格形編碼調製

TCM系統使用冗餘多進制調製與一個有限狀態的網格編碼器相結合，由編碼器控制選擇調製信號，以產生編碼符號序列。在接收端，對帶有噪聲的信號用維特比軟判決譯碼解調。為提高網格編碼器的編碼增益，必須增大碼的自由距離並採用軟判決譯碼代替硬判決譯碼。因此，必須使編碼序列對應的調製符號序列之間的歐氏距離。但是編碼序列間的漢明距離並不與它們調製符號序列間的歐氏距離對應。就是説，如果兩編碼序列間有較大的漢明距離，那麼兩個編碼序列對應的調製符號序列間就未必有較大的歐氏距離。因此，要設計一種編碼與調製符號之間的映射函數，使編碼序列對應的調製符號序列之間的自由歐氏距離最大。TCM編碼器就是為實現此目的而提出的。

網格編碼調製(TCM)技術是近年來發展起來的一種把編碼與調製作為統一整體來進行綜合設計的技術。通過對它的研究,我們設計出了具有更高信息傳輸速率和更強抗噪性能的新型編碼調製系統。

衞星通信由於其覆蓋區域大,信道容量大及多址連接等優點,已逐漸成為國際和國內遠距離通信的重要手段。

傳統的高速衞星信道傳輸系統採用的是卷積碼和QPSK(雙正交相移調製)、QAM(正交調幅)相結合的編碼調製方式。由於系統誤碼率的限制,該方式必需採用有較長約束長度的卷積碼來實現差錯控制,這就造成了譯碼設備複雜,且該系統信息傳輸速率較低,抗干擾性較差,很大程度上限制了衞星通信在高速信息傳輸領域的進一步發展。如何對編譯碼及調製解調技術進行合理設計,以達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,隨着衞星通信領域中用户和業務量的不斷增加,頻帶資源日益寶貴,對數據傳輸質量的要求也越來越高。因此,如何提高信息傳輸系統的有效性和可靠性,便成為了未來該領域研究的重要課題。

為了解決這一矛盾,我們採用的是TCM網格編碼調製技術。它與傳統方法的最大區別在於把編碼和調製作為一個統一的整體,而並非相互獨立的過程,從而避免了在接收端解調器作硬判決時帶來的信息損失,其優點在於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,使系統的頻帶和功率利用率同時達到最佳。本文給出了TCM-8PSK高速數字編碼調製系統的硬件設計方法。該方法通過卷積編碼器與正交調製器的結合,最終實現了網格編碼調製方案,並且得到了較好的仿真及測試結果。

TCM技術以編碼序列的歐氏距離為調製設計的量度,就是使編碼器和調製器二者級聯後產生的編碼信號具有最大的歐氏距離。從信號空間角度來看,這種設計方法實際上是一種對信號空間的最佳分割。每一編碼調製間隔,有k比特信息位,其中的k′比特(k′＜k)通過速率為k′P(k′+1)的二進制卷積碼編碼器,擴展成k′+1編碼比特,這k′+1個編碼比特用來選擇個子集中的一個,剩下的k-k′個未編碼比特用來選擇傳送該子集的個信號中的一個。

該結構中,信號映射基於集分割原理。所謂集分割是將一信號集接連地分割成較小的子集,並使分割後的子集內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子集,子集內最小距離也最大。設經過I級分割後子集內最小距離為Δi(i=0,1,...),則有Δ0＜Δ1＜Δ2。設計TCM方案時,將調製信號集作k′+1級分割,直至Δ(i+1)大於所需的自由距離為止。

TCM-8PSK高速數字編碼調製系統是由編碼器、D/A轉換器、正交調製器以及頻率合成器四部分組成的。衞星上拍攝到的圖象信號經信源編碼,轉化為二進制的串行數據。該數據進入編碼器後,經過串/並變換,轉換而成的兩路並行信號進行碼率為2/3的網格編碼,以產生三路並行碼。這三路並行碼通過對D/A的接口進入D/A轉換器。D/A轉換器的輸出信號與由頻率合成器產生的1.024GHz的載波一起進入正交調製器進行正交調製,調製後的信號通過射頻輸出接口,產生符合設計要求的射頻輸出信號。

在TCM碼的具體設計中,不僅要考慮系統的性能,還應該考慮其實現。理論上,卷積碼狀態數越多,系統性能越好,但實現起來會相當困難。由於卷積碼在狀態數超過8後,其數量增加對系統性能的改善已不明顯,所以經全面考慮,我們採用了8狀態的2/3系統卷積碼,且系統碼具有“快檢”特性,使得譯碼更加方便。