一種低復雜度遙測數據刪除卷積譯碼方式

王瑋

摘要：針對航天測控通信中遙測數據刪除卷積碼的譯碼，提出了一種低復雜度、低資源占用量的譯碼方法。介紹了卷積碼和刪除卷積碼的原理和區別、傳統遙測數據刪除卷積的譯碼方式，針對其在高碼率時資源消耗量大的問題，提出了一種改進方法，采用遙測節點同步的方式，在卷積譯碼前即可確認刪除碼率和數據組合；對比了2種方式的資源占用量和譯碼性能，說明采用遙測節點同步的方式可以有效地減少譯碼器的使用，大大節省了資源占用量。

關鍵詞：航天測控；刪余卷積碼；遙測節點同步

中圖分類號：V527文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）06-53-5

0引言

在航天測控通信中，為了提高遙測數據傳輸的可靠性，通常采用信道編碼技術[1]。在測控通信中常用的信道編碼技術有卷積編碼、LDPC編碼、RS編碼以及RS+卷積級聯碼等編碼方式。卷積編碼是一種非分組碼，由伊利亞斯（P.Elias）于1955年提出，它具有糾錯能力強、編譯碼簡單等優點，在許多實際情況中的性能優于分組碼[2-3]，因此得到了廣泛應用。標準的CCSDS卷積編碼為（2，1，7）卷積碼，即編碼后數據速率為編碼前的2倍，但這樣會增加傳輸帶寬，或者在不改變傳輸帶寬條件下降低信息傳輸速率。為了提高信道編碼碼率，增加帶寬有效性，通常會采用刪除方法，即信息進行卷積編碼后，消去編碼完的序列中的部分比特，通過減少傳輸的比特數來提高編碼碼率[4-5]。常用的打孔刪除方式有2/3、3/4、5/6、7/8。相比于1/2編碼方式，采用這種方式雖然會損失一定的糾錯性能，但是可以有效提高信息碼速率，降低傳輸帶寬[6-7]。

通過刪除的方法，雖然可以提高遙測數據傳輸帶寬，但是在對刪除卷積碼進行譯碼時所需要的譯碼器數量較多，資源消耗較大。針對這一問題，本文分析了航天測控通信中傳統遙測數據進行刪除卷積碼譯碼的處理流程，在其基礎上提出一種改進方法，通過增加遙測節點同步環節，在譯碼前即可確定譯碼模塊輸入端的數據組合方式，在實現高碼率信道編譯碼的同時，降低了資源的消耗。

首先介紹了刪除卷積碼的結構并給出了通過固定刪除圖樣得到的不同碼率的刪除碼，然后給出了傳統遙測數據處理流程并分析了不同碼率對應的資源消耗量，在此基礎上提出了遙測節點同步處理方法，最后對2種方法在不同碼率下的資源消耗進行了對比。

1刪除卷積碼及譯碼介紹

1.1卷積碼介紹

卷積碼是讓待編碼的信息序列通過一個線性的、有限狀態的移位寄存器得到編碼序列的編碼方法。將待編碼信息序列分為組長度為的子序列，每個子序列編碼后長度為，那么編碼碼率為= /。編碼完成的bit數據不僅與當前組的個信息位有關，還與前面的-1組信息位有關，卷積碼就是利用這些信息之間的相關性，來得到優異的編碼增益。

卷積碼有多種表示方法：解析表示法和圖表表示法。其中，圖表表示法又可分為結構圖表示法、網格圖表示法和狀態圖表示法。

1.1.1解析表示法

例如，空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）標準卷積碼的表達式為（2，1，7），即=2，=1，=7，表示輸入1 bit信息，輸出2 bit編碼數據，約束長度為7。1= 1111001，2= 1011011，2路輸出反向。

1.1.2圖表表示法

圖表表示法中常用的表示法為結構圖表示法和網格圖表示法，在進行卷積編碼時常用到結構圖表示法；在進行卷積碼譯碼時常用到網格圖表示法。本文重點介紹結構圖表示法。CCSDS標準卷積碼的結構圖表示如圖1所示。

1.2刪除卷積碼介紹

為提高航天測控中下行遙測的信道編碼碼率，在卷積碼中通常會采用刪除的方法。刪除就是在遙測信息序列完成卷積編碼之后，按照一定的規則周期性地刪除信息序列中的一些數據，即采用更少的編碼數據來傳達相同的信息，可以達到提高編碼碼率的目的。在航天測控中，一般通過對約束長度為7，碼率為1/2的CCSDS標準卷積碼進行刪除，增加傳輸帶寬有效性，提高遙測碼率。但由于在傳輸前刪除了部分已編碼符號，與原始的碼字相比降低了糾錯性能。按照不同的刪除規則，可以得到2/3、3/4、5/6、7/8碼率編碼。刪除卷積編碼器的結構如圖2所示。

由初始的碼率1/2 CCSDS標準卷積碼通過固定刪除規則得到的碼率2/3、3/4、5/6、7/8的刪除碼，刪除規則如表1所示。

由表1可以看出，長度為的序列經過碼率為1/2的編碼器編碼后長度變為2的序列，根據不同的刪除規則進行刪除，刪除-1 bit，最終得到的刪除編碼序列碼率為/（ +1）。經過刪除后，卷積碼之間的碼距會減小，影響卷積碼的編碼性能。

1.3卷積碼的譯碼介紹

卷積碼的譯碼方法有很多種，主要有：1961年由沃曾克拉夫特（Wozencraft）提出，1963年由費諾（Fano）改進的序列譯碼；1963年由梅西（Massey）提出的門限譯碼；1967年由維特比（Viterbi）提出的Viterbi算法；1974年Bahl、Cocke、Jelinek和Raviv（BCJR）對信息比特具有不等先驗概率的卷積碼提出了最大后驗概率（MAP）譯碼算法。其中，卷積碼的最優譯碼方法為基于最大似然估計和最大后驗概率準則的譯碼方法。故后2種，即Viterbi和BCJR譯碼方法得到了更為廣泛的應用。本節主要介紹Viterbi譯碼算法的基本原理。

Viterbi譯碼方法是一種基于編碼器網格圖搜索的最大似然譯碼方法，其目的在于在網格圖中尋找一條與接收序列之間的距離最小的路徑。根據解調之后選擇的判決方法，在尋找最佳路徑的過程中可以采用漢明距離和歐式距離進行度量值的比較。Viterbi譯碼算法不是一次性在網格圖中所有可能的2條不同的路徑中選擇一條具有最佳度量值的路徑，而是每次接收一段信息序列，進行度量值的計算，并在到達同一狀態的路徑中選擇當前具有較大度量值的路徑，舍棄其他路徑，從而使得最后留存的路徑僅有一條，并且是具有最大似然函數的路徑。Viterbi譯碼的實現過程可分為：路徑度量的計算、路徑度量的更新、循環搜索所有路徑、反向索引幸存路徑4個流程。

刪除卷積碼的本質是一種高碼率的卷積碼，其在譯碼時仍需要按照卷積碼進行譯碼。由于待譯碼序列在卷積編碼之后按照一定的規則周期性地刪除信息序列中的一些數據，因此在譯碼的時候需要按照相應規則對數據進行補全操作，然后再對數據再進行卷積譯碼。但由于刪除的序列與補充的序列不一致，勢必造成譯碼性能損失。在航天測控領域的應用中，下行遙測一般會預留充足的鏈路余量，因此可通過犧牲譯碼性能來換取遙測傳輸帶寬的提升。

2傳統遙測數據的刪除卷積譯碼方式

傳統遙測數據卷積譯碼處理流程如圖3所示。遙測接收設備首先要完成遙測信號的捕獲跟蹤和位同步處理。在解調出基帶數據流之后進行信道譯碼、幀同步、解擾等處理。卷積編碼對應的譯碼方式為Viterbi譯碼，任一碼率的編碼數據，必須經過2 bit數據重新組合后才能確定刪除起始位置，之后按照刪除規則進行數據填補后，作為Viterbi譯碼模塊的輸入數據[9-10]。不同碼率1/2、2/3、3/4、5/6、7/8編碼后的數據流，2 bit重新組合會出現多種可能，如果每個數據流2 bit重新組合都是從起始數據開始組合，譯碼結果正確；如果不是起始數據組合，則譯碼出錯。圖4列出了各個不同碼率的編碼數據作為譯碼模塊輸入數據時，可能出現的組合方式。

由圖3可以看出，1/2碼率時，編碼數據送入譯碼模塊輸入端時，可能出現2種2 bit組合方式。在進行數據流處理時，不能確定哪種才是正確的數據組合，所以需要放置2個Viterbi譯碼模塊，隨后對譯碼輸出進行鑒定，正確的一路保留，錯誤的舍棄。同理：

2/3碼率時，譯碼器輸入端的數據流有3種2 bit組合方式，需要放置3個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

3/4碼率時，譯碼器輸入端的數據流有4種2 bit組合方式，需要放置4個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

5/6碼率時，譯碼器輸入端的數據流有6種2 bit組合方式，需要放置6個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出；

7/8碼率時，譯碼器輸入端的數據流有8種2 bit組合方式，需要放置8個Viterbi譯碼模塊來判斷選擇其中正確的一個譯碼輸出。

由此得出，不確定數據流起始點的情況下，需要遍歷所有數據組合，并通過Viterbi譯碼結果正確性來確定數據組合方式。采用這種方式，當碼率越高時，需要的Viterbi譯碼器就越多，資源占用也越多。

3改進遙測數據的刪除卷積譯碼方式

采用傳統遙測數據刪除卷積譯碼的方式，會占用大量Viterbi譯碼資源，而一般Viterbi譯碼利用FPGA來實現，所需要的FPGA資源更多，不利于接收解調設備小型化、便攜化和多通道的實現。為了解決該問題，本文提出了一種新的低復雜度刪除卷積譯碼方式，在遙測數據解調流程中增加節點同步流程。通過遙測節點同步，可以在Viterbi譯碼前就確定好數據組合方式和遙測幀頭起始位置，因此接收端只需要1個Viterbi譯碼模塊進行譯碼即可，相比傳統遙測數據刪除卷積譯碼方式，大大節省了FPGA資源。圖5為改進后的遙測數據解調流程，遙測接收設備首先進行遙測信號捕獲跟蹤和位同步處理，然后進行節點同步確認Viterbi譯碼的起始點和數據組合方式，之后進行Viterbi譯碼和幀同步等處理。

節點同步流程如圖6所示。首先對預設的遙測數據幀頭進行（2，1，7）卷積編碼；然后根據不同碼率按照對應刪除規則對編碼后序列進行刪除，得到各種碼率和各種數據組合的節點同步幀頭；最后通過設置合適的容錯比特，在遙測數據流中匹配查找所有的節點同步幀頭，若正確匹配到節點同步幀頭，則查找對應的編碼速率和數據組合，并輸出至Viterbi譯碼模塊。

當幀頭為16 bit時，1/2碼率幀頭編碼輸出1111111111111111/1111111111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出1010101010101010/1111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出1011011011011011/1101101101101101；5/6碼率幀頭編碼輸出1010110101101011/1101011010110101；7/8碼率幀頭編碼輸出1000101100010110/1111010111101011。其中，1代表數據保留，0代表數據刪除。

當幀頭為24bit時，1/2碼率幀頭編碼輸出111111111111111111111111/111111111111111111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出101010101010101010101010/ 111111111111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出101101101101101110110110/110110110110110111011011；5/6碼率幀頭編碼輸出101011010110101110101101/110101101011010111010110；7/8碼率幀頭編碼輸出100010110001011010001011/111101011110101111110101。其中，1代表數據保留，0代表數據刪除。

當幀頭為32 bit時；1/2碼率幀頭編碼輸出11111111111111111111111111111111/111111111111111111111 11111111111；2/3碼率幀頭編碼輸出1010101010101010101010 1010101010/11111111111111111111111111111111；3/4碼率幀頭編碼輸出10110110110110110110110110110110/ 11011011011011011011011011011011011011；5/6碼率幀頭編碼輸出10101101011010111010110101101011/11010110101 101011101011010110101；7/8碼率幀頭編碼輸出10001011000101101000101100010110/111101011110101111110 10111101011。其中，1代表數據保留，0代表數據刪除。

編碼結構框圖有6個寄存器，因此幀頭數據依次送入編碼器6 bit數據后，數據編碼輸出是確定的，可知，對于幀頭編碼輸出序列，舍棄前6 bit數據的編碼序列，從之后的輸出數據進行同步，即可找到數據處理的起始點?？梢允孪劝巡煌瑤^在不同碼率情況下的編碼輸出預存起來，經過節點同步處理，可以確定譯碼器輸入數據的組合方式，通過1個譯碼器即可完成譯碼。由于2/3、3/4、5/6、7/8碼率數據編碼是有刪除的，所以譯碼器輸入數據必須添加使能控制信號。

4 2種遙測數據刪除卷積譯碼方式對比

綜合上文分析可得2種遙測數據刪除卷積譯碼方式的譯碼器數量，如表2所示。FPGA消耗資源如表3所示。由表2和表3可以看出，采用傳統方式處理，隨著碼率的提高，所需譯碼器的數量也越多，資源消耗越大。若采用本文提出的節點同步方式處理，只需一個譯碼器即可完成譯碼，FPGA資源消耗量相比傳統方式大大減少。由此可見，本文所提方法可以在較低資源消耗的情況下，有效地提高信道編碼碼率，提升信號傳輸速率。

5結束語

本文針對航天測控通信中遙測數據的編譯碼處理方式，提出了基于刪除卷積碼的遙測節點同步技術實現方法。采用刪除卷積碼方法，在傳輸前刪除部分已編碼符號，有效提高了信道編碼碼率，增加了帶寬有效性；針對高碼率刪除卷積碼資源消耗大的問題，通過對傳統遙測數據處理流程進行改進，提出遙測節點同步處理方法，在譯碼前確定好數據起始點，只需使用1個Viterbi譯碼模塊即可完成譯碼，相比傳統遙測幀同步處理方法，在提升信息碼率的同時，有效節省了資源。

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