葉新生，劉國忠

(山西科泰航天防務(wù)技術(shù)有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

信道編碼是無線通信系統(tǒng)中的重要組成部分[1]，而Turbo乘積碼不僅具有良好的糾錯性能，而且其編碼算法簡單，使用的資源較少，較為適合遙測領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境[2]。

信道編碼技術(shù)會在遙測數(shù)據(jù)中增加糾錯碼，利用糾錯碼可對傳輸過程中的錯誤位進行糾錯，可有效地降低遙測數(shù)據(jù)誤碼率。

使用信道編碼可在不加大發(fā)射功率、不增加接收天線尺寸的情況下獲得更遠的遙測距離。

信道編碼雖好，但需要遙測發(fā)射機與遙測接收機匹配使用，以及遙測發(fā)射機在發(fā)射數(shù)據(jù)時需要進行信道編碼，遙測接收機在接收數(shù)據(jù)時需要進行信道解碼。

遙測接收機一般屬于接收設(shè)備，其更新?lián)Q代的速度遠不及遙測發(fā)射機。本文擬基于VC++研發(fā)一種TPC解碼算法，基于算法可構(gòu)建事后TPC解碼軟件，也可構(gòu)建實時解碼軟件。通過這些方式可使原本不具備TPC解碼的遙測接收站實現(xiàn)TPC解碼能力，且可在不增加任何預(yù)算的情況下提高原遙測站的接收能力。

1 算法原理

TPC為分組乘積碼，常用的結(jié)構(gòu)為二維結(jié)構(gòu)，分別進行縱向和橫向編碼。利用此種結(jié)構(gòu)，可在2個維度上進行糾錯，相比1維糾錯碼可極大地提高糾錯能力。

1.1 TPC編碼原理

Turbo乘積碼是由兩個或兩個以上的短分組碼C(n,k,δ)構(gòu)成，其中n,k,δ分別表示分組碼的長度、信息長度和最小漢明距離[3-4]。

本文使用目前應(yīng)用最為廣泛的二維乘積碼，采用(64,57)×(64,57)擴展?jié)h明乘積碼[4]，即在漢明碼的基礎(chǔ)上增加一位奇偶校驗位，該編碼可糾錯一位，發(fā)現(xiàn)二位錯誤，兩個維度均使用相同的分組碼。二維乘積碼的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二維乘積碼的結(jié)構(gòu)

在進行TPC編碼時，先對信息位逐行編碼，生成57×64的行編碼矩陣。然后對行編碼矩陣進行逐列編碼，最終生成64×64的編碼矩陣。

在完成編碼后，輸出時一個編碼塊為一幀，每幀前面添加4字節(jié)同步字1ACFFC1D，編碼塊輸出時按先行后列順序輸出。

1.2 TPC解碼原理

TPC解碼算法有2類，一類為軟解碼，一類為硬解碼。

其中軟解碼常用算法為ChaseII算法，其基本原理為將位同步輸出的軟信息(判決前信息)向量，作為TPC解碼輸入，根據(jù)信息的幅值，選取最不可靠的N位(一般N=2)，形成錯誤樣本集合，從錯誤樣本集合中找出與接收向量歐氏距離最小的子碼為判決子碼，同時將距離次小的子碼為候選子碼。同時利用外信息向量記錄各位的軟判決可靠度，進行迭代。經(jīng)過多輪次(一般3次即可)迭代后完成解碼[5-6]。

硬解碼使用判決后的信息，利用漢明糾錯算法直接進行糾錯，根據(jù)擴展?jié)h明碼可以發(fā)現(xiàn)2位錯位糾錯1位的特性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)2位錯位時，可不進行糾錯，而是等下一輪次再行糾錯，可在一定程度上提高糾錯性能。

相對來說軟解碼要比硬解碼具備更好的性能表現(xiàn)[7]，但是軟解碼需要更多的信息。如在接收機內(nèi)部實現(xiàn)，可以使用軟解碼信息。本文是在接收機外部實現(xiàn)，接收機一般只輸出判決后的信息，因此無法使用軟解碼算法，只能使用硬解碼算法實現(xiàn)。

硬解碼算法在FPGA中實現(xiàn)時，一般使用邏輯電路實現(xiàn)[7]；在VC上實現(xiàn)時，為加快軟件的運行速度，本文采用查表法以加快解碼速度。在計算前提前計算好每一位置對應(yīng)的校驗值數(shù)組(X1～X57),在解碼時對每一位進行歷遍，當(dāng)該位為1時將該位置對應(yīng)的校驗值與校驗位進行異或計算，具體原理見圖2所示。

圖2 查表法譯碼原理

當(dāng)最后計算值為0則校驗正確，如計算值不為0則說明數(shù)據(jù)有錯位。

尋找錯位位置方法的原理是，當(dāng)數(shù)據(jù)無錯位時其校驗和應(yīng)為0；當(dāng)某位出現(xiàn)錯誤時，整個校驗和必然會多異或了一次該位對應(yīng)的校驗值，下面推導(dǎo)該結(jié)論。

對數(shù)據(jù)位進行校驗計算的公式如下，其中求和符號實際中為模二相加(同異或)，式中ai為數(shù)據(jù)位(取值為0或1)。

(1)

又，基于異或的原理有：

1=0⊕1,0=1⊕1

.

從上式可以看出，任何數(shù)(0或1)取反(誤碼相當(dāng)于，原數(shù)據(jù)位取反)，均可看為其原值與1異或。

結(jié)合式(1)，可以得出如下結(jié)論，當(dāng)某位am出現(xiàn)錯位時，可以將表達式寫成如下形式：

(2)

又根據(jù)原編碼信息，有:

(3)

所以有：

y=Xm

.

(4)

從中可以看出，根據(jù)式(1)對編碼數(shù)據(jù)進行計算，其計算結(jié)果非零時，其對應(yīng)值為某位對應(yīng)的校驗值。因此在實際中，可以根據(jù)校驗計算結(jié)果反查是哪位出錯，即在{X1～X57}集合中查找Xm，當(dāng)查到時其下標(biāo)即為錯誤位的位置。

2 設(shè)計及仿真

上節(jié)給出了查表法實現(xiàn)TPC譯碼的基本原理，下面根據(jù)原理進行具體設(shè)計實現(xiàn)。

實際數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)射機會在數(shù)據(jù)幀中間插入同步字節(jié)，接收機利用同步字節(jié)識別數(shù)據(jù)幀，TPC解碼程序同樣要利用同步字節(jié)識別TPC數(shù)據(jù)幀，在識別完成后，按行列依次進行糾錯處理，處理流程如圖3所示。整個糾錯流程包括行糾錯及列糾錯，整個糾錯過程包括3輪,分別進行行糾錯和列糾錯。在糾錯時如果確認是一位錯則修正，若是兩位錯或無錯位則不進行任何處理。

在糾錯時，需要按位取出數(shù)據(jù)進行處理，為便于取數(shù)據(jù)位，使用了一個位模板數(shù)組。

m[8]={0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01}；

在實際運行時，需要對字節(jié)中不同數(shù)據(jù)位進行判定操作，取位模板數(shù)組中不同數(shù)進行判定與操作，即可取出對應(yīng)位信息，具體見公式(5)所示。

a=x∧m[i]

.

(5)

因此測試某位是否為1時，只要按公式(5)計算，取其結(jié)果，當(dāng)結(jié)果非0時，即可判定該位為1，否則為0，使用該方法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)位的快速判定。

本文使用的是擴展型漢明碼，即在編碼時，除漢明糾錯碼外，還有一位表示全部的奇偶校驗，因此可以利用該特性實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)2位錯的能力，其判定方式可參考表1。

圖3 數(shù)據(jù)解碼流程

序號漢明糾錯奇偶校驗判定1111位錯2102位錯301奇偶位錯400無錯位

從表1可以看出綜合漢明糾錯信息和奇偶校驗信息，可實現(xiàn)1位錯的判定及2位錯的發(fā)現(xiàn)，在實現(xiàn)時僅當(dāng)判定位1位錯時進行糾錯。通過該方式可有效避免錯誤糾錯。

在實際實現(xiàn)時還需要考慮行列數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本文采用二維數(shù)組來進行數(shù)據(jù)幀的存儲。

因TPC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)固定，因此實現(xiàn)時采用64行8列的數(shù)組進行數(shù)據(jù)存儲，具體如下：

char dat[64][8];

圖4 數(shù)據(jù)存儲方式

在完成TPC幀同步后，將幀數(shù)據(jù)按圖4方式整理成二維數(shù)組，需要注意的是因TPC數(shù)據(jù)每行有57位，因此TPC幀中的數(shù)據(jù)并非按字節(jié)對齊。在完成處理后還需要重新進行對齊處理，如果TPC幀中數(shù)據(jù)本身并非按字節(jié)對齊則還要重新進行同步處理，從其中還原出字節(jié)數(shù)據(jù)。

在糾錯過程中，先進行逐行糾錯處理，然后進行逐列糾錯處理，總共進行3輪次行列糾錯即可。

3 實現(xiàn)與測試

利用Visual Studio平臺，并基于VC++實現(xiàn)了TPC信道解碼軟件，軟件界面如圖5所示。

該軟件不僅完成了TPC信道解碼，還完成了解碼后數(shù)據(jù)幀的提取。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀提取，需要設(shè)置數(shù)據(jù)幀頭、幀頭長度、反碼副幀長、錯誤容量等信息。

圖5 TPC信道解碼軟件界面

為測試其性能，利用具備TPC編碼功能的發(fā)射機，發(fā)射仿真數(shù)據(jù)以進行解析驗證，從驗證情況看該TPC解碼算法運行正常，從圖6可以看出，數(shù)據(jù)糾錯正常。

打開解析完的數(shù)據(jù)幀可以看到EB90前面的幀計數(shù)連續(xù)，數(shù)據(jù)幀無丟失。

經(jīng)過驗證后，該軟件已經(jīng)在實際遙測活動中得到推廣應(yīng)用，實際使用反饋情況良好，通過該軟件使原先不具備TPC解碼能力的遙測站，具備接收對TPC遙測幀的解析能力，還可利用TPC糾錯算法提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖6 TPC信道解碼軟件

圖7 TPC信道解碼數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文利用VC++平臺，實現(xiàn)了TPC信道編解碼，可在不增加預(yù)算的情況下擴展原有遙測設(shè)備的功能，提高其接收性能，已在相關(guān)實際項目中得以應(yīng)用，并取得良好的實用效果。

并且實現(xiàn)時考慮了實時應(yīng)用和事后數(shù)據(jù)處理2種情況，使用簡便且可以廣泛應(yīng)用，可在各遙測設(shè)備中推廣使用。

但是為適應(yīng)目前遙測設(shè)備，目前僅僅實現(xiàn)了TPC的硬解碼，為進一步提升性能，后續(xù)考慮增加軟解碼能力，但軟解碼如要推行需要遙測設(shè)備進行相應(yīng)改進，使其輸出可供軟解碼的額外信息。

信道編解碼，通過在遙測數(shù)據(jù)中增加校驗信息，以實現(xiàn)信息糾錯，從而獲得編碼增益，是無線通信領(lǐng)域的一個重要技術(shù)手段，如何通過后期改造使早期遙測設(shè)備提升能力，也是一個重要課題，本文提出的思路可在此領(lǐng)域進行推廣應(yīng)用。