短波數傳中的Turbo均衡技術研究

郭凱豐，刁 鳴

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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短波數傳中的Turbo均衡技術研究

郭凱豐，刁 鳴

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

短波通信由于具有技術成熟、成本低、功耗低及通信范圍廣等特點，因此被廣泛應用。短波通信以電離層作為傳輸介質，其多徑效應會產生碼間串擾(Inter-Symbol Interference，ISI)現象，限制了無線傳輸的速度及質量。為了提高系統可靠性，可采用Turbo均衡技術對接收信號進行處理，該技術利用Turbo編譯碼思想，結合信道均衡與譯碼處理，通過迭代以達到消除ISI的目的，因其具有良好的性能，得到了廣泛的應用。在介紹數字化短波數傳通信系統方案的基礎上，對Turbo均衡在短波數傳體系的應用進行了重點研究，并完成了整個信號處理流程的設計及仿真，驗證了其抑制ISI的功能。

短波通信；Turbo均衡；MAP算法；碼間串擾

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100～10 m)，主要利用天波經電離層反射，無需建立中繼站即可實現遠距離通信。由于大氣電離層幾乎無法被摧毀，使短波通信成為軍事通信的重要手段之一[1]。由于信號傳輸過程受短波信道特性影響及干擾會造成失真，使接收端發生錯誤判決，從而嚴重影響了通信系統整體性能。為了提高系統接收性能，傳統接收機都采用信道編碼及信道均衡技術進行預處理。本文采用的Turbo均衡技術是依據Turbo碼原理改進得到的，將信道均衡及信道譯碼聯合進行處理，可通過多次迭代提高系統性能[2]，其中Turbo均衡最經典的算法為最大后驗概率算法(Maximum a-posteriori Probability， MAP)。

1 數字化短波通信系統

系統硬件電路由發射端及接收端構成。發射端由卷積編碼器、交織器和BPSK調制器組成；接收端由BPSK解調器以及Turbo均衡、解交織及譯碼聯合接收機組成。通過在接收端進行聯合均衡譯碼處理，可實現抑制ISI及卷積碼前向糾錯功能[3]。系統基本結構如圖1所示。

圖1 系統基本結構圖

1.1 系統發射端處理過程

該系統采用(2，1，7)卷積碼編碼方式，其8進制生成系數為G1=133，G2=171。二進制輸入序列ak的長度為k，為了避免潛在錯誤，在編碼中引入冗余，編碼后的結果為bk，其數據長度為N,N>K。

為了克服傳輸過程中突發連續錯誤的影響，系統選取循環交織器將連續錯誤分散化，使系統具有糾正較長突發錯誤的能力。經過交織器后，數據長度不變，交織結果ck為編碼輸出序列bk按預定交織規則重新排列的結果。接收端在譯碼前進行解交織處理，其處理方式為交織的逆過程。

1.2 ISI信道傳輸特性

短波信道是一種時變信道，具有多徑、衰落等現象，在時域和頻移的特性是不規律變化的[4]。在假定信道參數已知(實際中可通過信道參數估計來實現)的情況下，發射端調制好的發送序列xk通過線性時不變的ISI信道，并受加性高斯白噪聲干擾影響。接收到的波形通過接收前端的匹配濾波器，其接收的數據樣本為：

(1)

圖2 信道等效離散結構

1.3 聯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擾(ISI)效應。從濾波器的觀點來看，信道均衡的效果可以等效為一個可對信道頻率響應進行“白化”處理的濾波器，即：

(3)

傳統接收端的均衡和譯碼是2個獨立模塊，2部分的操作是分別執行的，于是2個模塊間的交互作用被切斷，影響了系統性能。當信道環境惡劣時，為進一步提高系統性能，可以考慮選擇將均衡及譯碼聯合進行。Turbo均衡[7-8]思想使均衡和譯碼聯合進行并多次迭代[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，二者間通過傳遞軟信息實現信息交流，因此系統性能得到了大幅提高[11-13]。該流程在聯合均衡及譯碼流程的基礎上增加了交織及解交織過程，進一步提高了系統性能[14]。Turbo均衡的復雜度高于傳統均衡算法，但可在一定復雜度的情況下極大地降低系統誤碼率。

2 Turbo均衡及迭代處理

經典Turbo均衡算法包括最大后驗概率(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，但算法的缺點為復雜度較高。系統接收端結構圖如圖3所示。

圖3 Turbo均衡接收端結構圖

(4)

信道輸出由ISI信道及其抽頭系數決定，其輸出過程可通過圖4所示編碼器的網格圖表示，網格圖結構由ISI信道特性決定。可得到ISI信道的無噪聲輸出結果為[-1.63,-0.815,0,0.815,1.63]。

圖4 ISI信道(B型)網格圖

(5)

(6)

利用聯合分布性質，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信息。

從均衡器及譯碼器輸出的后驗信息并非純粹的外信息，而是包含有輸入的先驗信息，減去先驗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)

外部信息經過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過交織處理，輸入到均衡器，作為其下次迭代的先驗信息，至此完成一次迭代處理過程[18]。

MAP算法的思想為將ISI信道視為一個卷積編碼器，利用網格圖處理，將信道均衡轉換為信道譯碼進行處理，是性能最好的均衡算法，但算法的缺點為運算量較大。為了簡化運算量，Tüchler等人提出了基于MMSE的線性Turbo均衡算法[17]，通過減小觀察樣本空間的方法達到一定程度的簡化運算量的目的，但該算法仍包含大量的矩陣求逆運算，是一種以犧牲部分系統性能從而簡化運算量的一種次優算法。在此基礎上，為了進一步簡化運算量，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，進一步降低了運算量。幾種算法的運算量比較如表1所示。

表1 不同均衡算法運算量比較

3 信道均衡算法仿真及性能分析

由表1可知，MAP算法運算量最大，與ISI信道階數呈指數關系；MMSE-LE算法運算量與估計濾波器長度和ISI信道階數呈平方關系；APP-MMSE算法運算量最低，與估計濾波器長度和ISI信道階數呈線性關系。3種算法經Prokais B信道傳輸，并進行9次迭代后的性能仿真如圖5所示。

根據圖5可知，因MAP算法采用了最優準則，因此性能最好，但缺點為運算量較大；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算法由于對先驗信息做了較為極端的假設，因而其性能有所欠缺。

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

接下來采用蒙特卡洛方法分析Turbo均衡器性能，采用重復傳送隨機數序列的方式進行。選取系統輸入碼率為600 bps，數據幀長1 024位情況進行傳輸，共傳送1 000幀。發射端經(2,1,7)卷積碼編碼、交織、BPSK調制后經B信道傳輸。接收端經接收前端處理后，經過BPSK解調，并輸入至Turbo均衡和譯碼聯合接收機處理。選取迭代次數設置為4次，在不同信噪比條件下進行仿真，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可以發現誤碼率性能曲線可劃分為3部分，即低性能區、瀑布區和錯誤平層區。在信道條件惡劣的情況下，由于充分利用外信息的影響，隨著迭代次數的增加，系統性能越來越高。最初迭代的編碼增益較高，但經過4次迭代后，性能變化逐漸緩慢，趨于收斂。另外，當信噪比值增大至約7 dB以后，系統誤碼率進入錯誤平層區，不再因迭代次數增加或信噪比增大而有明顯改善。通過仿真可以證明Turbo均衡器具有優異的抗多徑效應及抗噪聲干擾的性能，具有良好的工程可實現性。

4 結束語

信道均衡技術是通信系統中抗惡劣信道影響的重要手段，傳統均衡器的性能并不理想，降低了系統性能。Turbo均衡的優點在于聯合進行均衡和譯碼處理，并通過多次迭代，能夠大幅提高系統性能。實時的Turbo均衡由于運算量較大，在以往應用中受制于硬件運算速度，但隨著目前硬件水平的發展，硬件平臺的運算速度已不再成為Turbo均衡技術應用的瓶頸。隨著短波數字通信技術的發展，短波信道的均衡技術得到了廣泛的應用。該系統采用的基于MAP算法的Turbo均衡及譯碼算法可在計算機及通用硬件平臺上開發實現，通過驗證系統的性能，可得出如下結論：Turbo均衡器具有良好的性能，可抑制ISI效應，從而帶來明顯的性能提升，且具有良好的工程可實現性。

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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

國家自然科學基金面上項目(61571149)

郭凱豐(1992—)，男，碩士研究生，主要研究方向：數字通信系統；刁 鳴(1960—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：寬帶信號檢測、處理與識別，通信信號處理。

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

郭凱豐，刁鳴. 短波數傳中的Turbo均衡技術研究[J].無線電通信技術,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