編碼調(diào)制,什么是編碼調(diào)制

網(wǎng)格編碼調(diào)制( TCM) 技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種把編碼與調(diào)制作為統(tǒng)一整體來進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的技術(shù)。通過對它的研究,我們設(shè)計(jì)出了具有更高信息傳輸速率和更強(qiáng)抗噪性能的新型編碼調(diào)制系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信由于其覆蓋區(qū)域大,信道容量大及多址連接等優(yōu)點(diǎn),已逐漸成為國際和國內(nèi)遠(yuǎn)距離通信的重要手段。

傳統(tǒng)的高速衛(wèi)星信道傳輸系統(tǒng)采用的是卷積碼和QPSK(雙正交相移調(diào)制) 、QAM(正交調(diào)幅) 相結(jié)合的編碼調(diào)制方式。由于系統(tǒng)誤碼率的限制,該方式必需采用有較長約束長度的卷積碼來實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制,這就造成了譯碼設(shè)備復(fù)雜,且該系統(tǒng)信息傳輸速率較低,抗干擾性較差,很大程度上限制了衛(wèi)星通信在高速信息傳輸領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。如何對編譯碼及調(diào)制解調(diào)技術(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì),以達(dá)到在帶寬有限信道中的高編碼增益要求,是我們所要均衡考慮的問題。而且,隨著衛(wèi)星通信領(lǐng)域中用戶和業(yè)務(wù)量的不斷增加,頻帶資源日益寶貴,對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的要求也越來越高。因此,如何提高信息傳輸系統(tǒng)的有效性和可靠性,便成為了未來該領(lǐng)域研究的重要課題。

為了解決這一矛盾,我們采用的是TCM 網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)。它與傳統(tǒng)方法的最大區(qū)別在于把編碼和調(diào)制作為一個(gè)統(tǒng)一的整體,而并非相互獨(dú)立的過程,從而避免了在接收端解調(diào)器作硬判決時(shí)帶來的信息損失,其優(yōu)點(diǎn)在于其能夠在不增加信道帶寬、不降低有效信息傳輸速率的情況下獲得明顯的編碼增益,使系統(tǒng)的頻帶和功率利用率同時(shí)達(dá)到最佳。本文給出了TCM - 8PSK 高速數(shù)字編碼調(diào)制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法。該方法通過卷積編碼器與正交調(diào)制器的結(jié)合,最終實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格編碼調(diào)制方案,并且得到了較好的仿真及測試結(jié)果。

TCM 技術(shù)以編碼序列的歐氏距離為調(diào)制設(shè)計(jì)的量度,就是使編碼器和調(diào)制器二者級聯(lián)后產(chǎn)生的編碼信號具有最大的歐氏距離。從信號空間角度來看,這種設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是一種對信號空間的最佳分割。它的結(jié)構(gòu)如圖1 所示:每一編碼調(diào)制間隔,有k 比特信息位,其中的k′比特( k′< k) 通過速率為k′P( k′+ 1) 的二進(jìn)制卷積碼編碼器,擴(kuò)展成k′+1 編碼比特,這k′+ 1 個(gè)編碼比特用來選擇個(gè)子集中的一個(gè),剩下的k - k′個(gè)未編碼比特用來選擇傳送該子集的個(gè)信號中的一個(gè)。

圖1 TCM 碼編碼調(diào)制器結(jié)構(gòu)

圖2 8PSK集分割原理圖

該結(jié)構(gòu)中,信號映射基于集分割原理。所謂集分割是將一信號集接連地分割成較小的子集,并使分割后的子集內(nèi)的最小空間距離得到最大增加。每一次分割都是將一較大信號集分割成較小的兩個(gè)子集,子集內(nèi)最小距離也最大。設(shè)經(jīng)過I 級分割后子集內(nèi)最小距離為Δi ( i = 0 ,1 ,. . . ) ,則有Δ0 < Δ1 <Δ2 。設(shè)計(jì)TCM 方案時(shí),將調(diào)制信號集作k′+ 1 級分割,直至Δ( i + 1) 大于所需的自由距離為止。圖2 所示為8PSK集分割原理圖。

系統(tǒng)模型

TCM - 8PSK高速數(shù)字編碼調(diào)制系統(tǒng)是由編碼器、D/A 轉(zhuǎn)換器、正交調(diào)制器以及頻率合成器四部分組成的。系統(tǒng)模型如圖3 所示。衛(wèi)星上拍攝到的圖象信號經(jīng)信源編碼,轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的串行數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器后,經(jīng)過串/并變換,轉(zhuǎn)換而成的兩路并行信號進(jìn)行碼率為2/3的網(wǎng)格編碼,以產(chǎn)生三路并行碼。這三路并行碼通過對D/A 的接口進(jìn)入D/A 轉(zhuǎn)換器。D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出信號與由頻率合成器產(chǎn)生的1. 024GHz 的載波一起進(jìn)入正交調(diào)制器進(jìn)行正交調(diào)制,調(diào)制后的信號通過射頻輸出接口,產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求的射頻輸出信號。

圖3 系統(tǒng)模型

卷積編碼器結(jié)構(gòu)

該編碼器采用碼率為2P3 的系統(tǒng)卷積編碼,其生成多項(xiàng)式矩陣為:

編碼器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 編碼器結(jié)構(gòu)

在TCM 碼的具體設(shè)計(jì)中,不僅要考慮系統(tǒng)的性能,還應(yīng)該考慮其實(shí)現(xiàn)。理論上,卷積碼狀態(tài)數(shù)越多,系統(tǒng)性能越好,但實(shí)現(xiàn)起來會相當(dāng)困難。由于卷積碼在狀態(tài)數(shù)超過8 后,其數(shù)量增加對系統(tǒng)性能的改善已不明顯,所以經(jīng)全面考慮,我們采用了8 狀態(tài)的2/3 系統(tǒng)卷積碼,且系統(tǒng)碼具有“快檢”特性,使得譯碼更加方便。映射方式如圖5 所示。

圖5 映射方式