BGAN信号译码设计与实现*

汪 洋

（91404部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引 言

海事卫星通信系统[1]是由国际海事卫星组织（Inmarsat）建立的一种卫星移动通信系统。Inmarsat于 2006 年提供宽带全球网络BGAN（Broadband Global Area Network）业务后，它具有全球无缝隙的宽带网络接入、移动实时视频直播、兼容3G等多种通信能力，使其在移动通信领域占有越来越重要的地位。因此，BGAN系统已成为越来越多学者研究的重点。

目前，目前对于各种系统中信号的Turbo编解码研究很多。其中，文献[2]和文献[3]研究了TDLTE系统中Turbo译码算法，针对传统Log-Map算法译码复杂度大且时延长的缺点，提出一种简化的Log-Map算法。文献[4]对针对长期演进（Long Term Evolution，LTE）系统中的Turbo译码算法进行了研究，在Max-Log-MAP和Log-MAP算法的基础上提出了一种改进算法，更加易于硬件实现，具有较低的复杂度。文献[5]为降低Turbo译码延迟，提出一种自适应控制的迭代停止算，能有效降低译码平均迭代次数，提高译码速率。文献[6]分析了QPP交织器的原理，改善了高速分块并行Turbo译码性能。

但是针对BGAN系统的译码研究很少，针对BGAN系统的大多是基于卫星天线设计、检测识别、信号解调。主要是由于其编码方式复杂多变，资料较少，难以深入研究。

本文对BGAN系统通信链路信号数据的帧结构以及编码方式进行了深入研究，设计了基于BGAN信号的译码器结构和译码算法。结果表明，该译码算法实时性好、译码性能好且通用性高，能很好的实现对BGAN信号的实时译码。

1 数据帧结构分析

Bgan卫星上下行链路信号采用了QPSK/M-QAM形式的调制方式，每帧信号数据被分为单个或多个子帧（FEC blocks），以下行链路前向载波为例，其帧结构如图1所示。

图1 下行链路数据帧结构

下行链路信号帧长为80 ms，其内容为经过QPSK/QAM调制后的所有调制输出符号（Modulation Output Symbol，MOS）。参数描述如下：

UW：标志一帧中第一个FEC的编码方式，其长度为40个符号；

DS：数据符号，其符号长度与个数根据不同的BGAN下行载波类型变化；

PS：为标志符号，位于两数据符号之间，符号长度为1，不同的载波类型，PS的个数也不同。

FEC block：前向纠错编码块（Forward Error Correction，FEC），根据不同的载波类型，其个数可能为1也可能为多个。

2 BGAN编码研究

BGAN通信链路数据帧中对FEC块编码采用的是Turbo编码，其编码器结构如图2所示。

数据输入后，一路数据进入缓存器，一路进入交织器，分别进行16态的Turbo编码，生成d数据位与q校验位，再经过删余矩阵以及相应的调制生成IQ数据。删余矩阵可进行调整以适应BGAN链路数据的不同编码率。

图2 Turbo编码器结构

SRCC（Recursive Systematic Convolutional Code，RCC）为16态系统循环卷积编码生成器，根据信息位输入可以产生相应的数据位与校验位输出，从而完成编码。

3 译码方法

Turbo码的译码较常规的卷积码复杂，其复杂在于译码要采用迭代的过程，采用的算法本身不但要能够对每比特进行译码，还要随着译码给出每比特译出的可靠性信息。常用的turbo码软输入软输出（Soft Input Soft Output，SISO）译码算法可分为最大后验MAP（Maximum posterior probability，MAP）算法和软输出维比特SOVA（Soft Out Viterbi Algorithm）算法。对于BGAN通信链路数据，可对Log-MAP算法进行相应的修改，实时准确的对BGAN通信链路数据译码。

3.1 迭代译码结构与算法

基于BGAN系统的Turbo码译码器结构如图3所示，其中分量译码器1和分量译码器2分别与编码器中的SRCC1和SRCC2对应，交织器、解交织器与编码器中的交织器对应。

图3 基于BGAN系统的译码器结构

基本译码过程为：系统信息、校验信息1、先验信息1进入分量译码器1，分量译码器1根据log-map译码算法完成对分量编码器SRCC1的译码，并生成信息比特的外信息1。外信息1经过交织后，生成作为分量译码器2的信息比特的先验信息2；接收的信息序列通过相同的交织，作为分量译码器2的接收信息。分量译码器2利用交织后得到的先验信息2、系统信息、校验信息2完成对分量编码器SRCC2的译码，得到外信息2。外信息2经解交织后得到分量译码器1的先验信息进入下一迭代运算。

迭代译码算法是要根据接收到的序列Y，找出每信息比特uk为+1或者-1的概率，等同于计算Y序列下uk的对数似然比值（LLR），其公式如下所示。

在栅格图中假设前一状态Sk-1=s´和当前状态Sk=s，输入比特uk引起s´=＞s的状态转移。接收序列Y可以被分为Yj＜k，Yk，Yj＞k，分别表示 k 时刻之前接收码字序列、当前接收码字序列和之后接收码字序列，根据贝叶斯准则，上式可转变为：

其中：

表示接收序列是Yj＜k，k-1时刻状态时s´的前向概率。

表示k时刻状态为s且之后接收序列式Yj＞k的后向概率。

表示由给定状态s´转移到s并且此时接收码字为Yk的状态转移概率。

采用递归的方法可以计算出上面3种概率。在迭代译码过程中，由迭代译码器结构可将L(uk|Y)分成3部分：先验信息L(uk)、系统比特信息Lc yks和外在信息Le(uk)：

对于BGAN帧数据编码后的比特是用QPSK/MQAM调制，信道为高斯信道或衰落信道。设n时刻受到的星座符号位Qn，包括I、Q两路信号设为rn(i)、rn(q)，则MQAM解调的软信息（即译码器输入的系统信息）为：

其中i的取值0、1…m，表示解调出的第i个比特，x(j)，y(j)表示M/2个星座点中第j个星座点对应的I、Q坐标。以16QAM为例，如图4所示。

图4 16QAM星座图

假设每个QAM符号代表比特为{a1,a2,a3,a4}，接收第n个QAM符号如图所示的A点，则该点接收I、Q路信号分别为当计算a1的软信息时，与a1判为1的相关的星座点是图中Q轴左半平面的8个点，与-1相关的点事Q轴有半平面的8个点，j从1到8，分别各自遍历的8个点，x(j)、y(j)分别表示8个点的横纵坐标，代入公式后得到a1的软信息，同理计算a2的软信息，公式分子项设计的是I轴下方8个点，分母项涉及的是上方的8个点。a3，a4按照同样的方式计算。如此可算出每个比特的软信息。

3.2 BGAN译码流程

Bgan卫星链路信号处理组成框图如图5所示。主要包括卫星信号下行转换、IQ解调、译码、解扰、位数据输入到协议层。

图5 BGAN系统信号处理框图

以下行通信链路为例，卫星信号经L波段下行转换后，通过UW检测获得帧数据；IQ解调后的IQ数据进入译码单元；译码单元将解调后的IQ数据进行译码、解扰、校验；最后输出01比特数据到协议层。

设计实际BGAN信号数据帧的译码流程图如图6所示，主要分为数据预处理，Turbo迭代译码，以及CRC校验三个部分。

（1）数据预处理部分：根据接收的上下行IQ解调数据，去除其中相应的UW字段符号和PS符号，只余数据符号。用上述译码软信息解调算法计算出IQ软信息，并作为译码器结构的系统信息输入，完成数据预处理部分。然后，

（2）按照所设计的Turbo迭代译码器，设置迭代次数，读取已知交织信息并进行Turbo迭代译码。得出译码结果。

（3）将译码出的比特进行解扰处理，并进行CRC校验，CRC校验为CCITT-16校验方式，验证译码结果是否正确。

图6 BGAN译码流程图

4 实际译码结果

实际项目研发中对BGAN的上下行链路按照以上译码算法进行了译码。

整个译码平台采用上层VC平台。前端通过处理FPGA处理后的解调信号数据，然后按照所设计译码算法在上层进行实时译码。

通过对BGAN上下链路中的全球波束、窄点波束以及上行三种不同典型类型的载波信号的解调数据进行译码，其参数如表1和表2所示。

表1 载波信号参数1 /个

表2 载波信号参数2 /个

针对三种所采集的不同类型实际链路信号数据，经过接收机和FPGA处理后得到IQ数据，在Matlab中采用所设计的译码器及译码算法进行译码，其部分译码结果分别如图7、图8、图9所示。

图7 全球波束

图7为下行全球波束译码结果，其调制方式为QPSK调制，编码符号为672个。其中，第一行为前线载波头格式，第二行为整帧字节数，中间协议部分省略，最终的CRC校验结果正确。将全球波束协议解析与已知协议完全比对，译码结果正确。

图8 下行点波束

图8为下行点波束译码结果，其调制方式为16QAM调制，编码符号为1496个/FEC。第一行为前向载波头格式，点波束一帧内部多个CRC校验结果正确，点波束协议解析与已知协议完全比对，译码结果正确。

图9 上行波束

图9为上行波束译码结果，其调制方式为16QAM调制，编码符号为112个。第一行为反向载波头格式，中间为省略协议信息，最终CRC校验结果正确。上行波束协议解析与已知协议完全比对，译码结果正确。

5 结 语

目前海事四代卫星链路通信在信号识别、解调上已经比较成熟，但在信号译码以及协议分析方面还处于研究阶段，根据实际信号进行海事四代卫星的通信数据译码是本文的主要研究方向。本文研究了BGAN系统通信链路的数据帧结构以及编码方式，并设计了相应的Turbo迭代译码器成功对上下行链路不同载波类型的信号数据进行了译码，结果表明译码器设计以及算法可以对实际BGAN系统信号进行完全正确译码。对卫星链路的数据译码应用有指导意义。同时，该设计方案并不局限于BGAN通信信号的译码应用，可推广到使用其他通信卫星信号译码的系统中。