汪 洋

（91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

0 引 言

海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]是由國(guó)際海事衛(wèi)星組織（Inmarsat）建立的一種衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。Inmarsat于 2006 年提供寬帶全球網(wǎng)絡(luò)BGAN（Broadband Global Area Network）業(yè)務(wù)后，它具有全球無(wú)縫隙的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入、移動(dòng)實(shí)時(shí)視頻直播、兼容3G等多種通信能力，使其在移動(dòng)通信領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位。因此，BGAN系統(tǒng)已成為越來(lái)越多學(xué)者研究的重點(diǎn)。

目前，目前對(duì)于各種系統(tǒng)中信號(hào)的Turbo編解碼研究很多。其中，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]研究了TDLTE系統(tǒng)中Turbo譯碼算法，針對(duì)傳統(tǒng)Log-Map算法譯碼復(fù)雜度大且時(shí)延長(zhǎng)的缺點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)化的Log-Map算法。文獻(xiàn)[4]對(duì)針對(duì)長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）系統(tǒng)中的Turbo譯碼算法進(jìn)行了研究，在Max-Log-MAP和Log-MAP算法的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法，更加易于硬件實(shí)現(xiàn)，具有較低的復(fù)雜度。文獻(xiàn)[5]為降低Turbo譯碼延遲，提出一種自適應(yīng)控制的迭代停止算，能有效降低譯碼平均迭代次數(shù)，提高譯碼速率。文獻(xiàn)[6]分析了QPP交織器的原理，改善了高速分塊并行Turbo譯碼性能。

但是針對(duì)BGAN系統(tǒng)的譯碼研究很少，針對(duì)BGAN系統(tǒng)的大多是基于衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)、檢測(cè)識(shí)別、信號(hào)解調(diào)。主要是由于其編碼方式復(fù)雜多變，資料較少，難以深入研究。

本文對(duì)BGAN系統(tǒng)通信鏈路信號(hào)數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)以及編碼方式進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于BGAN信號(hào)的譯碼器結(jié)構(gòu)和譯碼算法。結(jié)果表明，該譯碼算法實(shí)時(shí)性好、譯碼性能好且通用性高，能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)BGAN信號(hào)的實(shí)時(shí)譯碼。

1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)分析

Bgan衛(wèi)星上下行鏈路信號(hào)采用了QPSK/M-QAM形式的調(diào)制方式，每幀信號(hào)數(shù)據(jù)被分為單個(gè)或多個(gè)子幀（FEC blocks），以下行鏈路前向載波為例，其幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 下行鏈路數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

下行鏈路信號(hào)幀長(zhǎng)為80 ms，其內(nèi)容為經(jīng)過(guò)QPSK/QAM調(diào)制后的所有調(diào)制輸出符號(hào)（Modulation Output Symbol，MOS）。參數(shù)描述如下：

UW：標(biāo)志一幀中第一個(gè)FEC的編碼方式，其長(zhǎng)度為40個(gè)符號(hào)；

DS：數(shù)據(jù)符號(hào)，其符號(hào)長(zhǎng)度與個(gè)數(shù)根據(jù)不同的BGAN下行載波類型變化；

PS：為標(biāo)志符號(hào)，位于兩數(shù)據(jù)符號(hào)之間，符號(hào)長(zhǎng)度為1，不同的載波類型，PS的個(gè)數(shù)也不同。

FEC block：前向糾錯(cuò)編碼塊（Forward Error Correction，F(xiàn)EC），根據(jù)不同的載波類型，其個(gè)數(shù)可能為1也可能為多個(gè)。

2 BGAN編碼研究

BGAN通信鏈路數(shù)據(jù)幀中對(duì)FEC塊編碼采用的是Turbo編碼，其編碼器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)輸入后，一路數(shù)據(jù)進(jìn)入緩存器，一路進(jìn)入交織器，分別進(jìn)行16態(tài)的Turbo編碼，生成d數(shù)據(jù)位與q校驗(yàn)位，再經(jīng)過(guò)刪余矩陣以及相應(yīng)的調(diào)制生成IQ數(shù)據(jù)。刪余矩陣可進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)BGAN鏈路數(shù)據(jù)的不同編碼率。

圖2 Turbo編碼器結(jié)構(gòu)

SRCC（Recursive Systematic Convolutional Code，RCC）為16態(tài)系統(tǒng)循環(huán)卷積編碼生成器，根據(jù)信息位輸入可以產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)位與校驗(yàn)位輸出，從而完成編碼。

3 譯碼方法

Turbo碼的譯碼較常規(guī)的卷積碼復(fù)雜，其復(fù)雜在于譯碼要采用迭代的過(guò)程，采用的算法本身不但要能夠?qū)γ勘忍剡M(jìn)行譯碼，還要隨著譯碼給出每比特譯出的可靠性信息。常用的turbo碼軟輸入軟輸出（Soft Input Soft Output，SISO）譯碼算法可分為最大后驗(yàn)MAP（Maximum posterior probability，MAP）算法和軟輸出維比特SOVA（Soft Out Viterbi Algorithm）算法。對(duì)于BGAN通信鏈路數(shù)據(jù)，可對(duì)Log-MAP算法進(jìn)行相應(yīng)的修改，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)BGAN通信鏈路數(shù)據(jù)譯碼。

3.1 迭代譯碼結(jié)構(gòu)與算法

基于BGAN系統(tǒng)的Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中分量譯碼器1和分量譯碼器2分別與編碼器中的SRCC1和SRCC2對(duì)應(yīng)，交織器、解交織器與編碼器中的交織器對(duì)應(yīng)。

圖3 基于BGAN系統(tǒng)的譯碼器結(jié)構(gòu)

基本譯碼過(guò)程為：系統(tǒng)信息、校驗(yàn)信息1、先驗(yàn)信息1進(jìn)入分量譯碼器1，分量譯碼器1根據(jù)log-map譯碼算法完成對(duì)分量編碼器SRCC1的譯碼，并生成信息比特的外信息1。外信息1經(jīng)過(guò)交織后，生成作為分量譯碼器2的信息比特的先驗(yàn)信息2；接收的信息序列通過(guò)相同的交織，作為分量譯碼器2的接收信息。分量譯碼器2利用交織后得到的先驗(yàn)信息2、系統(tǒng)信息、校驗(yàn)信息2完成對(duì)分量編碼器SRCC2的譯碼，得到外信息2。外信息2經(jīng)解交織后得到分量譯碼器1的先驗(yàn)信息進(jìn)入下一迭代運(yùn)算。

迭代譯碼算法是要根據(jù)接收到的序列Y，找出每信息比特uk為+1或者-1的概率，等同于計(jì)算Y序列下uk的對(duì)數(shù)似然比值（LLR），其公式如下所示。

在柵格圖中假設(shè)前一狀態(tài)Sk-1=s′和當(dāng)前狀態(tài)Sk=s，輸入比特uk引起s′=＞s的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。接收序列Y可以被分為Yj＜k，Yk，Yj＞k，分別表示 k 時(shí)刻之前接收碼字序列、當(dāng)前接收碼字序列和之后接收碼字序列，根據(jù)貝葉斯準(zhǔn)則，上式可轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

其中：

表示接收序列是Yj＜k，k-1時(shí)刻狀態(tài)時(shí)s′的前向概率。

表示k時(shí)刻狀態(tài)為s且之后接收序列式Y(jié)j＞k的后向概率。

表示由給定狀態(tài)s′轉(zhuǎn)移到s并且此時(shí)接收碼字為Yk的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。

采用遞歸的方法可以計(jì)算出上面3種概率。在迭代譯碼過(guò)程中，由迭代譯碼器結(jié)構(gòu)可將L(uk|Y)分成3部分：先驗(yàn)信息L(uk)、系統(tǒng)比特信息Lc yks和外在信息Le(uk)：

對(duì)于BGAN幀數(shù)據(jù)編碼后的比特是用QPSK/MQAM調(diào)制，信道為高斯信道或衰落信道。設(shè)n時(shí)刻受到的星座符號(hào)位Qn，包括I、Q兩路信號(hào)設(shè)為rn(i)、rn(q)，則MQAM解調(diào)的軟信息（即譯碼器輸入的系統(tǒng)信息）為：

其中i的取值0、1…m，表示解調(diào)出的第i個(gè)比特，x(j)，y(j)表示M/2個(gè)星座點(diǎn)中第j個(gè)星座點(diǎn)對(duì)應(yīng)的I、Q坐標(biāo)。以16QAM為例，如圖4所示。

圖4 16QAM星座圖

假設(shè)每個(gè)QAM符號(hào)代表比特為{a1,a2,a3,a4}，接收第n個(gè)QAM符號(hào)如圖所示的A點(diǎn)，則該點(diǎn)接收I、Q路信號(hào)分別為當(dāng)計(jì)算a1的軟信息時(shí)，與a1判為1的相關(guān)的星座點(diǎn)是圖中Q軸左半平面的8個(gè)點(diǎn)，與-1相關(guān)的點(diǎn)事Q軸有半平面的8個(gè)點(diǎn)，j從1到8，分別各自遍歷的8個(gè)點(diǎn)，x(j)、y(j)分別表示8個(gè)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，代入公式后得到a1的軟信息，同理計(jì)算a2的軟信息，公式分子項(xiàng)設(shè)計(jì)的是I軸下方8個(gè)點(diǎn)，分母項(xiàng)涉及的是上方的8個(gè)點(diǎn)。a3，a4按照同樣的方式計(jì)算。如此可算出每個(gè)比特的軟信息。

3.2 BGAN譯碼流程

Bgan衛(wèi)星鏈路信號(hào)處理組成框圖如圖5所示。主要包括衛(wèi)星信號(hào)下行轉(zhuǎn)換、IQ解調(diào)、譯碼、解擾、位數(shù)據(jù)輸入到協(xié)議層。

圖5 BGAN系統(tǒng)信號(hào)處理框圖

以下行通信鏈路為例，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)L波段下行轉(zhuǎn)換后，通過(guò)UW檢測(cè)獲得幀數(shù)據(jù)；IQ解調(diào)后的IQ數(shù)據(jù)進(jìn)入譯碼單元；譯碼單元將解調(diào)后的IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼、解擾、校驗(yàn)；最后輸出01比特?cái)?shù)據(jù)到協(xié)議層。

設(shè)計(jì)實(shí)際BGAN信號(hào)數(shù)據(jù)幀的譯碼流程圖如圖6所示，主要分為數(shù)據(jù)預(yù)處理，Turbo迭代譯碼，以及CRC校驗(yàn)三個(gè)部分。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理部分：根據(jù)接收的上下行IQ解調(diào)數(shù)據(jù)，去除其中相應(yīng)的UW字段符號(hào)和PS符號(hào)，只余數(shù)據(jù)符號(hào)。用上述譯碼軟信息解調(diào)算法計(jì)算出IQ軟信息，并作為譯碼器結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)信息輸入，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理部分。然后，

（2）按照所設(shè)計(jì)的Turbo迭代譯碼器，設(shè)置迭代次數(shù)，讀取已知交織信息并進(jìn)行Turbo迭代譯碼。得出譯碼結(jié)果。

（3）將譯碼出的比特進(jìn)行解擾處理，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)為CCITT-16校驗(yàn)方式，驗(yàn)證譯碼結(jié)果是否正確。

圖6 BGAN譯碼流程圖

4 實(shí)際譯碼結(jié)果

實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)中對(duì)BGAN的上下行鏈路按照以上譯碼算法進(jìn)行了譯碼。

整個(gè)譯碼平臺(tái)采用上層VC平臺(tái)。前端通過(guò)處理FPGA處理后的解調(diào)信號(hào)數(shù)據(jù)，然后按照所設(shè)計(jì)譯碼算法在上層進(jìn)行實(shí)時(shí)譯碼。

通過(guò)對(duì)BGAN上下鏈路中的全球波束、窄點(diǎn)波束以及上行三種不同典型類型的載波信號(hào)的解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，其參數(shù)如表1和表2所示。

表1 載波信號(hào)參數(shù)1 /個(gè)

表2 載波信號(hào)參數(shù)2 /個(gè)

針對(duì)三種所采集的不同類型實(shí)際鏈路信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)和FPGA處理后得到IQ數(shù)據(jù)，在Matlab中采用所設(shè)計(jì)的譯碼器及譯碼算法進(jìn)行譯碼，其部分譯碼結(jié)果分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 全球波束

圖7為下行全球波束譯碼結(jié)果，其調(diào)制方式為QPSK調(diào)制，編碼符號(hào)為672個(gè)。其中，第一行為前線載波頭格式，第二行為整幀字節(jié)數(shù)，中間協(xié)議部分省略，最終的CRC校驗(yàn)結(jié)果正確。將全球波束協(xié)議解析與已知協(xié)議完全比對(duì)，譯碼結(jié)果正確。

圖8 下行點(diǎn)波束

圖8為下行點(diǎn)波束譯碼結(jié)果，其調(diào)制方式為16QAM調(diào)制，編碼符號(hào)為1496個(gè)/FEC。第一行為前向載波頭格式，點(diǎn)波束一幀內(nèi)部多個(gè)CRC校驗(yàn)結(jié)果正確，點(diǎn)波束協(xié)議解析與已知協(xié)議完全比對(duì)，譯碼結(jié)果正確。

圖9 上行波束

圖9為上行波束譯碼結(jié)果，其調(diào)制方式為16QAM調(diào)制，編碼符號(hào)為112個(gè)。第一行為反向載波頭格式，中間為省略協(xié)議信息，最終CRC校驗(yàn)結(jié)果正確。上行波束協(xié)議解析與已知協(xié)議完全比對(duì)，譯碼結(jié)果正確。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前海事四代衛(wèi)星鏈路通信在信號(hào)識(shí)別、解調(diào)上已經(jīng)比較成熟，但在信號(hào)譯碼以及協(xié)議分析方面還處于研究階段，根據(jù)實(shí)際信號(hào)進(jìn)行海事四代衛(wèi)星的通信數(shù)據(jù)譯碼是本文的主要研究方向。本文研究了BGAN系統(tǒng)通信鏈路的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)以及編碼方式，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的Turbo迭代譯碼器成功對(duì)上下行鏈路不同載波類型的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行了譯碼，結(jié)果表明譯碼器設(shè)計(jì)以及算法可以對(duì)實(shí)際BGAN系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行完全正確譯碼。對(duì)衛(wèi)星鏈路的數(shù)據(jù)譯碼應(yīng)用有指導(dǎo)意義。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案并不局限于BGAN通信信號(hào)的譯碼應(yīng)用，可推廣到使用其他通信衛(wèi)星信號(hào)譯碼的系統(tǒng)中。