短波通信糾錯編碼技術研究

孫洪俠,周　歌（.　武警北京市總隊第八支隊勤務中隊網絡管理站,北京　0600;　.武警警官學院信息工程系,成都　603）

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短波通信糾錯編碼技術研究

孫洪俠1,周歌2
（1.武警北京市總隊第八支隊勤務中隊網絡管理站,北京102600;2.武警警官學院信息工程系,成都610213）

摘 要：短波通信具有設備簡單，機動性好，通信距離遠等許多優(yōu)勢，是武警部隊通信保障的“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編碼技術：RS碼、卷積碼、Turbo碼，并建立Simulink仿真模型，可以看出Turbo碼糾錯性能最佳，能夠滿足日常通信保障需求。

關鍵詞：糾錯編碼；短波通信；Simulink

1　短波通信及糾錯編碼技術發(fā)展概述

短波通信又稱高頻（HF）通信，是利用頻率為3MHz～30MHz的電磁波進行的無線電通信。短波通信因其具有通信距離較遠、通信機動靈活、可迅速開通、網絡重構方便快捷等特點，是武警部隊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現(xiàn)通信，短波通信的信道存在干擾復雜、衰落嚴重、多徑傳播等特性，使得實現(xiàn)有效、可靠的短波通信技術變得復雜，難度增大。為了提高短波通信的可靠性，糾錯編碼技術應運而生。經過半個多世紀的發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出各種信道編碼方案，目前應用較多的糾錯編碼技術包括RS碼、卷積碼、Turbo碼。

2　常用的糾錯編碼技術原理

2.1RS碼

RS碼，是一種重要的線性分組編碼方式。該編碼技術是利用伽羅華創(chuàng)造的伽羅華域(Galois Field)中的數(shù)學關系來把傳送數(shù)據包的每個字節(jié)映射成伽羅華域中的一個元素，每個數(shù)據包都按碼生成多項式為若干個字節(jié)的監(jiān)督校驗字節(jié)，組成RS的誤碼保護包，接收端則按校驗矩陣來校驗接收到的誤碼保護包是否有錯，有錯時則在錯誤允許的范圍內糾錯。RS糾錯編碼具有很強的糾正突發(fā)誤碼的能力。它的糾錯能力強，并且構造方便，編碼簡單，編譯碼設備也不太復雜，被廣泛應用在各種通信和計算機存儲系統(tǒng)中[1]。

2.2卷積碼

卷積碼是一種非分組編碼，適用于前向糾錯法。卷積碼的監(jiān)督碼元并不實行分組監(jiān)督，每一個監(jiān)督碼元都要對前后的信息單元起監(jiān)督作用，整個編譯碼過程也是一環(huán)扣一環(huán)，連鎖地進行下去[2]。卷積碼主要優(yōu)點是：第一，編碼復雜度非常低，具有線性編碼復雜度；第二，譯碼復雜度主要由卷積碼的約束長度決定，一般譯碼復雜度不高；第三，非常適合用在有干擾信號主要是加性高斯白噪聲的信道上。缺點主要是：第一，數(shù)據塊長度較長的時候性能下降。第二，當約束長度增加時，其譯碼復雜度成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，由于它很好地應用了shannon信道編碼定理中的隨機性編譯碼條件，從而獲得了幾乎接近Shannon理論極限的譯碼性能。Turbo碼又稱并行級聯(lián)卷積碼，它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起，在實現(xiàn)隨機編碼思想的同時，通過交織器實現(xiàn)了由短碼構造長碼的方法，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，而且還具有很強的抗衰落和抗干擾能力。

3　短波通信糾錯編碼技術仿真分析

為比較三種糾錯編碼技術性能，采用Matlab中的Simulink模塊進行仿真分析。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。

運行模型，設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)錯誤能力較強；卷積碼在加性高斯白噪聲信道中誤碼率較低，抗隨機錯誤能力較強；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，誤碼率均達到了10-4數(shù)量級，顯示了優(yōu)異的糾錯性能。但Turbo碼存在“地板效應”，即誤碼率下降到一定程度再下降就很慢了。

4　結論

本文介紹了三種重要的糾錯編碼方式：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，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力。經過分析，短波電臺信號通過Turbo碼編譯碼技術實現(xiàn)信道編碼，通信的整體抗干擾能力和質量都得到很大的提升，可以進一步提高武警部隊日常執(zhí)勤、處突的通信保障能力。

參考文獻：

[1]黨百振.一種二級級聯(lián)糾錯編碼的設計與分析[J].移動通信, 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, 2013.

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

作者簡介：孫洪俠（1986-），女，河北滄縣人，本科，助理工程師，研究方向：網絡維護與管理。

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