短波信道下Turbo碼性能仿真分析*

戚宗鋒，李保國，雷 菁

(1. 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471003；2. 國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073)

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短波信道下Turbo碼性能仿真分析*

戚宗鋒1，李保國2，雷 菁2

(1. 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471003；2. 國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073)

短波通信具有抗毀性好，傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在信道變化大，可用頻率難以預(yù)測的缺點(diǎn)。短波信道的時(shí)變性、多普勒頻移以及多徑衰落導(dǎo)致其傳輸性能不穩(wěn)定，信道編碼是對(duì)抗信道衰落的一種重要技術(shù)，將編碼增益極高的Turbo碼引入到短波數(shù)字通信中，可大大提高短波通信的可靠性?；赪atterson短波信道模型，仿真了典型短波信道下Turbo碼的性能，得出了一系列量化性能指標(biāo)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

短波;信道;Turbo碼;仿真

0 引 言

短波通信的頻率范圍為3 MHz～30 MHz，主要利用天波經(jīng)電離層反射后，無需建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于電離層的不可摧毀特性，短波通信始終是軍事指揮的重要手段之一。

短波通信的天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的影響而極不穩(wěn)定，信號(hào)傳輸多徑現(xiàn)象嚴(yán)重，延遲大，多普勒頻移大，衰落嚴(yán)重，獲得可靠的通信質(zhì)量一直是短波通信追求的目標(biāo)。

為對(duì)抗短波通信信道的衰落特性，可以采用分集接收、信道均衡以及信道編碼技術(shù)。在各種信道編碼技術(shù)中，Turbo碼是性能及其出眾的一種，精心設(shè)計(jì)的Turbo碼可以達(dá)到接近香農(nóng)限的性能。Turbo碼在各種標(biāo)準(zhǔn)中得到了廣泛的應(yīng)用，如WCDMA等。

一些研究人員研究了Turbo碼在短波通信中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種短波調(diào)制解調(diào)器，采用Turbo碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的卷積碼，在AWGN信道下可以帶來1dB的性能增益，而在短波測試信道下可以帶來2dB的增益，短波信道采用的是CCIR good測試模型。文獻(xiàn)[2]研究了MAP和SOVA兩種譯碼算法，給出了這兩種方法在AWGN信道下的性能，并且討論了交織器的影響。文獻(xiàn)[3]將短波信道等效為一個(gè)相關(guān)衰落模型，在充分交織和未充分交織情況下仿真了其性能。這些工作都沒有完善地考慮短波信道的模型，并且在接收時(shí)沒有考慮到采用自適應(yīng)均衡器來對(duì)抗短波信道的多徑時(shí)變衰落特性。

本文將Turbo碼引入到短波數(shù)字通信中，并在譯碼之前采用自適應(yīng)判決反饋均衡器(DFE)進(jìn)行信道均衡，可以期望得到較好的性能。本文旨在通過仿真手段檢驗(yàn)短波信道下Turbo碼的性能，第1節(jié)說明了短波信道及其仿真模型；第2節(jié)給出了Turbo碼的基本原理和譯碼算法；第3節(jié)給出了仿真的過程；最后進(jìn)行了全文總結(jié)。

1 短波信道特性及其仿真模型

短波信道為時(shí)變多徑衰落信道，Watterson模型是公認(rèn)的一種較好的短波信道模型，全面考慮了瑞利衰落、多徑時(shí)延以及多普勒效應(yīng)等特性。Watterson模型由C.C.Watterson等人在1969年提出[5]，被美國電信科學(xué)協(xié)會(huì)(ITS)證明是一種性能良好的信道模型。后來，在1986年CCIR的549-2報(bào)告中，將此模型作為一種典型的短波信道模型加以推薦[6],國內(nèi)已經(jīng)有人對(duì)Watterson模型進(jìn)行了改進(jìn)[7]。

圖1 Watterson信道模型原理框圖

如圖1，路徑增益函數(shù)是兩個(gè)具有相互獨(dú)立的瑞利振幅分布的零均值的復(fù)高斯函數(shù)。

Gi(t)=Gia(t)exp(j2πfiat)+Gib(t)exp(j2πfibt)

(1)

ITU-R為仿真短波數(shù)字通信系統(tǒng)的性能建議了測試信道，在ITU-RF520中定義了三種測試信道，在ITU-RF.1487定義了十種測試信道。這些測試信道均為Watterson兩徑抽頭延遲線模型，根據(jù)所在緯度以及電離層變化的情況可分為若干種情況，具體見文獻(xiàn)[8]。

2 Turbo碼編碼與譯碼

2.1Turbo碼的編碼原理

Turbo碼編碼器是由兩個(gè)反饋的分量碼編碼器通過一個(gè)隨機(jī)交織器并行連接而成的，編碼后的校驗(yàn)位經(jīng)過刪余陣，從而產(chǎn)生不同碼率的碼字[4]。

圖2 Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)圖

2.2 Turbo碼的迭代譯碼原理

由于傳統(tǒng)的硬判決譯碼都會(huì)損失部分信息，所以，Turbo碼譯碼采用迭代譯碼，通過分量譯碼器之間的軟信息交換來提高譯碼的性能。

圖3 Turbo碼譯碼器的框圖

圖3是Turbo碼譯碼器的框圖，它包括兩個(gè)軟輸入軟輸出(SISO)分量譯碼器、一個(gè)交織器和一個(gè)解交織器。SISO譯碼器不僅輸入不同的比特，同時(shí)還有判決的置信信息、即后驗(yàn)概率，可由對(duì)數(shù)似然比(LLR)描述。比較經(jīng)典的Turbo碼譯碼算法有BCJR算法[9]、SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法[10]等，AWGN信道中，迭代5次便可以達(dá)到收斂，而衰落信道中一般需要10次迭代[9-10]。

3 短波信道下Turbo碼性能仿真

本文在ITU-R F.1487信道模型下進(jìn)行了卷積碼和Turbo碼比較的性能仿真。信號(hào)產(chǎn)生流程如圖4，原始數(shù)據(jù)首先經(jīng)過信道編碼、交織、符號(hào)映射，之后送入成幀器，加入訓(xùn)練序列，加入訓(xùn)練序列的目的是為了對(duì)抗多徑衰落，由于短波信道是典型的多徑信道，在接收端必須對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡，因此在發(fā)送端數(shù)據(jù)中加入相應(yīng)的訓(xùn)練序列，以保證均衡的效果。幀格式如圖5所示，其余體制和參數(shù)如下：

(1)符號(hào)速率：2400Baud；

(2)成型濾波：平方根升余弦濾波器，滾降因子0.25；過采樣因子4；

(3)信號(hào)頻率范圍：0.3～3.3 kHz；

(4)調(diào)制方式：BPSK；

(5)糾錯(cuò)碼：(3、1、7)卷積碼和1/3碼率Turbo碼(分量碼為(2，1，4)的RSC，生成多項(xiàng)式[ 1 0 1 0;1 0 1 1 ])；碼長3 000和12 000；

(6)交織方式：交織深度1幀；

(7)譯碼方式：卷積碼維特比譯碼，回溯深度34；Turbo碼譯碼采用SOVA算法，迭代次數(shù)為8。

均衡方式采用DFE，為減小定時(shí)誤差的影響，采用分?jǐn)?shù)間隔均衡方式，倍數(shù)為4，自適應(yīng)算法采用遞歸最小二乘(RLS)算法，遺忘因子0.96，對(duì)于每時(shí)隙進(jìn)行一次訓(xùn)練和均衡，均衡器的系數(shù)在時(shí)隙之間保持繼承性，這樣可以適應(yīng)信道的變化；針對(duì)三種信道的參數(shù)設(shè)置如表1所示，對(duì)于分?jǐn)?shù)間隔均衡，前饋系數(shù)除以分?jǐn)?shù)間隔倍數(shù)應(yīng)稍大于反饋系數(shù)[11]。

接收端，數(shù)據(jù)首先通過匹配濾波器，再進(jìn)行信道均衡，之后進(jìn)行解調(diào)、解交織和信道譯碼工作，恢復(fù)原始的數(shù)據(jù)。由于我國處于中緯度，因此后續(xù)的仿真都采用中緯度下的信道模型及參數(shù)。

圖4 信號(hào)產(chǎn)生流程

圖5 幀格式

圖6 數(shù)據(jù)恢復(fù)流程

3.1 AWGN信道

結(jié)果如圖7所示，可以看出在10-4誤比特率下，1/3碼率的Turbo碼相對(duì)于卷積碼(3、1、7)的編碼增益大約為2.5 dB左右。

圖7 AWGN信道下Turbo碼與卷積碼性能比較

3.2 HFMQ(短波中緯度靜態(tài))信道

HFMQ信道下，時(shí)延擴(kuò)展為0.5ms，多普勒擴(kuò)展為0.1Hz，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示，在HFMQ信道下，Turbo碼與卷積碼性能相當(dāng)。

圖8 HFMQ信道下性能(碼長1000，交織深度3000)

圖9 HFMQ信道下性能(碼長4000，交織深度12000)

3.3 HFMM(短波中緯度中等)信道條件

HFMM信道下，時(shí)延擴(kuò)展為1 ms，多普勒擴(kuò)展為0.5 Hz，仿真結(jié)果如圖10和圖11所示，交織深度為3 000時(shí)，Turbo碼相對(duì)于卷積碼的增益約為0.5 dB，而交織深度增加到12 000時(shí)，10-4誤比特率下，Turbo碼相對(duì)于卷積碼的增益約為2 dB。

圖10 HFMM信道下性能(碼長1 000，交織深度3 000)

圖11 HFMM信道下性能(碼長4 000，交織深度12 000)

3.4 HFMD(短波中緯度惡劣)信道

HFMD信道下，時(shí)延擴(kuò)展為2 ms，多普勒擴(kuò)展為1 Hz，仿真結(jié)果如圖12和圖13所示，交織深度為3 000時(shí)，10-4誤比特率下，Turbo碼相對(duì)于卷積碼的增益約為4 dB，交織深度為12 000時(shí)，增益為6 dB。

圖12 HFMD信道下性能(碼長1000，交織深度3000)

圖13 HFMD信道下性能(碼長4000，交織深度12000)

4 結(jié) 論

本文基于短波信道的Watterson模型，仿真了典型短波信道下Turbo碼的性能，以卷積碼作為參照。仿真結(jié)果表明，在AWGN信道及相同碼率下，Turbo相對(duì)于卷積碼的編碼增益可以達(dá)到2.5 dB左右，而在不同的短波信道下，Turbo碼相對(duì)于卷積碼的增益各不相同?；窘Y(jié)論是，信道條件越差，增益越大；交織深度越大，增益越大。仿真結(jié)論與某研究所項(xiàng)目中實(shí)測短波通信的數(shù)據(jù)完全吻合。該仿真結(jié)論可以為從事短波通信研究的研究人員提供相應(yīng)參考。

[1] ZHANG Lin, ZHANG Wei-min, Jeff T Ball, et al. An Extremely Robust Turbo Coded HF Modem [C]//IEEE Military Communications Conference, Salisbury, SA, Australia: Commun. Signal Process. Discipline, Defence Sci. & Technol. Organ., 1996: 691-695.

[2] Coulton P,Honary B,Darnell M,et al. Application of Turbo Codes to HF Data Transmission [C]// Seventh International Conference on HF Radio Systems and Techniques, UK: Lancaster Univ., 1997: 95-99.

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戚宗鋒(1973.04-)，男，碩士，高工，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⑾到y(tǒng)仿真與試驗(yàn)；

李保國(1977.03-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橥ㄐ判盘?hào)處理；

雷 菁(1968.03-),女，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾诺谰幋a、LPI通信。

Performance Simulation of Turbo Codes over HF Channel

QI Zong-feng1, LI Bao-guo2, LEI Jing2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System of China,Luoyang Henan 471003, China;2.School of Electronic Science and Engineering,National Univeristy of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

HF communication enjoys the advantages of good survivabicity and long-distance tranmission,and however, its available frequency could not be easily predicted due to heavily variant channels. Time-variety, Doppler shift and multipath fading of HF communication would result in the instability of its tranmission performance, while channel coding is an important technique to combat channel fading. Turbo codes with very high gain are applied to HF digital communications, thus to significantly improve the reliability of HF communications. Based on Watterson HF channel model, the performance of turbo codes over classical HF channels is simulated, and a series of metrics are obtained, and all this could serve as a guide for practical engineering applications.

HF; channel; turbo code; simulation

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.003

2015-01-03；

2015-03-23 Received date:2015-01-03；Revised date：2015-03-23

電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CEMEE2012K0303B)；國家自然科學(xué)基金(61101074)

Foundation Item:The State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System, China (No.CEMEE2012K0303B)； National Natural Science Foundation of China (No.61101074)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-0802(2015)05-0519-05