短波數(shù)傳中的Turbo均衡技術(shù)研究

郭凱豐，刁 鳴

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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短波數(shù)傳中的Turbo均衡技術(shù)研究

郭凱豐，刁 鳴

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

短波通信由于具有技術(shù)成熟、成本低、功耗低及通信范圍廣等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。短波通信以電離層作為傳輸介質(zhì)，其多徑效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_(Inter-Symbol Interference，ISI)現(xiàn)象，限制了無(wú)線傳輸?shù)乃俣燃百|(zhì)量。為了提高系統(tǒng)可靠性，可采用Turbo均衡技術(shù)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，該技術(shù)利用Turbo編譯碼思想，結(jié)合信道均衡與譯碼處理，通過(guò)迭代以達(dá)到消除ISI的目的，因其具有良好的性能，得到了廣泛的應(yīng)用。在介紹數(shù)字化短波數(shù)傳通信系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)Turbo均衡在短波數(shù)傳體系的應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究，并完成了整個(gè)信號(hào)處理流程的設(shè)計(jì)及仿真，驗(yàn)證了其抑制ISI的功能。

短波通信；Turbo均衡；MAP算法；碼間串?dāng)_

0 引言

短波通信又稱高頻通信，其工作頻率范圍為3～30 MHz(波長(zhǎng)100～10 m)，主要利用天波經(jīng)電離層反射，無(wú)需建立中繼站即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于大氣電離層幾乎無(wú)法被摧毀，使短波通信成為軍事通信的重要手段之一[1]。由于信號(hào)傳輸過(guò)程受短波信道特性影響及干擾會(huì)造成失真，使接收端發(fā)生錯(cuò)誤判決，從而嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)整體性能。為了提高系統(tǒng)接收性能，傳統(tǒng)接收機(jī)都采用信道編碼及信道均衡技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理。本文采用的Turbo均衡技術(shù)是依據(jù)Turbo碼原理改進(jìn)得到的，將信道均衡及信道譯碼聯(lián)合進(jìn)行處理，可通過(guò)多次迭代提高系統(tǒng)性能[2]，其中Turbo均衡最經(jīng)典的算法為最大后驗(yàn)概率算法(Maximum a-posteriori Probability， MAP)。

1 數(shù)字化短波通信系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件電路由發(fā)射端及接收端構(gòu)成。發(fā)射端由卷積編碼器、交織器和BPSK調(diào)制器組成；接收端由BPSK解調(diào)器以及Turbo均衡、解交織及譯碼聯(lián)合接收機(jī)組成。通過(guò)在接收端進(jìn)行聯(lián)合均衡譯碼處理，可實(shí)現(xiàn)抑制ISI及卷積碼前向糾錯(cuò)功能[3]。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)發(fā)射端處理過(guò)程

該系統(tǒng)采用(2，1，7)卷積碼編碼方式，其8進(jìn)制生成系數(shù)為G1=133，G2=171。二進(jìn)制輸入序列ak的長(zhǎng)度為k，為了避免潛在錯(cuò)誤，在編碼中引入冗余，編碼后的結(jié)果為bk，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N,N>K。

為了克服傳輸過(guò)程中突發(fā)連續(xù)錯(cuò)誤的影響，系統(tǒng)選取循環(huán)交織器將連續(xù)錯(cuò)誤分散化，使系統(tǒng)具有糾正較長(zhǎng)突發(fā)錯(cuò)誤的能力。經(jīng)過(guò)交織器后，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不變，交織結(jié)果ck為編碼輸出序列bk按預(yù)定交織規(guī)則重新排列的結(jié)果。接收端在譯碼前進(jìn)行解交織處理，其處理方式為交織的逆過(guò)程。

1.2 ISI信道傳輸特性

短波信道是一種時(shí)變信道，具有多徑、衰落等現(xiàn)象，在時(shí)域和頻移的特性是不規(guī)律變化的[4]。在假定信道參數(shù)已知(實(shí)際中可通過(guò)信道參數(shù)估計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn))的情況下，發(fā)射端調(diào)制好的發(fā)送序列xk通過(guò)線性時(shí)不變的ISI信道，并受加性高斯白噪聲干擾影響。接收到的波形通過(guò)接收前端的匹配濾波器，其接收的數(shù)據(jù)樣本為：

(1)

圖2 信道等效離散結(jié)構(gòu)

1.3 聯(lián)合均衡及譯碼的基本原理

(2)

信道均衡的作用為抑制或降低碼間串?dāng)_(ISI)效應(yīng)。從濾波器的觀點(diǎn)來(lái)看，信道均衡的效果可以等效為一個(gè)可對(duì)信道頻率響應(yīng)進(jìn)行“白化”處理的濾波器，即：

(3)

傳統(tǒng)接收端的均衡和譯碼是2個(gè)獨(dú)立模塊，2部分的操作是分別執(zhí)行的，于是2個(gè)模塊間的交互作用被切斷，影響了系統(tǒng)性能。當(dāng)信道環(huán)境惡劣時(shí)，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，可以考慮選擇將均衡及譯碼聯(lián)合進(jìn)行。Turbo均衡[7-8]思想使均衡和譯碼聯(lián)合進(jìn)行并多次迭代[9-10]，使用了可利用軟信息的信道均衡算法及卷積碼的譯碼算法，二者間通過(guò)傳遞軟信息實(shí)現(xiàn)信息交流，因此系統(tǒng)性能得到了大幅提高[11-13]。該流程在聯(lián)合均衡及譯碼流程的基礎(chǔ)上增加了交織及解交織過(guò)程，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能[14]。Turbo均衡的復(fù)雜度高于傳統(tǒng)均衡算法，但可在一定復(fù)雜度的情況下極大地降低系統(tǒng)誤碼率。

2 Turbo均衡及迭代處理

經(jīng)典Turbo均衡算法包括最大后驗(yàn)概率(MAP)均衡算法、基于MMSE的線性均衡算法(MMSE-LE)、基于MMSE的近似均衡算法(APP-MMSE)等[15]。該系統(tǒng)均衡器選擇MAP均衡算法，因其是基于碼元誤碼率最小的算法，具有最好的性能，但算法的缺點(diǎn)為復(fù)雜度較高。系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Turbo均衡接收端結(jié)構(gòu)圖

(4)

信道輸出由ISI信道及其抽頭系數(shù)決定，其輸出過(guò)程可通過(guò)圖4所示編碼器的網(wǎng)格圖表示，網(wǎng)格圖結(jié)構(gòu)由ISI信道特性決定。可得到ISI信道的無(wú)噪聲輸出結(jié)果為[-1.63,-0.815,0,0.815,1.63]。

圖4 ISI信道(B型)網(wǎng)格圖

(5)

(6)

利用聯(lián)合分布性質(zhì)，上式可分解為：

(7)

令：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

將式(6)、式(7)和式(14)代入式(15)可得：

(16)

由此得到均衡器輸出的后驗(yàn)信息。

從均衡器及譯碼器輸出的后驗(yàn)信息并非純粹的外信息，而是包含有輸入的先驗(yàn)信息，減去先驗(yàn)信息的影響后才能成為這些碼字的外部信息。均衡器的外信息為：

(17)

外部信息經(jīng)過(guò)解交織處理送入譯碼模塊，可得譯碼器輸出的外信息為：

(18)

譯碼后輸出的外信息經(jīng)過(guò)交織處理，輸入到均衡器，作為其下次迭代的先驗(yàn)信息，至此完成一次迭代處理過(guò)程[18]。

MAP算法的思想為將ISI信道視為一個(gè)卷積編碼器，利用網(wǎng)格圖處理，將信道均衡轉(zhuǎn)換為信道譯碼進(jìn)行處理，是性能最好的均衡算法，但算法的缺點(diǎn)為運(yùn)算量較大。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算量，Tüchler等人提出了基于MMSE的線性Turbo均衡算法[17]，通過(guò)減小觀察樣本空間的方法達(dá)到一定程度的簡(jiǎn)化運(yùn)算量的目的，但該算法仍包含大量的矩陣求逆運(yùn)算，是一種以犧牲部分系統(tǒng)性能從而簡(jiǎn)化運(yùn)算量的一種次優(yōu)算法。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化運(yùn)算量，Tüchler等人提出了基于MMSE的近似均衡算法(APP-MMSE)，采用了固定抽頭系數(shù)，進(jìn)一步降低了運(yùn)算量。幾種算法的運(yùn)算量比較如表1所示。

表1 不同均衡算法運(yùn)算量比較

3 信道均衡算法仿真及性能分析

由表1可知，MAP算法運(yùn)算量最大，與ISI信道階數(shù)呈指數(shù)關(guān)系；MMSE-LE算法運(yùn)算量與估計(jì)濾波器長(zhǎng)度和ISI信道階數(shù)呈平方關(guān)系；APP-MMSE算法運(yùn)算量最低，與估計(jì)濾波器長(zhǎng)度和ISI信道階數(shù)呈線性關(guān)系。3種算法經(jīng)Prokais B信道傳輸，并進(jìn)行9次迭代后的性能仿真如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，因MAP算法采用了最優(yōu)準(zhǔn)則，因此性能最好，但缺點(diǎn)為運(yùn)算量較大；MMSE-LE算法的性能次之，但隨著信噪比增加，其性能逐漸接近于MAP算法的性能；APP-MMSE算法由于對(duì)先驗(yàn)信息做了較為極端的假設(shè)，因而其性能有所欠缺。

由于本文主要追求系統(tǒng)性能的提升，因此系統(tǒng)譯碼器選擇MAP算法，以運(yùn)算量較大的代價(jià)下力圖盡量提升系統(tǒng)性能。

接下來(lái)采用蒙特卡洛方法分析Turbo均衡器性能，采用重復(fù)傳送隨機(jī)數(shù)序列的方式進(jìn)行。選取系統(tǒng)輸入碼率為600 bps，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)1 024位情況進(jìn)行傳輸，共傳送1 000幀。發(fā)射端經(jīng)(2,1,7)卷積碼編碼、交織、BPSK調(diào)制后經(jīng)B信道傳輸。接收端經(jīng)接收前端處理后，經(jīng)過(guò)BPSK解調(diào)，并輸入至Turbo均衡和譯碼聯(lián)合接收機(jī)處理。選取迭代次數(shù)設(shè)置為4次，在不同信噪比條件下進(jìn)行仿真，其誤碼率曲線如圖6所示。

圖6 Turbo均衡及迭代處理的誤碼率

分析Turbo均衡的誤碼率曲線特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)誤碼率性能曲線可劃分為3部分，即低性能區(qū)、瀑布區(qū)和錯(cuò)誤平層區(qū)。在信道條件惡劣的情況下，由于充分利用外信息的影響，隨著迭代次數(shù)的增加，系統(tǒng)性能越來(lái)越高。最初迭代的編碼增益較高，但經(jīng)過(guò)4次迭代后，性能變化逐漸緩慢，趨于收斂。另外，當(dāng)信噪比值增大至約7 dB以后，系統(tǒng)誤碼率進(jìn)入錯(cuò)誤平層區(qū)，不再因迭代次數(shù)增加或信噪比增大而有明顯改善。通過(guò)仿真可以證明Turbo均衡器具有優(yōu)異的抗多徑效應(yīng)及抗噪聲干擾的性能，具有良好的工程可實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

信道均衡技術(shù)是通信系統(tǒng)中抗惡劣信道影響的重要手段，傳統(tǒng)均衡器的性能并不理想，降低了系統(tǒng)性能。Turbo均衡的優(yōu)點(diǎn)在于聯(lián)合進(jìn)行均衡和譯碼處理，并通過(guò)多次迭代，能夠大幅提高系統(tǒng)性能。實(shí)時(shí)的Turbo均衡由于運(yùn)算量較大，在以往應(yīng)用中受制于硬件運(yùn)算速度，但隨著目前硬件水平的發(fā)展，硬件平臺(tái)的運(yùn)算速度已不再成為Turbo均衡技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。隨著短波數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，短波信道的均衡技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)采用的基于MAP算法的Turbo均衡及譯碼算法可在計(jì)算機(jī)及通用硬件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，可得出如下結(jié)論：Turbo均衡器具有良好的性能，可抑制ISI效應(yīng)，從而帶來(lái)明顯的性能提升，且具有良好的工程可實(shí)現(xiàn)性。

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Research on Turbo-equalization in Short-wave Digital Transmission Communication Systems

GUO Kai-feng, DIAO Ming

(College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China)

Short-wave communication is widely used in military, business and other fields, due to its advantages of mature technology, low cost and power consumption and long communication distance. However, the performance of short-wave communication systems is seriously influenced by inter-symbol interference (ISI) caused by the reflection of ionosphere such as multipath effect. These phenomena restrict the capacity of the channel and the speed of data transmission through wireless. To improve system reliability, Turbo equalization is used to process the

signals. With the idea of Turbo codes, Turbo equalization combines equalization with decoding to mitigate ISI through an iterative approach. This solution is widely used due to its outstanding performance. The main purpose of this paper is to introduce the short-wave digital communication system, and mainly studies the application of Turbo equalization in short wave digital system. The design and simulation of the whole process of signal processing are completed, and the ISI suppression function is verified.

short-wave communication; Turbo equalization; MAP; ISI

2017-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61571149)

郭凱豐(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字通信系統(tǒng)；刁 鳴(1960—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：寬帶信號(hào)檢測(cè)、處理與識(shí)別，通信信號(hào)處理。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.14

郭凱豐，刁鳴. 短波數(shù)傳中的Turbo均衡技術(shù)研究[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(5):62-66.

[GUO Kaifeng, DIAO Ming. Research on Turbo-equalization in Short-wave Digital Transmission Communication Systems [J]. Radio Communications Technology, 2017, 43(5):62-66.]

TP914.3

A

1003-3114(2017)05-62-5