CN105659931B - 一种卫星遥测信道编码方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星遥测信道编码方法，步骤如下：(1)产生LDPC码的校验矩阵H；(2)对校验矩阵H进行转换，得到LDPC码的生成矩阵G；(3)利用生成矩阵G对LDPC码进行编码；(4)对完整的LDPC编码结果的校验部分进行截取，得到不同码率的编码校验信息，截取时按照编码校验信息的分段顺序从首段的首个比特位开始依次截取固定长度的比特数，或从编码校验信息的每个分段中分别截取长度相同或长度差不超过2比特的比特数；(5)将卫星遥测信息与截取获得的编码校验信息进行顺序组合，得到完整的编码并经调制后下传至地面站。本发明信道编码方法抗干扰能力强，且码率可调，适用于卫星信道条件变化比较大的情况。<pb pnum="1" />

Description

一种卫星遥测信道编码方法

技术领域

本发明涉及一种卫星遥测信号的信道编码方法，特别是一种卫星遥测信号的低密度奇偶校验码(LDPC码)的编码方法。

背景技术

目前，在卫星遥测信号中有的使用了信道编码，有的没有采用信道编码。显然，采用了信道编码的遥测信号可以抗干扰，并对遥测信号中的错误进行纠正。用于卫星遥测信号的信道编码有卷积码、RS码〔可参见航天器测控与数据管理第3部分：遥测信道编码，GJB1198.3A-2004〕、Turbo码〔可参见TMsynchronizationandchannelcoding，CCSDS131.0-B-1，September2005〕和LDPC码〔可参见LowDensityParityCheckCodeFamily，ExperimentalSpecification，CCSDS131.2-O-1，2006〕。

航天器测控与数据管理第3部分规定卷积码的码率选择r＝1/2，约束长度为7，编码类型为非系统码，最小距离为10；同时规定RS(255，223)码和RS(255，239)码为标准的RS码，其中码长为255比特，信息位数为223比特和239比特，纠错能力分别为纠正8个符号错误和纠正16个符号错误。它们都是采用了固定码率的信道编码。

CCSDS131.0-B-1中Turbo码由两个子码和一个未编码一起构成，每个卷积子码的状态数为16，信息长度有1784、3568、7136、8920和16384五种，码率有1/2、1/3、1/4和1/6四种。CCSDS131.2-O-1中LDPC码由先产生的若干个子矩阵组合成准循环校验矩阵的方法得到，信息长度为1024、4096和16384三种，码率有1/2、2/3和4/5三种。

上述几种信道编码中，卷积码和RS码采用了固定码率的编码，不适合在卫星的信道条件有较大变化时采用，不能灵活的去适应信道变化；CCSDS131.0-B-1中Turbo码虽然有更多的码长码率可供选择，但是码率太低，也就是有效信息位数占编码后总位数的比特太低，严重影响传输的有效性；CCSDS131.2-O-1中LDPC码具有了适应信道变化的能力，但是子矩阵和校验矩阵产生方法复杂，并且码长受到构造方法的约束太多。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种抗干扰能力强、码率可调的卫星遥测信息的信道编码方法。

本发明的技术解决方案是：一种卫星遥测信道编码方法，步骤如下：

(1)产生LDPC码的校验矩阵H；

(2)对校验矩阵H进行转换，得到LDPC码的生成矩阵G；

(3)利用生成矩阵G对LDPC码进行编码；

(4)对完整的LDPC编码结果的校验部分进行截取，得到不同码率的编码校验信息，截取时按照编码校验信息的分段顺序从首段的首个比特位开始依次截取固定长度的比特数，或从编码校验信息的每个分段中分别截取长度相同或长度差不超过2比特的比特数；

(5)将卫星遥测信息与截取获得的编码校验信息进行顺序组合，得到完整的编码并经调制后下传至地面站。

所述的LDPC码是基于稀疏序列的LDPC码，基于稀疏序列的LDPC码的校验矩阵由3条稀疏的二进制序列及其循环移位序列组成，二进制序列通过序列的自相关值和3条序列之间的互相关值的约束获得，约束条件为避免LDPC码的校验矩阵对应的二分图里的最小圈长小于8。

所述的校验矩阵H为准循环校验矩阵，所述的生成矩阵G为准循环生成矩阵。

所述步骤(3)中利用生成矩阵G对LDPC码进行编码时采用移位寄存器实现，实现时首先从生成矩阵G中选取与第一段信息比特对应的生成因子送入移位寄存器，然后将信息比特按段依次送入，每段信息比特与其对应的生成因子按位相乘后存入寄存器，随着信息比特的不断送入，移位寄存器中的生成因子不断更新，移位寄存器每移动一位，即将信息比特与其对应的生成因子的相乘结果与寄存器中原先的存储值按位进行二进制累加后再次存入寄存器中，当所有的信息段全部送入后，寄存器输出的即为编码校验信息。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用的LDPC码码率可调，适合于不同卫星信道条件下使用，可以增强恶劣条件下的抗干扰能力；截取后的校验比特和信息比特只需用简单的顺序组合，易于卫星上硬件实现。

(2)基于稀疏序列的LDPC码具有产生简单、译码性能优良的特点；

(3)校验矩阵具有准循环特性，译码器只需存储稀疏序列的相关信息，无需存储整个校验矩阵；

(4)生成矩阵具有准循环特性，编码器实现简单、硬件实现复杂度低，易于在卫星上应用；

(5)采用移位寄存器对LDPC码进行编码实现，可以做到近实时编码，减少了一般编码方法带来的大延迟。

附图说明

图1为本发明信道编码方法的流程框图；

图2为本发明完整LDPC码的编码框图；

图3为本发明中对编码校验信息进行均匀截取时的示意框图；

图4为本发明中对编码校验信息进行顺序截取时的示意框图。

具体实施方式

LDPC码是目前一种性能最接近香农极限的信道编码，它可以用稀疏的二分图来表示。LDPC码的校验矩阵与一个稀疏图相对应，稀疏图中的短圈会影响LDPC码的性能，在构造中要尽可能避免图中存在较短的圈。一般，实际应用的LDPC码具有较长的码长时其优点才能显现；但是长码长容易带来硬件实现上的困难，因此主要采用编码复杂度较低的LDPC码；准循环LDPC码的校验矩阵是准循环矩阵，并且可以通过矩阵变换得到准循环或类准循环的生成矩阵，由这些生成矩阵进行编码时可以用移位寄存器实现，是一种编码复杂度最低的LDPC码。

本发明基于稀疏序列LDPC码的编码方案，采用对完整LDPC码进行截取的方式实现星上采用一个LDPC码编码器即可得到不同码率的LDPC码。稀疏序列LDPC码〔何善宝，赵春明，史志华，姜明，“基于稀疏二进制序列的低密度奇偶校验码”，通信学报，第26卷第6期，81页-86页，2005年6月〕是一种准循环LDPC码，根据文献〔LiZongwang，ChenLei，ZengLingqi，S.Lin，W.H.Fong，Efficientencodingofquasi-cycliclow-densityparity-checkcodes，IEEETransactionsonCommunications，Jan.2006，Volume：54，Issue：1，page(s)：71-81〕可利用移位寄存器的方案实现稀疏序列准循环LDPC码的线性编码。本发明根据星上需求的几种码率巧妙的对同一个编码器输出的系统编码进行冗余比特位数的截取，无需采用多个编码器，从而简化了星上设备的复杂度。

如图1所示，为本发明信道编码方法的流程框图，利用本发明方法对遥测信息进行编码的方法如下：

第一步，通过序列的自相关值和互相关值的约束获得3条稀疏序列，以免LDPC码的校验矩阵对应的二分图里的最小圈长小于8。根据得到的稀疏序列和它们的循环移位序列即可产生LDPC码的校验矩阵H，如下式所示。式中的A_i，j为b×b二进制循环子矩阵，b为子矩阵大小，c为列方向子矩阵数目，t为行方向子矩阵数目。

第二步，依据稀疏序列LDPC码的校验矩阵H，通过转换得到生成矩阵G，生成矩阵具有准循环或类准循环特性，其形式如下：

式中的I、O和G_i，j分别为b×b单位子矩阵、零子矩阵和循环子矩阵，b为子矩阵大小，c为校验矩阵中列方向子矩阵数目，t为行方向子矩阵数目。。

第三步，由生成矩阵可以得到其生成因子。设信息序列a＝(a₁，a₂，...，a_t-c)，其中a_i＝(a_(i-1)b+1，a_(i-1)b+2，...，a_ib)，那么对应该信息序列的编码序列是v＝aG＝(a，p₁，p₂，...，p_c)，其中p_j＝(p_j，1，p_j，2，...，p_j，b)。图2是针对基于稀疏序列的准循环LDPC码的编码框图。如图2所示，在初始阶段，反馈移位寄存器B里面存储的是生成因子g₁₁，g₁₂，...，g_1c；寄存器A里面存储的初值设置为0，这里矩阵的生成因子是列矢量不是行矢量；当a₁的b个比特全部进入移位寄存器后，c个移位寄存器B里面存储的值重新设置为生成因g₂₁，g₂₂，...，g_2c；寄存器A里面存储的值为a₁G_1，1，a₁G_1，2，...，a₁G_1，c；当a₂的b个比特全部进入寄存器后，移位寄存器B里面存储的值重新设置为生成因子g₃₁，g₃₂，...，g_3c；寄存器A里面存储的值为a₁G_1，1+a₂G_2，1，a₁G_1，2+a₂G_2，2，...，a₁G_1，c+a₂G_2，c；依此类推，当a_t-c的b个比特全部进入寄存器后，移位寄存器B里面存储的值重新设置为下一个信息序列的子矩阵的生成因子g_t-c1，g_t-c2，...，g_t-cc；移位寄存器A里面存储的值就是cb个校验值。

第四步，对固定码率的LDPC码进行截取，图3和图4是本发明编码截取方法的示意框图。假设信息序列被分成(t-c)段，每段b比特，编码后将有c段校验比特，每段b比特。我们根据需求将星上编码码率分成四档：1/2、2/3、3/4和4/5，则最完整的编码是1/2码率的编码，可以得到c＝t/2。设截取后的校验比特段数为c’，则2/3、3/4和4/5三种码率情况对应的c’分别是t/3、t/4和t/5。从而可以计算出2/3、3/4和4/5三种码率应该截取掉的比特数为tb/6、tb/4和(3tb)/10。

下面通过实施例对本发明方法的截取方式作进一步说明。设t＝120，b＝50，c＝60，完整LDPC码(即码率1/2情况)码长6000，校验比特长度3000(被分成60段，每段50比特)，2/3、3/4和4/5三种码率应该截取掉的校验比特数为1000、1500和1800。图3是均匀截取的方法，即按照编码校验信息的分段顺序从首段的首个比特位开始依次截取固定长度的比特数。针对4/5码率情况下60段校验比特每段截取掉30比特，针对3/4码率情况下60段每段截取掉25比特，针对2/3码率情况60段的前40段每段截取掉17比特后20段每段截取掉16比特。图4是顺序截取的方法，即从编码校验信息的每个分段中分别截取长度相同或长度差不超过2比特的比特数，也就是将校验比特最后的若干位截取掉，针对4/5码率情况下最后36段1800比特全部截取掉，针对3/4码率情况下最后30段1500比特全部截取掉，针对2/3码率情况最后20段1000比特全部截取掉。

第五步，将信息比特和截取后剩余的校验比特进行组合，形成不同码率的编码后下传至地面站。星上遥测下传的信号包括所有信息比特和被截取后剩余下的校验比特，星上信道编码的码率选择与设置是通过地面发送指令来完成的。利用同一个LDPC码编码器进行截取来获得多个码率的方法虽然在地面接收端译码时性能略有损失(与多个不同编码器相比)，但是星上实现复杂度低，不管是顺序截取法还是均匀截取法，均可以通过软件编程来实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种卫星遥测信道编码方法，其特征在于步骤如下：

(1)产生LDPC码的校验矩阵H；所述的LDPC码是基于稀疏序列的LDPC码，基于稀疏序列的LDPC码的校验矩阵由3条稀疏的二进制序列及其循环移位序列组成，二进制序列通过序列的自相关值和3条序列之间的互相关值的约束获得，约束条件为避免LDPC码的校验矩阵对应的二分图里的最小圈长小于8；所述的校验矩阵H为准循环校验矩阵，其形式如下：

式中的A_i，j为b×b二进制循环子矩阵，b为子矩阵大小，c为列方向子矩阵数目，t为行方向子矩阵数目；

(2)对校验矩阵H进行转换，得到LDPC码的生成矩阵G；所述的生成矩阵G为准循环生成矩阵，其形式如下：

式中的I、O和G_i，j分别为b×b单位子矩阵、零子矩阵和循环子矩阵，b为子矩阵大小，c为校验矩阵中列方向子矩阵数目，t为行方向子矩阵数目；

(3)利用生成矩阵G对LDPC码进行编码；

(4)对完整的LDPC编码结果的校验部分进行截取，得到不同码率的编码校验信息，截取时按照编码校验信息的分段顺序从首段的首个比特位开始依次截取固定长度的比特数，或从编码校验信息的每个分段中分别截取长度相同或长度差不超过2比特的比特数；

(5)将卫星遥测信息与截取获得的编码校验信息进行顺序组合，得到完整的编码并经调制后下传至地面站。

2.根据权利要求1所述的一种卫星遥测信道编码方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用生成矩阵G对LDPC码进行编码时采用移位寄存器实现，实现时首先从生成矩阵G中选取与第一段信息比特对应的生成因子送入移位寄存器，然后将信息比特按段依次送入，每段信息比特与其对应的生成因子按位相乘后存入寄存器，随着信息比特的不断送入，移位寄存器中的生成因子不断更新，移位寄存器每移动一位，即将信息比特与其对应的生成因子的相乘结果与寄存器中原先的存储值按位进行二进制累加后再次存入寄存器中，当所有的信息段全部送入后，寄存器输出的即为编码校验信息。