适用于深空通信的编码调制算法和实现研究.pdf

摘要
深空探测是人类探索了解外太空的主要手段，是人类主要航天活动之一。深
空通信系统作为人类上行控制航天器、下行获取天体资料的唯一途径，是深空探
测中的最主要组成部分之一。深空通信过程中，由于其超远传输距离、超复杂传
输环境以及自身设备及能源严格受限的特性， 对通信系统各部分功能尤其对信道
纠错编码、调制等关键技术提出有别于常规通信的要求。为满足未来深空通信系
统的发展需要，本文讨论了满足深空环境技术的低发送功率、高数据率、高增益、
低实现复杂度等一系列要求的一类编码调制方式——LDPC 编译码技术和 FQPSK
调制解调机制，分析各自的算法性能，并对其进行了可实现性论证，最后尝试进
行了电路实现验证。
本文首先对通信系统中几种信道编码作原理介绍，着重介绍 LDPC 码和一种
半随机结构 LDPC 码的构造过程。之后针对最新提出的 LDPC 码序列译码算法作
详细阐述，对其中的概率计算思想、内外存储器、节点结构、异步流水线等作详
细分析，重现 LDPC 序列译码器结构，验证其译码性能。验证结果表明，序列译
码器以较之传统 LDPC 译码器近 的性能损失作为代价，获得明显的实现增
益，从而为其在深空通信中的实用性提供了有力佐证。
之后介绍 FQPSK 调制和解调机制。针对调制原理，分析了从 QPSK 开始的演
变过程，主要改进之处在于：映射前引入网格编码操作；定义 16 种基带波形作为
映射输出。针对解调算法，主要分析了其中的一种——MAP 解调算法，该解调算
法引入了信道译码算法中的软信息处理和迭代运算两个思想。随后对 FQPSK 调制
解调过程进行了 FPGA 级验证，验证平台为 XILINX 公司的 Virtex-4 芯片，开发软
件为 XILINX 公司的 ISE，描述语言为 Verilog HDL。验证过程结合仿真性能得出：
FQPSK 调制算法和对应的 MAP 解调机制在满足电路承载条件下，以极高性能完
成信息承载和恢复，证明这种包络特性极好、频谱效率极高的调制机制在深空环
境中具有很好的实用性。除此之外，MAP 解调可以在接受端和 LDPC 码的译码过
程通过软信息有效衔接，从而使整个接收机性能实现更大幅提升。论文研究成果
可为 LDPC 码和 FQPSK 在收发端的实际应用提供参考。

关键词：LDPC 码，概率译码，FQPSK 调制，MAP 解调，FPGA
I
ABSTRACT
Deep space detection is the main tool of human being for exploring outer space so
that it’s one of the most important human spaceflight activities. As one of the main
component of the exploration, deep space communication has characteristices such as
remote and complicated environment and low power efficiency, thus higher requirement
aimed at the thchniques such as coding and modulation has been proposed. In order to
meet the need of development of the deep space instrumentation system, we considered
use the FQPSK modulation and the LDPC code into deep sp