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深空通信中喷泉编码技术以及性能的研究

作　者: 李旭
导　师: 张乃通；李晖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 深空通信喷泉码 LT码短小环相关列提取法
分类号: TN927
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着太空时代的到来,深空探测日益成为人类的重大战略任务。要开展空间探测,就要向太空发射带各种目的的空间探测器,这样就要求在探测器间、探测器与地球间构建起行之有效的联系,即要进行深空通信。深空探测的事实证明深空通信测控网是空间开发的重要支柱。其基本特征是非常大的传输距离,与其它通信方式相比难度更大。本项目中的信道编码采用喷泉码中的LT码作为外码,LDPC作为内码的串行级联码。喷泉码的一个显著特性就是无码率特性,也就说码字可以像喷泉一样不停的产生和发射,直到接收到能够恢复原始数据为止。由于深空通信的具有频带宽、延迟大、易衰减和上下行链路不对称等特性,喷泉码的无码率的特性不需要数据的重传,这样就可以实现用有效性来换取可靠性,很适合深空通信的信道。深空通信信道的频带带宽较为丰富,允许使用低频带利用率的编码和二进制的调制方案。深空通信的信道与无记忆的高斯信道非常相似,所以采用BPSK的调试方式。喷泉码是一种以删除信道为背景的稀疏图编码,采用级联码后,对于喷泉码来说,整个内码的编解码部分就等效成了删除信道。首先阐述了喷泉码的基本原理及其分类,着重描述了本项目所采用的LT码的编解码原理,并对影响LT码的性能因素进行了全面细致的分析,研究了生成矩阵中度的分布,通过Matlab仿真选择合适的分布函数及其参数,并设计了接近最优的度(degree)的分布函数。本文提出了一种全新的方法“相关列提取法”去除生成矩阵中的小环,经过不同条件下的仿真验证,提高了编解码的性能。本文还实现了基于FPGA的LT编码器的基本功能。文章最后分析了喷泉码在数据抗毁性中的应用。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 本课题研究的目的和意义  10-14
    1.2.1 信道编码理论及其发展  10-12
    1.2.2 应用于深空通信信道编码的研究  12-14
  1.3 国内外相关技术发展现状  14-16
  1.4 本文主要研究内容  16-17
第2章数字喷泉编码的构造  17-27
  2.1 数字喷泉码的基本理论  17
  2.2 喷泉码的分类  17-23
    2.2.1 随机线性编码  18-20
    2.2.2 LT码  20-21
    2.2.3 Raptor码  21-23
  2.3 喷泉码中LT码的编译码原理  23-25
    2.3.1 编码过程  23-24
    2.3.2 译码过程  24-25
  2.4 LT码与传统的删除信道编译码比较  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章喷泉码性能及仿真结果分析  27-43
  3.1 级别概率分布  27-31
    3.1.1 理想孤波分布  28-29
    3.1.2 鲁棒孤波分布  29-31
  3.2 校验节点度的分布概率函数的设计  31-36
  3.3 生成矩阵中短小环的研究  36-39
    3.3.1 生成矩阵中短小环的影响  36
    3.3.2 相关列提取法去短小环及其仿真结果分析  36-39
  3.4 生成矩阵全选及随机性对编译码性能的影响  39-42
    3.4.1 全选且去短小环相结合的仿真结果分析  40-41
    3.4.2 保持生成矩阵随机性且去小环的仿真结果分析  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章基于FPGA的LT码编码器的实现  43-51
  4.1 LT码编码器的设计  43-44
  4.2 LT码编码器FPGA实现平台及使用软件介绍  44-47
    4.2.1 现场可编程阵列FPGA的基本结构  45-46
    4.2.2 Quartus II软件及Verilog HDL语言的介绍  46-47
  4.3 LT码编码器的FPGA的实现  47-48
  4.4 LT编码器的测试  48-50
  4.5 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-56
攻读硕士学位期间发表的学术论文  56-58
致谢  58

深空通信中喷泉编码技术以及性能的研究

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