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不是很穩定的電離層反射無線電波實現通信，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展，不斷涌現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造的伽羅華域(Galois Field)中的數學關系來把傳送數據包的每個字節映射成伽羅華域中的一個元素，每個數據包都按碼生成多項式為若干個字節的監督校驗字節，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。卷積碼的監督碼元并不實行分組監督，每一個監督碼元都要對前后的信息單元起監督作用，整個編譯碼過程也是一環扣一環，連鎖地進行下去[2]。卷積碼主要優點是：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，在實現隨機編碼思想的同時，通過交織器實現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境下，不僅性能優越，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，設置的主要參數為最大多普勒頻移。在加性高斯白噪聲信道中，主要參數為信噪比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數量級，顯示了優異的糾錯性能。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碼具有優越的糾錯性能，不僅在信噪比較低的高噪聲環境下性能優越，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勤、處突的通信保障能力。

參考文獻：

[1]黨百振.一種二級級聯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