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LDPC编码在星地光通信中的性能仿真研究

王秋悦  
【摘要】:在星地激光通信中,携带信息的激光光束在传输链路中由于需要穿过地球大气层,受大气湍流的影响,接收端的光束会出现光强起伏、到达角起伏和光斑漂移等不利现象,对星地激光通信系统的通信质量造成严重影响。因此,研究大气湍流效应对星地光通信的影响以及相应的抗湍流干扰技术势在必行。而在诸多抗干扰技术中,信道编码技术因其具有通信传输速率快、能量利用效率高、安装成本低等优势已经在有线光通信领域内得到广泛应用。其中,LDPC码具有接近香农理论极限、编译码复杂度低和适合硬件实现等优点,正逐渐成为星地通信系统编码技术中的佼佼者。本文以此为研究背景,基于星地信道三层级联功率谱模型,结合地球大气层湍流统计特性的差异和口径平均效应,完善了中强湍流条件下的斜程链路光强闪烁表达式,将原有星地光通信信道模型的适用范围进一步扩大。在此基础上,进一步将LDPC编码技术应用于星地光通信系统中,建立无线光通信系统仿真模型,分析LDPC码的使用对通信系统误码率的影响。论文的主要研究工作包含:(1)以星地三层功率谱湍流模型为基础,对功率谱幂律为5的平流层大气采用了和边界层、自由对流层不同的处理方式,将以往中强湍流光强起伏特性分析中常被忽略掉的湍流外尺度效应纳入考量;并进一步结合接收端的口径平均效应,完善了星地激光通信系统中斜程链路大气湍流光强起伏的理论模型,将模型的适用范围从弱湍流条件(0~60°天顶角)扩展到全链路可用。(2)基于EW光信道衰落模型,对无线光通信系统中的LDPC码开展仿真研究。分析了无线光通信系统的噪声特性,以及LDPC码的参数对系统性能的影响,包括译码算法、码长、码率和最大迭代次数。仿真结果表明,LDPC编码技术对通信系统的误码率有明显的改善效果。在译码算法中,PD BP译码具有更为良好的译码性能,当信噪比为8d B时,该译码算法在弱湍流条件下可将系统误码率从未编码情况降低约6个数量级。而且码长较长、码率较低、最大迭代次数较大的LDPC码具有更强的纠错能力。(3)在修正的星地链路信道模型基础上,探讨了LDPC码的采用对星地光通信性能的影响。着重分析了下行链路信道参数对星地通信系统误码率的影响,包括接收口径和天顶角的大小;同时,讨论了不同的信噪比条件下星地光通信系统LDPC编码方案的选取,以期达到硬件计算效率和误码率性能之间的平衡。


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