CN111211862A - 一种遥感卫星信道码编码增益测试方法 - Google Patents

一种遥感卫星信道码编码增益测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，首先结合卫星多种工作模式特点，采用遥控信号控制方式，测试信道中有无信道码的编码增益，简单可行；其次误码检测仪，产生并输出带格式的PN码，且能够对接收的帧格式数据中的断续数据进行实时比较，计算误码率。本发明的方法不需要产生新频率的时钟，指标测试简单易行，准确可靠；应用此方法对LDPC(8160，7136)码进行测试，编码增益指标与理论值相近。

Description

一种遥感卫星信道码编码增益测试方法
技术领域
本发明属于电子与通信系统信道编译码领域，具体涉及信道码编码增益测试方法。
背景技术
由于卫星通信的距离比较长，而且信道属于开放式结构的信道类型，所以信道的环境比较复杂，受外界影响相当大。信息在传输的过程中很容易受到各种天气状况、地面障碍物、地面移动台的相对移动造成的多普勒频移、多径效应等因素的影响，使得信息传输的有效性和可靠性难以保证。如果要解决这个问题，就需要增大信噪比Eb/N0。但是，常用的卫星通信系统都具有非实时和功率受限的特点。对于要求越来越高的卫星通信系统，传输效率和误比特率就成为了衡量系统性能好坏的重要标准。信道编码技术就为这一问题提供了最基本的解决办法。
信道编码是提高通信系统高可靠性传输的不可缺少的单元，它是指在发送端将要发送的序列中加入一些差错控制码元，通常情况下这些差错控制码元也被称为冗余位，它和原数据比特之间设定好某种关系，如果信道中存在干扰，这种校验关系会影响出现错误的比特位，接收端可以根据它们之间的校验关系发现错误比特位并能将其纠正。信道编码技术能够增强通信系统抗干扰的能力，使其获得编码增益，从而提高通信的可靠性。提高传输信息的可靠性和有效性，一直以来是通信系统研究人员的目标。
目前为止，国内卫星信道码技术共经历了三代。90年代我国卫星应用的都是第一代信道码：一是RS(10，6)码，编码效率实0.6，编码增益小于2dB；二是(2，1，7)卷积码，编码效率0.5，编码增益约为5dB。约2000年后开始使用第二代信道码，即RS(255，223)+交织+卷积(2，1，7)，其中RS 为外码卷积为内码，编码效率约为0.4，编码增益约为7dB。约2008年至今，LDPC(8160，7136)码，以其优越的性能，更新换代成为第三代星载应用信道码，编码效率为0.875，编码增益约为7dB。卫星上所应用的信道码，卷积码为非分组码，RS码和LDPC码属于线性分组码。
卫星通信系统可靠、高效地传输信息始终是通信工作追求的目标。信道编码技术是解决传输可靠性的一种重要手段，而检验信道码性能的一个指标就是编码增益。编码增益定义为：在误码率一定的条件下，未编码系统需要的输入信噪比与采用了编码的系统所需的输入信噪比之间的差值。编码增益描述的是在采用了信道编码之后，对原先非编码系统的性能改善程度。
编码增益定义明确，可具体硬件测试方法却不尽相同。传统信道码编码增益测试方法中，线性分组码(RS码和LDPC码)需要按一定的帧格式进行编译码，由于卫星帧格式和编码效率的原因，需要产生新时钟，而新时钟频率和输入的时钟频率不是整数倍数关系，在FPGA内部很难通过DCM产生同源的，相位连续的，占空比50％的时钟，因产生的时钟不够稳定，误码检测仪的检测有一定的误差，最终导致指标测试不准确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种遥感卫星信道码编码增益测试方法。该方法利用遥感卫星数据中的填充帧，写同相位PN码数据，在两种工作模式下，通过改变噪声的大小，用自研的误码检测设备实时检测误码率，就可以可靠准确地测试带帧格式数据的信道码编码增益，该方法简单可行，指标测试结果准确可靠。
本发明所采用的技术方案是：一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，包括步骤如下：
步骤A：根据遥控信号，识别工作模式为“直通”；按数传帧格式，填充每一帧带格式的有效数据为固定相位固定长度的PN码；对未编码的帧格式数据进行调制后，在信道中加入噪声；将解调后的数据送到误码检测仪；误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值A0、A1、A2、A3、A4；
步骤B：根据遥控信号，识别工作模式为“编译码”；填充每一帧带格式的有效数据为固定相位固定长度的PN码；进行信道编码，产生校验数据并填充到校验区；对编码后的数据进行调制后，在信道中加入噪声；对解调后的数据进行信道译码，将译码后的数据送到误码检测仪，误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、 10-4、10-5、10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值B0、B1、B2、B3、B4；
步骤C：计算两组信噪比数值差值，得到误码率在分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7时，信道码编码增益指标C0、C1、C2、C3、C4；
步骤D：绘制编码增益曲线。
所述工作模式指卫星数据处理过程中，根据遥控信号的不同，进行不同的数据处理模式切换：当遥控信号为0时，工作模式为“直通”，当遥空信号为1 时，工作模式为“编译码”。
步骤A中，对未编码的帧格式数据进行调制的调制方式为QPSK，在信道中加入的噪声为高斯白噪声。
步骤B中，对未编码的帧格式数据进行调制的调制方式为QPSK，在信道中加入的噪声为高斯白噪声。
误码检测仪产生带帧格式的PN码，每帧PN码的初始相位固定且长度为K，并把PN码存储到ROM中；误码检测仪接收带帧格式的数据；误码检测仪读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算此帧的误码个数，并实时计算接收帧的数据误码率。
所述步骤C中，
当误码率为10-3时，编码增益C0＝A0-B0；
当误码率为10-4时，编码增益C1＝A1-B1；
当误码率为10-5时，编码增益C2＝A2-B2；
当误码率为10-6时，编码增益C3＝A3-B3；
当误码率为10-7时，编码增益C4＝A4-B4。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用卫星数据传输填充帧的特点，写固定相位PN码数据，在两种不同工作模式下，通过改变信道噪声的大小，误码检测设备把有效信息提取出来，进行实时比对和误码率显示，得到信道码编码增益。该种方法，实现简单，指标测试准确实时。
(2)本发明适用于遥感卫星数据传输平台，由于其实现方法简单，指标测试准确，在遥感卫星数据平台会有很好的应用前景和竞争力。
附图说明
图1是遥感卫星信道码编码增益测试原理框图。
图2是遥感卫星数据传输帧格式示意图。
图3是误码检测仪原理框图。
图4是误码检测仪误码率计算原理框图。
图5是用FPGA实现LDPC(8160，7136)码编码增益测试图。
图6是遥感卫星数据传输工作模式示意图。
图7是PN码原理框图(初始相位000 000 010 101 001)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提出的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，方案原理框图见附图1，包括步骤如下：
步骤A：(1)接收遥控信号，确认工作模式为“直通”；
(2)误码检测仪产生固定相位、固定长度为K的PN码，按数传帧格式，把PN码填充到每一帧的有效数据区；
卫星数据是以特定的帧格式进行处理和传输的。
信道编码时，要识别每帧数据的帧头，有效数据区和冗余数据区；帧头长度一般为4个字节，有效数据区长度记为K，校验数据区长度记为N-K，那么对应的信道码码组长度为N；例如LDPC(8160，7136)，RS(255，223)等。
按一定的初始相位产生长度为K的PN码；把PN码数据填充到每一帧有效数据区。
(3)把未编码的帧格式数据送到调制器进行QPSK调制，信道中通过噪声源加入大小可调节的高斯白噪声；
(4)解调后数据送到误码检测仪；
(5)误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；
(6)调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值A0、A1、A2、A3、A4；
步骤B：(1)接收遥控信号，确认工作模式为“编译码”；
(2)误码检测仪产生固定相位、固定长度为K的PN码，按数传帧格式，把PN码填充到每一帧的有效数据区；
(3)进行信道编码，产生校验数据并填充到校验区；
信道编码是指通过添加一定的校验信息，来提高码的纠错能力和抗干扰能力，进而提高信道的可靠性。具体实施时，对长度为K的有效数据，进行一定算法的编码，产生长度为N-K的校验数据。
信道译码是对长度为N的码组进行一定算法的译码，产生纠错后的有效数据(K)和校验数据(N-K)。
(4)把编码后的帧格式数据送到调制器进行QPSK调制，信道中通过噪声源加入大小可调节的高斯白噪声；
(5)解调后数据进行信道码译码；
(6)译码后数据送到误码检测仪；
(7)误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；
(8)调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值B0、B1、B2、B3、B4；
步骤C：计算两组信噪比数值差值，得到误码率在分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7时，信道码编码增益指标C0、C1、C2、C3、C4。
当误码率为10-3时，编码增益C0＝A0-B0；
当误码率为10-4时，编码增益C1＝A1-B1；
当误码率为10-5时，编码增益C2＝A2-B2；
当误码率为10-6时，编码增益C3＝A3-B3；
当误码率为10-7时，编码增益C4＝A4-B4。
如图3、4所示，误码检测仪产生带帧格式的PN码，每帧PN码的初始相位固定且长度为K，并把PN码存储到ROM中；误码检测仪接收带帧格式的数据；误码检测仪读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算此帧的误码个数，并实时计算接收帧的数据误码率。
实施例1
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，测试LDPC(8160，7136)信道码编码增益，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，详见附图1～附图7。
步骤A：(1)接收遥控信号，当遥控信号为‘0’时工作模式为“直通”；
(2)误码检测仪产生初始相位固定为000000010101001，长度固定为 7136的PN码，按数传帧格式，把PN码填充到每一帧的有效数据区，数传帧格式见附图2，帧头数据为“1ACFFC1D”，校验区数据填充计数器(0-7F)；
(3)把未编码的帧格式数据送到调制器进行QPSK调制，信道中通过噪声源加入大小可调节的高斯白噪声；
(4)解调后数据送到误码检测仪；
(5)误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的固定相位PN 码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；
(6)调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7、10-8时，分别记录噪声源信噪比数值A0、A1、A2、A3、A4、A5；
步骤B：(1)接收遥控信号，当遥控信号为‘1’时工作模式为“编译码”；
(2)误码检测仪产生初始相位固定为000000010101001，长度固定为 7136的PN码，按数传帧格式，把PN码填充到每一帧的有效数据区，数传帧格式见附图2，帧头数据为“1ACFFC1D”，校验区数据填充为“0”；
(3)进行LDPC(8160，7136)信道编码，产生1024比特校验数据并填充到校验区；
(4)把编码后的帧格式数据送到调制器进行QPSK调制，信道中通过噪声源加入大小可调节的高斯白噪声；
(5)解调后数据进行信道码译码；
(6)译码后数据送到误码检测仪；
(7)误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；
(8)调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7、10-8时，分别记录噪声源信噪比数值B0、B1、B2、B3、B4、B5；
步骤C：计算两组信噪比数值差值，得到误码率在分别为10-3、10-4、10-5、 10-6、10-7、10-8时，信道码编码增益指标C0、C1、C2、C3、C4、C5。
当误码率为10-3时，编码增益C0＝A0-B0；
当误码率为10-4时，编码增益C1＝A1-B1；
当误码率为10-5时，编码增益C2＝A2-B2；
当误码率为10-6时，编码增益C3＝A3-B3；
当误码率为10-7时，编码增益C4＝A4-B4。
步骤D：绘制编码增益曲线图，其中，横坐标为信噪比，纵坐标为误码率，见图5，图5是用FPGA实现LDPC(8160，7136)码编码增益测试图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤A：根据遥控信号，识别工作模式为“直通”；按数传帧格式，填充每一帧带格式的有效数据为固定相位固定长度的PN码；对未编码的帧格式数据进行调制后，在信道中加入噪声；将解调后的数据送到误码检测仪；误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值A0、A1、A2、A3、A4；
步骤B：根据遥控信号，识别工作模式为“编译码”；填充每一帧带格式的有效数据为固定相位固定长度的PN码；进行信道编码，产生校验数据并填充到校验区；对编码后的数据进行调制后，在信道中加入噪声；对解调后的数据进行信道译码，将译码后的数据送到误码检测仪，误码检测仪接收带帧格式的数据，读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算误码个数；调节信道噪声源的大小，当误码检测仪误码率分别为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7时，分别记录噪声源信噪比数值B0、B1、B2、B3、B4；
步骤C：计算两组信噪比数值差值，得到误码率在分别为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7时，信道码编码增益指标C0、C1、C2、C3、C4；
步骤D：绘制编码增益曲线。
2.根据权利要求1所述的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，所述工作模式指卫星数据处理过程中，根据遥控信号的不同，进行不同的数据处理模式切换：当遥控信号为0时，工作模式为“直通”，当遥空信号为1时，工作模式为“编译码”。
3.根据权利要求1或2所述的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，步骤A中，对未编码的帧格式数据进行调制的调制方式为QPSK，在信道中加入的噪声为高斯白噪声。
4.根据权利要求3所述的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，步骤B中，对未编码的帧格式数据进行调制的调制方式为QPSK，在信道中加入的噪声为高斯白噪声。
5.根据权利要求4所述的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，误码检测仪产生带帧格式的PN码，每帧PN码的初始相位固定且长度为K，并把PN码存储到ROM中；误码检测仪接收带帧格式的数据；误码检测仪读取ROM中存储的PN码，与接收帧格式中的有效数据区进行实时比较，计算此帧的误码个数，并实时计算接收帧的数据误码率。
6.根据权利要求5所述的一种遥感卫星信道码编码增益测试方法，其特征在于，所述步骤C中，
当误码率为10-3时，编码增益C0＝A0-B0；
当误码率为10-4时，编码增益C1＝A1-B1；
当误码率为10-5时，编码增益C2＝A2-B2；
当误码率为10-6时，编码增益C3＝A3-B3；
当误码率为10-7时，编码增益C4＝A4-B4。
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