LDPC码在水声通信中的应用研究

【摘要】：纠错编码技术是移动通信、卫星通信、光纤通信和磁盘存储等系统中的关键技术之一,低密度奇偶校验码(Low-Density Parity-Check, LDPC)是一种性能逼近Shannon限的纠错码,也是目前被广泛关注的一种信道编码。本文以水声通信为应用背景,以LDPC码为信道编码,对水声信道中的二进制LDPC码、多进制LDPC码、MMO系统的LDPC码和高阶调制LDPC码的传输特性进行了理论分析、仿真与试验研究。 本论文得到了哈尔滨工程大学中央高校基本科研业务费专项资金"LDPC码在水声通信中的应用研究”(HEUCFL20101114)的支持,主要的研究内容包括： 1.二进制LDPC码与多进制LDPC码的研究。从LDPC码的构成元素来分,主要有二进制与多进制LDPC码。研究了二进制LDPC码的基本原理、编译码方法。对二进制LDPC码在水声信道中的传输性能进行了仿真,分析了码长、迭代次数的变化对译码性能的影响,为其参数的设置提供了参考依据。LDPC码与卷积码、Turbo码进行了性能的对比,表明了LDPC码在水声信道中的传输是可行的,并与现有的性能较好的码相比具有一定的优越性。多进制LDPC码同样是LDPC码研究领域中的一个热点问题,由于多进制元素能够减少校验矩阵中短环的个数而使其性能要优于二进制LDPC码,但多进制符号与二进制比特间转换矩阵的求解并没有相关的文献报道,本文首先用线性代数方法证明了多进制符号和二进制比特间转换矩阵的唯一性,然后给出了转换矩阵的求解方法,此方法还可以推广至多进制符号与二进制比特间格雷映射关系的转换。对多进制LDPC码译码算法中的难点,校验节点向变量节点的消息传递过程做了具体的分析,并对其译码性能进行了仿真。最后研究了多进制LDPC码在水声信道中的应用,表明多进制LDPC码可以应用在复杂声速分布的水声信道中。 2.提出了基于模拟退火算法和信息状态转移图的度分布对设计方法。模拟退火算法是一种非导数的优化方法,在组合优化方面具有快速准确的优越性。同时利用信息状态转移图的变量节点曲线与校验节点曲线的匹配程度作为模拟退火算法寻优的目标函数,用此方法得到的变量节点曲线与校验节点曲线的匹配与用密度进化法得到的曲线匹配程度近似,表明了此方法的优化性,同时也降低了度分布参数的寻优时间。 3.将LDPC码应用在MMO系统中,用因子图表示了MMO信道,提出了LDPC码与MMO系统空时分组码的联合检测迭代译码技术,通过将LDPC译码与空时分组码间的软信息进行多次迭代,增加了信道信息可靠性从而提高了译码性能。将高阶调制软信息提取的简化算法应用在高阶调制LDPC码的系统中,此简化算法将二维欧式距离简化为一维计算,结果表明软解调比硬解调获得了更多的编码增益,提高了通信系统的容量并降低了误码率。最后进行了LDPC码的湖试试验,对数据信息与图像信息进行了传输性能的测试,进一步表明了LDPC码在实际应用中的可行性。