 师： 高长生副教授
申 请 学 位： 工学硕士 学 科： 飞行器设计
所 在 单 位： 航天学院 答 辩 日 期： 2013 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TN911.22 U.D.C: 654
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RESEARCH ON CHANNEL CODEC ALGORITHMS IN DEEP SPACE COMMUNICATIONS FOR CCSDS 韩 超
哈尔滨工业大学 2013 年 6 月
国内图书分类号：TN911.22 国际图书分类号：654
II
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘 要 ............................................................................................................................... Ⅰ Abstract .......................................................................................................................... Ⅱ 第 1 章 绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 ........................................................................ 1 1.2 国内外研究现状及分析 .................................................................................... 2 1.2.1 LDPC 码研究现状 ................................................................................... 2 1.2.2 Turbo 码研究现状 ................................................................................... 3 1.2.3 深空通信信道编译码应用现状 ............................................................. 5 1.2.4 国内外文献综述的简析 ......................................................................... 6 1.3 本文的主要研究内容 ........................................................................................ 7 第 2 章 LDPC 码编译码算法分析 ................................................................................. 8 2.1 LDPC 码概述 ...................................................................................................... 8 2.1.1 LDPC 码的描述和图模型表达 ............................................................... 8 2.1.2 LDPC 码的分类 ....................................................................................... 9 2.1.3 LDPC 码的性能特点 ............................................................................. 15 2.2 LDPC 码编码算法 ............................................................................................ 16 2.2.1 高斯消元算法 ....................................................................................... 16 2.2.2 RU 快速编码算法.................................................................................. 17 2.2.3 QC-LDPC 编码算法 .............................................................................. 18 2.3 LDPC 码译码算法 ............................................................................................ 19 2.3.1 基于概率的 BP 算法 ............................................................................ 20 2.3.2 LLR-BP 算法 ......................................................................................... 21 2.3.3 最小和算法及其改进算法 ................................................................... 22 2.3.4 不同译码算法的比较 ........................................................................... 24 2.4 CCSDS 标准中的 LDPC 码 ............................................................................. 25 2.4.1 码型参数 ............................................................................................... 25 2.4.2 校验矩阵结构 ....................................................................................... 26 2.4.3 编码器结构 ........................................................................................... 27 2.4.4 译码器结构 ........................................................................................... 28 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 29 第 3 章 Turbo 码编译码算法分析 ............................................................................... 30 3.1 Turbo 码概述 .................................................................................................... 30
Han Chao Associate Prof. Gao Changsheng Master of Engineering Spacecraft Design School of Astronautics June, 2013 Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
在深空通信中，由于极低的信噪比环境，保证通信的可靠性成为其一大重点 和难点。解决这一问题的有效手段是采用信道编译码技术。Turbo 码和 LDPC 码是 两种性能优异的信道编码方式，被 CCSDS 作为深空通信应用的标准。本文在对这 两种编码方式国内外研究现状调研的基础上，对它们的编译码算法分别进行了分 析，重点研究了它们在深空通信中的应用，并通过仿真比较了它们各方面的性能。 首先，对 LDPC 码的编译码算法进行了研究。分析了几种常用的 LDPC 编译 码方式，重点是 QC-LDPC 编码算法和最小和译码算法及其改进算法，并探讨了深 空通信中 LDPC 码的应用。然后，对 Turbo 码的译码算法进行了研究。这一部分 主要分析研究了 MAP 算法、Log-MAP 算法及其改进算法，并对深空通信中使用 的 Turbo 码编码器和译码器进行了分析。最后，使用 MATLAB 分别对 CCSDS 标 准中推荐的 LDPC 码和 Turbo 码进行了仿真，比较了不同译码方式、不同迭代次 数以及不同码长、码率等条件下的译码性能，并对这两种编码方式的编码效率、 编译码复杂度及数据传输速率等性能进行了比较分析。 总体来说，本文在学习和理解现有编译码理论的基础上，对 LDPC 码和 Turbo 码的编译码算法进行了推导， 特别是对 CCSDS 标准中的这两种码进行了详尽的仿 真，这一工作对工程应用具有很强的指导意义。 关键词：CCSDS；深空通信；LDPC 码；Turbo 码
I
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Due to the very low SNR, in deep space communications, to ensure the reliability of communication becomes one of emphasis and difficulty. An effective means to solve this problem is the use of channel codec technology. LDPC and Turbo codes are two excellent codes, and have been used in CCSDS standard. In this thesis, the codec algorithms of both codes were analyzed, focusing on their application in deep space comunications, and their performance were compared through simulation. Firstly, the LDPC encoding and decoding algorithms were studied. Based on the overview of LDPC codes, several commonly used LDPC encoding and decoding algorithms were analyzed, the focus was on the QC-LDPC encoding, the min-sum decoding, and improved algorithms. The application in deep space communication of LDPC codes was also discussed. Secondly, the Turbo decoding algorithms were studied. This section focus on analysis of MAP algorithm, Log-MAP algorithm and improved algorithms. And Turbo coder and decoder used in deep space communication were discussed. Finally, LDPC codes and Turbo codes recommended in CCSDS standard were simulated by MATLAB, their decoding performance under different conditions were compared respectively. And the performance of these two codes, such as the encoding efficiency, the encoding and decoding complexity and the data transmission rate, etc. were compared and analyzed. Overall, after a lot of theory study and understanding, this thesis focuses on the algorithm inference of LDPC code and Turbo code, especially the simulation of the codes, which has a strong .guiding significance for the application. Keywords: CCSDS, Deep space communications, LDPC codes, Turbo codes
Dissertation for the Master Degree in Engineering
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Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Speciality： Affiliation： Date of Defence： Degree-Conferring-Institution：
学校代码：10213 密级：公开
工学硕士学位论文
面向 CCSDS 标准的 深空通信信道编译码算法研究
硕 士 研 究 生： 韩 超 导 师： 高长生副教授
申 请 学 位： 工学硕士 学 科： 飞行器设计
所 在 单 位： 航天学院 答 辩 日 期： 2013 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TN911.22 U.D.C: 654