LDPC码对无源互调干扰下通信性能改善研究

方天琪，胡天存，田露，*，刘建纯

1.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000

LDPC码对无源互调干扰下通信性能改善研究

方天琪1，胡天存2，田露1，*，刘建纯1

1.北京理工大学 信息与电子学院，北京 100081 2.中国空间技术研究院 西安分院 空间微波技术重点实验室，西安 710000

针对无源互调干扰信号的时变性和间断性特点，提出了利用低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)码抗突发差错的特性来减弱无源互调干扰影响的方法。文章设计了LDPC编译码方案，采用了基于准循环矩阵的编码方案，并着重分析了译码环节，译码算法最终选定具有低迭代时延特点的基于行信息传递(Row Message Passing，RMP)调度的最小和译码算法。译码仿真结果显示，用占空比为10%的脉冲模拟无源互调干扰，信噪比为3.1 dB时，编码增益约为8.2 dB。实测结果显示，信干比为2 dB时，带有LDPC编码的系统误码率为0.002 69，信干比增益超过10 dB。

空间通信；无源互调；低密度奇偶校验码；最小和译码；误码率

无源互调(Passive InterModulation，PIM)是指在无源器件中，由于其微弱的非线性造成输入信号的不同频率分量相互叠加输出的现象[1-3]。无源互调现象随着输入功率的增大而愈发严重，如果这些无源互调产物的功率足够大，并且落入接收机的通频带中，会形成寄生干扰[4]，可使系统通信传输质量下降，甚至不能正常工作。随着空间传输速率的提升，目前空间通信系统对大功率发射和高灵敏度接收提出了更高要求，这就使得无源互调干扰问题日渐严重[5-6]。

无源互调对通信性能的影响不可忽视，其概率分布特性表现为非高斯，不能单纯视作噪声[7-10]。同时，落入接收频带的无源互调产物又无法采用滤波器进行滤除。目前的无源互调干扰抑制手段还不能保证将无源互调干扰完全消除[11]。因此，本文尝试采用信道编码方法减轻无源互调干扰对通信系统的影响。

无源互调产物具有很强的时变性，即在时间上不能保持稳定，对于物理运动和温度都极为敏感。所以，可以认为PIM产生的差错类型主要是突发差错。突发差错是指在码元传输过程中，错误比特出现的位置连续，并且与无差错区间相比，错误比特区间很短。突发差错各错误比特之间有复杂的相关性，不易纠错，对通信系统的性能会造成严重影响。

LDPC码是一种基于稀疏奇偶校验矩阵的分组码，它具有接近Shannon容限的优良性能[12]。近些年来受到了越来越多的关注，并广泛应用在需要高可靠性的通信系统中。例如第三代合作伙伴计划(3GPP)选定LDPC为5G中长码编码方案。由于LDPC码的随机性及其校验矩阵的稀疏特性，各个比特之间是相互交织的，使得它在抗有突发误码信道时的表现特别优异。相关文献已经得到结论，在有充分信道估计的情况下，性能损失小于1 dB。信道估计体现在迭代初始值上，在各种各样的测试条件和长时间的观察下，可以得到PIM产物的可靠数据，取定合适的迭代初始值，实现纠错，降低误码。比较了多种译码算法，本文最终选定基于RMP调度的最小和译码算法，较最小和译码算法可减少近一半的迭代延时，加快译码速度[13]。

经过仿真与实际测量验证，LDPC码可在不增加额外硬件的情况下，降低无源互调干扰下的通信系统误码率。因此，LDPC码可改善带有无源互调的通信系统性能，降低无源互调的影响，有望广泛应用于空间通信系统中。

1 无源互调干扰信号特点分析

图1为受无源互调干扰的BPSK调制信号的实测采样结果，BPSK信号为恒包络信号，因此图1中量化幅值不一的脉冲串为PIM干扰信号。

由此可见，PIM信号可简化为脉冲干扰。根据图1的采样结果进行判决必然出现错误，形成误码。

在大功率条件下，由于接触非线性和材料非线性等原因，通信系统产生了无源互调干扰信号，它具有以下特点：

1)在时间上不能保持稳定。物理运动和温度变化对它的影响都很大。

2)具有门限效应。只有在达到一定温度或者电平时才会产生。

3)分布频带宽，有在通频带内的频谱分量，也有在通频带外的频谱分量。

4)不能用滤波器完全消除，因为若在发射端后加滤波器，那么滤波器之后的干扰仍然无法消除。

5)呈现宽带噪声特性，除了可以计算出的离散频谱，还发现了大幅度的宽带噪声。

由于无源互调干扰信号的这些特点，在干扰产物和测试条件之间建立固定的关系是不可能的，要想测量和预测都相当困难，因此很难做到完全对消，既然错码的发生很难避免，可以用差错控制编码技术来纠正错码。本文的工作正是将LDPC这种高性能码用于减弱无源互调带来的寄生干扰问题。

2 LDPC码设计方案

2.1 基于准循环矩阵的编码方案

准循环特性极大地方便了编码器和译码器的实现，有效地节省了编码器和译码器消耗的存储和运算单元。

(1)

使得

(2)

2.2 基于RMP调度的译码方案

自从LDPC码成为编码领域一个新的研究热点之后，各种译码算法层出不穷。LDPC码采用迭代译码算法，并行操作带来的好处就是速度快、吞吐量大，而且对硬件要求不高。目前主流的译码算法包括最常用的置信度传播(BeliefPropagation，BP)译码算法、用对数似然比表示的BP算法、最小和译码算法，以及改进的最小和译码算法等。BP译码算法采用很多相乘运算，大量的乘法器会导致资源消耗多、延时长等问题，对数似然比译码算法是BP译码算法的改进，将乘法操作变成了加法操作，但是对数运算部分仍然需要很高的复杂度。最小和译码算法是BP译码算法的进一步简化，只需要加法和求最小值操作，但是会牺牲一些错误纠正性能。改进的最小和译码算法则可以在一定程度上提高最小和译码算法的性能。

这些译码算法的特点是，变量节点和校验节点是同时处理信息，更新的信息只有在下次迭代过程开始后才能传递出去，称之为基于标准信息传递(StandardMessagePassing，SMP)。这就说明可以进一步提升译码性能。本文中采用的是基于RMP的改进最小和译码算法。迭代过程中可以使用该次迭代中已经更新过的信息，这就使得收敛速度变快，并能有效降低迭代次数。

1)初始化：

(3)

2)迭代译码：对每个校验节点m=1,2,…,M，依次计算：

(4)

(5)

(6)

式中：η为乘性修正因子。

2.3 仿真性能分析

在加性高斯白噪声信道下，采用码率为1/2的LDPC码进行编码，译码采用基于RMP调度的译码算法，迭代次数为23次。针对译码算法的误码性能，利用Matlab进行浮点仿真和6bit量化定点仿真。针对译码算法的抗脉冲干扰性能，利用Matlab进行了6bit量化定点仿真，其中加入占空比为10%的脉冲干扰(410bit)，用来模拟无源互调干扰，脉冲干扰采用置0的方法处理，干扰加入的位置随机确定，仿真结果如图2和图3所示。

图2的仿真结果表明，在Eb/No=11.3 dB时，未编码的BPSK系统的误码率为1×10-7，而基于RMP调度的最小和译码算法在相同的误码率时所要求的信噪比只有2.1 dB，编码增益约为9.2 dB。

图3的仿真结果表明，在有脉冲干扰情况下，基于RMP调度的最小和译码算法要想达到1×10-7的误码率，所要求的信噪比为3.1 dB，编码增益约为8.2 dB。

3 无源互调干扰测试系统

3.1 译码器架构

因为在LDPC码设计方案中，着重讨论了译码算法，故在此给出译码器部分的具体硬件实现。

译码器架构如图4所示，存储器模块a中存储了接收到的待译码信息和译码过程中变量节点向校验节点传递的消息，地址移位模块通过对初始地址进行移位运算，为存储器模块a提供了读写操作的地址，三模冗余模块则保证了地址移位模块得到的初始地址的正确性；存储器模块b中存储了译码过程中校验节点向变量节点传递的消息；迭代译码模块是译码器的核心模块，它实现了迭代译码的功能并将每次迭代的结果写入到存储器模块a中和存储器模块b中[16]。

译码器设计采用基于RMP的译码算法，实现了对(2 048，4 096)LDPC码的译码。译码器从上一模块中读取6 bit解调数据和帧同步信号，通过23次迭代译码，输出4 096 bit的译码结果。

译码器每次迭代消耗的时钟为2 048×8=16 384，译码迭代次数为23次，所以总译码时延为16 384×23+4 096=380 928个工作时钟，在65 MHz工作时钟下的译码时延为5.86 ms。

3.2 实测结果分析

图5为无源互调干扰下LDPC码对接收机性能改善的测试系统框图。可以通过改变衰减器的衰减倍数来控制干扰功率，进而达到控制信干比的目的，接着测量不同信干比下的误码率。

图6是在1×108个数据量，不同信干比下的误码率。可以看出，LDPC编码能显著降低误码率。而且，在信干比为2 dB时，带有LDPC编码的系统误码率为0.002 69，信干比增益超过10 dB。

4 结束语

1)采用基于RMP调度的改进最小和译码算法能得到更低的误码率和抗干扰性能，并能大大节约硬件资源。在Eb/No=11.3 dB时，未编码的BPSK系统的误码率为1×10-7，而基于RMP调度的最小和译码算法在相同的误码率时所要求的信噪比只有2.1 dB，编码增益约为9.2 dB。

2)仿真和测试系统下的实测表明在无源互调干扰下，使用LDPC信道编码技术可有效改善通信系统的性能，减弱寄生干扰的影响。

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(编辑：车晓玲)

Study on communication performance improvement using LDPC code under passive intermodulation interference

FANG Tianqi1，HU Tiancun2，TIAN Lu1，*，LIU Jianchun1

1.SchoolofInformationandElectronics，BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081，China2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceMicrowave，ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xi′an)，Xi′an710000，China

Due to the time-varying and discontinuous characteristics of passive intermodulation interference signals，a novel method by using error-correcting LDPC code was proposed to reduce the impact of passive intermodulation interference. The LDPC coding and decoding scheme was designed and the decoding part was emphasized. The normalized min-sum algorithm based on row message passing was adopted for its low iteration time. Pulses at 10% duty cycle were used to simulate the passive intermodulation interference. The simulation results show that the coding gain is about 8.2 dB when the BER is 3.1 dB. The experimental results show that the BER is 0.002 69 and SIR gain reaches 10 dB when SIR is 2 dB.

space communication；passive intermodulation；low density parity check code；min-sum decoding；bit error rate

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0029

2016-11-22；

2017-02-15；录用日期：2017-03-17；

时间：2017-03-21 16:00:09

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20170321.1600.016.html

国家自然科学基金(61601027)

方天琪(1994—)，男，硕士研究生，breathless101@qq.com，研究方向为无线通信与数字信号处理

*通讯作者：田露(1989—)，女，博士研究生，tianlu218@gmail.com，研究方向为空间信号处理与无源互调对消技术

方天琪，胡天存，田露，等.LDPC码对无源互调干扰下通信性能改善研究[J].中国空间科学技术，2017，37(2)：108-113.FANGTQ，HUTC，TIANL，etal.StudyoncommunicationperformanceimprovementusingLDPCcodeunderpassiveintermodulationinterference[J].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(2)：108-113(inChinese).

TN919.4

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http://zgkj.cast.cn