LDPC码在光PPM通信系统中的性能研究

论文摘要

大气无线光通信利用在大气中传输的激光束作为信息载体来实现通信。由于具有保密性好、抗电磁干扰能力强、宽带传输等优点,大气无线光通信在国防、民用等领域具有广阔的应用前景,已成为大容量、保密、无线通信研究的热点。由于激光传输会受到大气衰减效应、大气湍流效应以及背景光影响等诸多因素的影响,导致大气信道存在衰落、多径干扰等现象,这些影响导致了大气无线光通信链路总是存在不同程度的质量下降情况。导致大气无线光通信链路质量下降的原因可以大致归纳为二类,第一类是由于大气衰减导致的传输功率损失所引起,第二类是由于传输光束质量蜕化以及码间干扰等原因所导致的链路性能降低。国内外研究表明,并不能仅仅依靠高功率发射或高灵敏度接收的方式解决第二类原因所导致的链路质量下降问题。采用抗干扰信道编码方案是可选的较好的解决方案之一。高抗干扰信道编码技术是目前大气无线光通信的研究热点和重点。本论文分别从信号波形图、带宽效率、发射端平均功率效率、误时隙率等方面对大气无线光通信系统中常见的OOK和PPM两种调制方式进行了性能比较。结果表明,PPM调制具有平均发射功率效率高,误时隙率小等优点。因此,把PPM调制应用在大气无线光通信系统中来改善通信质量是可选方案之一。低密度校验码（Low-density parity-check, LDPC）是目前编码界研究的热点,在采用较低译码复杂度的BP译码算法时,LDPC码具有逼近Shannon限性能。本论文开展了大气无线光通信链路PPM调制与LDPC码联合应用技术的研究。本论文分别对OOK调制下大气弱湍流信道模型、PPM调制下大气弱湍流信道模型、PPM调制下泊松信道模型三种情况进行了研究;对三种情况下的概率域BP算法和对数域BP算法进行了研究;对三种情况下通信系统的性能进行了模拟与理论分析。为了研究湍流强度对系统性能的影响情况,论文分别对不同的湍流强度下系统性能进行了仿真,结果表明,随着湍流强度的增加,系统的性能变得越来越差,并且信道容量也越来越小。为了研究信道编码对系统性能的影响情况,论文中采用LDPC码并分别针对不同的码长、不同的码率、不同的最大迭代次数、不同的译码算法下系统性能进行了仿真与分析。结果表明:LDPC码具有良好的纠错能力;且长码长、低码率的LDPC码具有更优异的性能;当最大迭代次数超过一定次数后,LDPC码的性能不再随着最大迭代次数的增加而改善。为了研究PPM调制的时隙数对系统性能的影响情况,论文分别对不同的时隙数下系统性能进行了仿真,结果表明:随着时隙数的增加,通信系统的性能变得越来越差,但同时传送信息的速率就越高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 大气无线光通信
• 1.2 大气无线光通信系统中的光调制解调技术
• 1.3 大气无线光通信系统中的信道编解码技术
• 1.4 论文的主要工作
• 第二章 数字通信系统及线性分组码
• 2.1 数字通信系统的组成
• 2.2 信道模型
• 2.3 信道容量
• 2.4 线性分组码
• 2.5 线性分组码的伴随式译码
• 2.6 小结
• 第三章 LDPC 码基本原理及其编译码原理
• 3.1 LDPC 码的定义及结构
• 3.1.1 LDPC 码的定义
• 3.1.2 LDPC 码的Tanner 图表示
• 3.1.3 规则与非规则LDPC 码
• 3.1.4 二元与多元域的LDPC 码
• 3.2 校验矩阵的构造
• 3.2.1 Gallager 的构造方法
• 3.2.2 Mackay 的构造方法
• 3.2.3 超轻（Urltra-Light）构造方法
• 3.2.4 非规则码的构造法
• 3.3 LDPC 码的编码原理
• 3.3.1 常规编码算法
• 3.3.2 Efficient 编码算法
• 3.4 LDPC 码的译码原理
• 3.4.1 比特翻转算法（BF）
• 3.4.2 置信传播算法（BP）
• 3.4.2.1 概率域的BP 算法
• 3.4.2.2 对数域的BP 算法
• 3.5 小结
• 第四章 大气信道中噪声的概率分布
• 4.1 背景光和接收机噪声的概率分布
• 4.2 大气闪烁的概率分布
• 4.3 小结
• 第五章 PPM 调制下的大气信道模型
• 5.1 大气信道中的调制技术
• 5.2 OOK 调制下大气弱湍流信道模型
• 5.3 PPM 调制下大气信道模型
• 5.3.1 PPM 系统模型
• 5.3.2 PPM 调制下大气弱湍流信道模型
• 5.3.3 PPM 调制下泊松信道模型
• 5.3.4 PPM 调制下后验概率的分析
• 5.3.5 PPM 调制下对数似然比后验概率的分析
• 5.4 OOK 调制下的大气弱湍流信道容量
• 5.5 小结
• 第六章 性能仿真与分析
• 6.1 概述
• 6.2 随机构造LDPC 码的构造方法
• 6.3 概率域BP 算法的初始化
• 6.4 对数域BP 算法的初始化
• 6.5 LDPC 码的性能仿真
• 6.5.1 未加纠错编码和采用LDPC 码性能仿真
• 6.5.2 不同码长的LDPC 码性能仿真
• 6.5.3 不同码率的LDPC 码性能仿真
• 6.5.4 不同迭代次数的LDPC 码性能仿真
• 6.5.5 不同译码算法的LDPC 码性能仿真
• 6.6 PPM 调制下大气信道的性能仿真
• 6.6.1 PPM 调制下大气弱湍流信道的性能仿真
• 6.6.2 PPM 调制下泊松信道的性能仿真
• 6.7 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果