摘要：聚焦數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)中信道編碼技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)復(fù)雜信道環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸問題，提出了改進(jìn)的編碼方案，并對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過對(duì)比分析不同信道條件下的誤碼率，展現(xiàn)了優(yōu)化方案在提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性和抗干擾能力方面的實(shí)際效果。研究范圍包括信道特性的分析、編碼參數(shù)的優(yōu)化以及仿真場(chǎng)景的搭建，形成了具有普適性的通信優(yōu)化方法，為未來通信系統(tǒng)的性能提升提供了理論支持和實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：信道編碼；數(shù)據(jù)傳輸；誤碼率；通信系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN945.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化對(duì)講機(jī)已廣泛應(yīng)用于公共安全、工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，成為關(guān)鍵任務(wù)通信服務(wù)的重要工具。然而，通信系統(tǒng)易受復(fù)雜信道環(huán)境的影響，尤其在多徑衰減、噪聲干擾和信號(hào)失真等因素的作用下，系統(tǒng)可靠性會(huì)大幅降低。在此背景下，信道編碼技術(shù)的重要性愈發(fā)凸顯，其不僅能提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，還能有效降低比特出錯(cuò)概率（bit error rate，BER），從而確保通信質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。本文聚焦于數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)的信道編碼技術(shù)，通過分析信道特性和優(yōu)化編碼參數(shù)，探究提升通信性能的關(guān)鍵技術(shù)路徑。

1 數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)的信道特性分析

1.1 信道特性的影響因素

隨著信號(hào)傳播距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，尤其是在建筑物遮擋較多或地形復(fù)雜的區(qū)域，信號(hào)會(huì)因?yàn)槁窂阶钃醵@著減弱，導(dǎo)致通信的清晰度下降，甚至信息丟失[1]。多徑效應(yīng)是另一個(gè)顯著的影響因素，由于信號(hào)可以通過不同路徑傳播到接收端，不同路徑上的信號(hào)會(huì)因?yàn)閭鞑ゾ嚯x和反射條件的差異而產(chǎn)生時(shí)間延遲，導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生疊加，降低通信的整體質(zhì)量。此外，環(huán)境噪聲也是不可忽視的影響因素，無論是自然噪聲還是其他無線設(shè)備的信號(hào)干擾，都可能對(duì)數(shù)字化對(duì)講機(jī)的信道穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。鑒于信道特性復(fù)雜的影響因素，應(yīng)用通信系統(tǒng)前需要對(duì)信道特性進(jìn)行充分了解，以便采取技術(shù)手段來提高系統(tǒng)的通信性能。

1.2 信道建模與分析

信道建模是通過數(shù)學(xué)手段來建立模型，以描述無線信道的特性和行為。由于不同信道環(huán)境的傳播規(guī)律不同，因此需要選擇合適的信道模型來反映這些規(guī)律。在開闊的戶外場(chǎng)景，自由空間模型能夠較好地描述信號(hào)的傳播情況，該模型假設(shè)信號(hào)在無阻擋的自由空間中傳播，并且僅受路徑損耗影

響[2]。而瑞利衰落模型和萊斯衰落模型則更適用于城市或室內(nèi)環(huán)境。這些模型綜合考慮了多徑效應(yīng)、直射信號(hào)與反射信號(hào)之間的關(guān)系等因素，能夠更真實(shí)地模擬復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)傳播特性。通過對(duì)信道模型的詳細(xì)分析，可以為數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支持。

2 信道編碼技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 信道編碼基礎(chǔ)與選擇

卷積碼作為信道編碼的核心技術(shù)，結(jié)合自適應(yīng)冗余分配機(jī)制，以滿足不同通信場(chǎng)景的需求。卷積碼憑借解碼復(fù)雜度低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，成為數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)的理想選擇[3]。在具體操作中，本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)選用約束長度為7的卷積碼，并結(jié)合軟判決譯碼技術(shù)來增強(qiáng)糾錯(cuò)能力。此外，為適應(yīng)多變的信道條件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)編碼速率調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)信道質(zhì)量調(diào)整編碼冗余。例如，在信道信噪比（signal to noise ratio，SNR）較低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到更高冗余的編碼模式；而在SNR較高時(shí)，系統(tǒng)會(huì)降低冗余，以提高通信效率。

2.2 編碼參數(shù)優(yōu)化方法

提升信道編碼的性能是實(shí)現(xiàn)可靠通信的關(guān)鍵，編碼參數(shù)優(yōu)化在該過程中是核心環(huán)節(jié)。自由距離df是衡量信道編碼糾錯(cuò)能力的重要指標(biāo)，自由距離越大，信道的抗干擾能力越強(qiáng)。在編碼設(shè)計(jì)中，自由距離df的計(jì)算公式如下：

df" = min（bmin，dmin+cmin）。" " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，bmin為最小塊距離，dmin為最小自由距離，cmin為最小接近距離。

式（1）中的參數(shù)決定了編碼器的抗干擾能力及其在不同信號(hào)路徑上的冗余分布。通過優(yōu)化路徑權(quán)重分布和節(jié)點(diǎn)輸出關(guān)系，自由距離可以達(dá)到更優(yōu)，從而有效降低誤碼率。

優(yōu)化編碼參數(shù)時(shí)，除了考慮自由距離，還需要評(píng)估系統(tǒng)的譯碼性能。EXIT圖是用于分析信道編碼譯碼器性能的工具，它通過對(duì)先驗(yàn)信息與輸出信息的互信息關(guān)系進(jìn)行建模，預(yù)測(cè)譯碼器的收斂行為。其中，互信息Ie的計(jì)算公式如下：

Ie = Γ（Iα）。" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

式中，Γ為描述信息轉(zhuǎn)移特性的函數(shù)，Iα為輸入信號(hào)的互信息。

通過調(diào)整輸入信號(hào)的分布特性，可以使EXIT圖的收斂點(diǎn)更接近理想狀態(tài)，即譯碼器可以在有限實(shí)數(shù)內(nèi)完整收斂至誤碼率極低的狀態(tài)，從而顯著提高信道編碼的性能。

編碼參數(shù)優(yōu)化的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于通過迭代更新比特映射的權(quán)重。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整映射權(quán)重，可以大幅度減少迭代譯碼的誤差積累。例如，在噪聲水平較高的信道條件下，優(yōu)先給誤差概率較大的路徑分配更多的冗余，從而有效降低系統(tǒng)的整體誤碼率。此外，編碼參數(shù)優(yōu)化還需要考慮信道環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，如在多徑衰落較為嚴(yán)重的場(chǎng)景中，適當(dāng)增加比特映射之間的冗余分布，可以顯著提升系統(tǒng)的抗干擾性能。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合具體的硬件和信道條件來優(yōu)化編碼參數(shù)。例如，在低功耗需求場(chǎng)景中，需要平衡冗余率和能耗；在高數(shù)據(jù)速率需求的場(chǎng)景中，需要重點(diǎn)優(yōu)化信號(hào)的調(diào)制效率與抗干擾能力。

2.3 信道編碼的實(shí)現(xiàn)框圖

為了確保數(shù)字化對(duì)講機(jī)在復(fù)雜信道環(huán)境中的通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)經(jīng)過全面優(yōu)化的信道編碼的實(shí)現(xiàn)框架，如圖1所示。信源信號(hào)經(jīng)過處理后，進(jìn)入可變長糾錯(cuò)編碼模塊，通過引入冗余信息增強(qiáng)抗干擾能力。編碼后的信號(hào)進(jìn)入交織模塊，其中數(shù)據(jù)順序被打亂，以降低連續(xù)錯(cuò)誤對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?。隨后，經(jīng)過調(diào)制模塊將編碼信號(hào)轉(zhuǎn)化為適合傳輸?shù)牟ㄐ涡盘?hào)，通過有噪信道完成傳輸。在接收端，信號(hào)首先經(jīng)過解調(diào)模塊，恢復(fù)為比特流，再通過解交織模塊還原數(shù)據(jù)順序。解交織后的信號(hào)進(jìn)入可變長糾錯(cuò)譯碼模塊進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和修正。在信道編碼和解碼的整個(gè)過程中，利用軟判決譯碼技術(shù)優(yōu)化譯碼精度，確保信號(hào)的還原質(zhì)量，最終在信源符號(hào)判決模塊的作用下，將信號(hào)恢復(fù)為原始形態(tài)。

3 信道編碼與通信系統(tǒng)性能分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真場(chǎng)景

根據(jù)數(shù)字化對(duì)講機(jī)信道編碼與調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)的需求，搭建了高效的測(cè)試平臺(tái)。選用性能優(yōu)越的面向制造的設(shè)計(jì)（design for manufacturing，DFM）平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其不僅能進(jìn)行通信基帶處理，還可以通過連接通用軟件無線電外設(shè)（universal software radio peripheral，USRP）來生成實(shí)驗(yàn)流程[4]。通信實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示，從初始化開始，依次完成實(shí)驗(yàn)硬件資源的獲取、讀取與關(guān)閉、音頻信源編碼，低密度奇偶校驗(yàn)碼（low density parity check code，LDPC）信道編碼交織、正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）調(diào)制，發(fā)送實(shí)驗(yàn)結(jié)果等操作，構(gòu)建了完整的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與傳輸流程。

為確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，平臺(tái)采用了循環(huán)編碼線程，以精準(zhǔn)獲取信道調(diào)制緩沖數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，為了解決載波頻率偏差（carrier frequency offset，CFO）可能導(dǎo)致的子載波正交性破壞問題，實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了頻偏校正并實(shí)現(xiàn)了幀時(shí)間同步。此外，為了降低實(shí)驗(yàn)難度并提高處理效率，使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）解碼軟件來分析數(shù)字信號(hào)流的關(guān)系，并通過快速傅里葉變換來解調(diào)數(shù)字信號(hào)流并恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的信道編碼優(yōu)化方案在數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)中的實(shí)用效果，本文基于USRP平臺(tái)構(gòu)建完整實(shí)驗(yàn)流程，采用LDPC編碼結(jié)合軟判決譯碼與交織處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了涵蓋信源編碼、信道建模、調(diào)制解調(diào)及譯碼還原的閉環(huán)系統(tǒng)。信道模型選用瑞利衰落與加性白高斯噪聲（additive white Gaussian noise，?AWGN）信道，以模擬復(fù)雜無線環(huán)境；調(diào)制方式統(tǒng)一為二進(jìn)制相移鍵控（binary phase shift keying，BPSK），實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整冗余度以匹配不同SNR條件下的傳輸需求。對(duì)比測(cè)試中，分別記錄傳統(tǒng)未編碼系統(tǒng)與所提優(yōu)化編碼方案在不同SNR下的誤碼率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化編碼方案顯著降低了系統(tǒng)在低SNR條件下的誤碼水平，10 dB條件下誤碼率由3.5%降至1.2%，見表1。本文提出的方案在保證計(jì)算復(fù)雜度可控的基礎(chǔ)上顯著提升了系統(tǒng)抗干擾能力，尤其在邊緣覆蓋或多徑干擾嚴(yán)重的場(chǎng)景下優(yōu)勢(shì)更為突出，驗(yàn)證了該信道編碼技術(shù)在高可靠性對(duì)講通信中的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文圍繞數(shù)字化對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)的信道編碼技術(shù)展開研究，旨在提高系統(tǒng)在復(fù)雜信道環(huán)境中的可靠性與抗干擾性能。通過對(duì)信道特性和編碼技術(shù)的深入分析，設(shè)計(jì)了高效的信道編碼方案，并驗(yàn)證了其在多種通信場(chǎng)景下的適用性與優(yōu)越性。研究結(jié)果表明，合理的信道編碼設(shè)計(jì)能顯著提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡雅琳，付曉梅，暴紀(jì)欣，等. 基于被動(dòng)時(shí)間反轉(zhuǎn)-自編碼器的水聲通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法[J]. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，62（4）：590-597.

[2] 艾散·帕合提，吾斯曼·玉山. 基于多端CNN的通信信號(hào)自動(dòng)調(diào)制識(shí)別研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2023，31 （8）：245-250，286.

[3] 李振星，趙曉蕾，劉偉承，等. 基于Transformer的通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方法[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2022，20（12）：1311-1317.

[4] 陳競輝，吳建德，王睿馳，等. DC-DC變換器基于FH-DPSK調(diào)制的紋波通信方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022，42（9）：3354-3363.