孫洪俠,周　歌（.　武警北京市總隊(duì)第八支隊(duì)勤務(wù)中隊(duì)網(wǎng)絡(luò)管理站,北京　0600;　.武警警官學(xué)院信息工程系,成都　603）

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短波通信糾錯(cuò)編碼技術(shù)研究

孫洪俠1,周歌2
（1.武警北京市總隊(duì)第八支隊(duì)勤務(wù)中隊(duì)網(wǎng)絡(luò)管理站,北京102600;2.武警警官學(xué)院信息工程系,成都610213）

摘 要：短波通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性好，通信距離遠(yuǎn)等許多優(yōu)勢(shì)，是武警部隊(duì)通信保障的“保底工程”。而短波信道是變參信道，短波通信存在誤碼率高的問題。本文通過分析三種常用的糾錯(cuò)編碼技術(shù)：RS碼、卷積碼、Turbo碼，并建立Simulink仿真模型，可以看出Turbo碼糾錯(cuò)性能最佳，能夠滿足日常通信保障需求。

關(guān)鍵詞：糾錯(cuò)編碼；短波通信；Simulink

1　短波通信及糾錯(cuò)編碼技術(shù)發(fā)展概述

短波通信又稱高頻（HF）通信，是利用頻率為3MHz～30MHz的電磁波進(jìn)行的無線電通信。短波通信因其具有通信距離較遠(yuǎn)、通信機(jī)動(dòng)靈活、可迅速開通、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方便快捷等特點(diǎn)，是武警部隊(duì)通信保障的重要方式之一。

由于短波通信依靠狀態(tài)不是很穩(wěn)定的電離層反射無線電波實(shí)現(xiàn)通信，短波通信的信道存在干擾復(fù)雜、衰落嚴(yán)重、多徑傳播等特性，使得實(shí)現(xiàn)有效、可靠的短波通信技術(shù)變得復(fù)雜，難度增大。為了提高短波通信的可靠性，糾錯(cuò)編碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出各種信道編碼方案，目前應(yīng)用較多的糾錯(cuò)編碼技術(shù)包括RS碼、卷積碼、Turbo碼。

2　常用的糾錯(cuò)編碼技術(shù)原理

2.1RS碼

RS碼，是一種重要的線性分組編碼方式。該編碼技術(shù)是利用伽羅華創(chuàng)造的伽羅華域(Galois Field)中的數(shù)學(xué)關(guān)系來把傳送數(shù)據(jù)包的每個(gè)字節(jié)映射成伽羅華域中的一個(gè)元素，每個(gè)數(shù)據(jù)包都按碼生成多項(xiàng)式為若干個(gè)字節(jié)的監(jiān)督校驗(yàn)字節(jié)，組成RS的誤碼保護(hù)包，接收端則按校驗(yàn)矩陣來校驗(yàn)接收到的誤碼保護(hù)包是否有錯(cuò)，有錯(cuò)時(shí)則在錯(cuò)誤允許的范圍內(nèi)糾錯(cuò)。RS糾錯(cuò)編碼具有很強(qiáng)的糾正突發(fā)誤碼的能力。它的糾錯(cuò)能力強(qiáng)，并且構(gòu)造方便，編碼簡(jiǎn)單，編譯碼設(shè)備也不太復(fù)雜，被廣泛應(yīng)用在各種通信和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)中[1]。

2.2卷積碼

卷積碼是一種非分組編碼，適用于前向糾錯(cuò)法。卷積碼的監(jiān)督碼元并不實(shí)行分組監(jiān)督，每一個(gè)監(jiān)督碼元都要對(duì)前后的信息單元起監(jiān)督作用，整個(gè)編譯碼過程也是一環(huán)扣一環(huán)，連鎖地進(jìn)行下去[2]。卷積碼主要優(yōu)點(diǎn)是：第一，編碼復(fù)雜度非常低，具有線性編碼復(fù)雜度；第二，譯碼復(fù)雜度主要由卷積碼的約束長度決定，一般譯碼復(fù)雜度不高；第三，非常適合用在有干擾信號(hào)主要是加性高斯白噪聲的信道上。缺點(diǎn)主要是：第一，數(shù)據(jù)塊長度較長的時(shí)候性能下降。第二，當(dāng)約束長度增加時(shí)，其譯碼復(fù)雜度成2的指數(shù)倍增長。

2.3Turbo碼

1993年，法國不列顛通信大學(xué)兩位教授C.Berrou、A.Glaviex和他們的博士生P.Thitimajshima首次提出了一種新型信道編碼方案——Turbo碼，由于它很好地應(yīng)用了shannon信道編碼定理中的隨機(jī)性編譯碼條件，從而獲得了幾乎接近Shannon理論極限的譯碼性能。Turbo碼又稱并行級(jí)聯(lián)卷積碼，它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起，在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)編碼思想的同時(shí)，通過交織器實(shí)現(xiàn)了由短碼構(gòu)造長碼的方法，并采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼[3]。Turbo碼在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下，不僅性能優(yōu)越，而且還具有很強(qiáng)的抗衰落和抗干擾能力。

3　短波通信糾錯(cuò)編碼技術(shù)仿真分析

為比較三種糾錯(cuò)編碼技術(shù)性能，采用Matlab中的Simulink模塊進(jìn)行仿真分析。系統(tǒng)仿真的短波信道模型是基于Watterson短波信道模型思想，利用Simulink模塊搭建Multipath Rayleigh Fading Channel（多徑瑞利衰落信道）和AWGN Channel（加性高斯白噪聲信道）兩種信道模型。其中，在多徑瑞利衰落信道中，設(shè)置的主要參數(shù)為最大多普勒頻移。在加性高斯白噪聲信道中，主要參數(shù)為信噪比Eb/N0。

運(yùn)行模型，設(shè)置加性高斯白噪聲信道的信噪比（dB）參數(shù)為1,2,4,6，得到RS碼（15,9）的誤碼率分別為0.978、0.972、0.967、0.961，卷積碼（2,1,7）的誤碼率分別為0.1836、0.004672、4.5e-006、3.8e-006，Turbo碼（R=1/2）的誤碼率分別為6.8359e-004、5.8594e-004、5.4181e-004、4.8828e-004；設(shè)置多徑瑞利衰落信道的最大多普勒頻移（Hz）參數(shù)分別為0. 1,0.01,0.05 ,0. 001，得到RS碼（15,9）的誤碼率分別為0.6312、0.4545、0.3619、0.1818，卷積碼（2,1,7）的誤碼率分別為0.4822、0.4701、0.4957、0.4539，Turbo碼（R=1/2）的誤碼率分別為5.8534e-004、4.6828e-004、3.9063e-004、3.5053e-004。

由仿真結(jié)果可以看出，RS碼在多徑瑞利衰落信道中性能較好，抗突發(fā)錯(cuò)誤能力較強(qiáng)；卷積碼在加性高斯白噪聲信道中誤碼率較低，抗隨機(jī)錯(cuò)誤能力較強(qiáng)；而Turbo碼無論是在加性高斯白噪聲信道還是在多徑瑞利衰落信道，誤碼率均達(dá)到了10-4數(shù)量級(jí)，顯示了優(yōu)異的糾錯(cuò)性能。但Turbo碼存在“地板效應(yīng)”，即誤碼率下降到一定程度再下降就很慢了。

4　結(jié)論

本文介紹了三種重要的糾錯(cuò)編碼方式：RS碼、卷積碼、Turbo碼，通過建立Simulink仿真模型，可以看出，Turbo碼具有優(yōu)越的糾錯(cuò)性能，不僅在信噪比較低的高噪聲環(huán)境下性能優(yōu)越，而且具有很強(qiáng)的抗衰落、抗干擾能力。經(jīng)過分析，短波電臺(tái)信號(hào)通過Turbo碼編譯碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道編碼，通信的整體抗干擾能力和質(zhì)量都得到很大的提升，可以進(jìn)一步提高武警部隊(duì)日常執(zhí)勤、處突的通信保障能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨百振.一種二級(jí)級(jí)聯(lián)糾錯(cuò)編碼的設(shè)計(jì)與分析[J].移動(dòng)通信, 2013(14):74-77

[2]李校娟.卷積碼的譯碼算法研究[D].西安:電子科技大學(xué), 2013.

[3]姜娜娜.基于Turbo碼的信道編譯碼方法研究[D].東北大學(xué), 2014.

作者簡(jiǎn)介：孫洪俠（1986-），女，河北滄縣人，本科，助理工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與管理。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.139