短波數據通信糾錯技術研究

田杰，李林峰

（西安烽火電子科技有限責任公司，陜西西安，710000）

1 短波傳輸原理

短波一般是指頻率在3～30MHz的頻段，其波長一般在10～100米，是應用最廣的無線通信技術之一。隨著短波應用的推廣，短波的頻段已被擴展至1.5～30MHz。短波傳播過程中進故宮電離層的反射，發射到較遠距離的接收端，其傳播特點適應于遠距離的無線通信。由于電離層受多種復雜環境因素影響，其特性會隨著時間發生變化，電離層特性具有時變性，會對短波傳輸產生不穩定的干擾，從而導致短波傳輸的穩定性較差，傳播過程中會產生較大的噪聲干擾。為提升短波信號傳播質量，出現了一些新的信號質量改善技術，例如信道編碼技術、擴頻技術等。由于短波傳輸具有很強的抗毀能力，且系統建設成本低，仍然是一種不可被完全替代的通信手段。

短波的傳播途徑主要分為兩種，分別是天波和地波。其中，天波是主要傳播途徑，主要是利用天線發射后，首先到達電離層，通過電離層的發射后回到地面，也有可能從地面重新發射，通過地面和電離層多次的發射后，信號傳輸至數千公里之外。但是由于天波具有時變性，其傳播路徑不穩定，當天氣條件發生變化時會對信號傳播產生干擾。由傳播路徑不同和電離層中電子密度發生變化，均會造成信號質量的下降，從而導致接收端的接收信號質量收到影響。天波的信號傳播過程如圖1所示。

圖1 天波信號傳播過程

短波的另外一種傳播路徑是地波，地波主要沿著大地表面進行傳播，由于水泥地面、建筑、山石、海水等地面介質的影響，不同介質將導致短波傳輸距離的不同。一般導電性能較差的介質將導致短波傳輸的損失較大，通信傳輸距離較短，例如沙石地面。反之，導電較好的介質其電波傳輸過程中損失較小，通信傳輸距離也較長，利于水介質，一般通信距離可長達幾十公里。但地波傳輸距離與天波相比要短很多，另外受樓宇和樹木的遮擋，也會造成電波的損失，一般電波發射天線需要架設在較高的位置，以提升傳播距離。地波傳播路徑過程如圖2所示。

圖2 地波傳播路徑過程

2 糾錯控制編碼技術

糾錯控制編碼技術是在發送序列上附件一部分冗余序列，當接收端接收到序列后，如果發生的錯誤碼在糾錯編碼的范圍內，可以利用冗余序列對錯誤進行糾正。其中，BCH碼能夠實現對多個錯碼進行糾正，是線性分組碼中應用較為廣泛的一種方法。另外，Turbo碼具有良好的糾錯性能，與香濃卷積碼性能相接近，但Turbo碼也存在不足之處，當發生錯誤平層現象時，無法進一步降低誤碼率，誤碼率將保持在一定區間內。RS碼編碼具有結構簡單、譯碼算法完備、較強的糾錯能力等優勢。可對Turbo和RS碼進行級聯應用，將錯誤比特變換為突發錯誤，利用RS碼可以實現對突發錯誤的糾正。

RS碼屬于前向糾錯形式的信道碼，屬于非二進制碼，時BCH碼中的一種特殊形式碼。RS碼在突發差錯校正方面的能力尤為突出，在實際工程中得到廣泛應用，在無線通信和數據存儲技術中均獲得應用。RS碼的譯碼分為兩類，一類為硬判決譯碼，另一類為軟判決譯碼。在兩類譯碼方法中包含了多種譯碼算法。其中，硬判決譯碼的研究和應用相對成熟，但該方法未能充分應用信號中的“軟信息”，其譯碼性能由一定的損失。硬判決譯碼過程主要分了四個步驟，第一是求出校正因子，第二是對錯誤位置多項式進行求解，第三是對估值函數進行求解，最后是求出錯誤的位置和錯誤數據，完成糾錯。軟判決譯碼方法可以分為多種算法，其中包括Forney提出的GMD算法，該算法基礎上又衍生出Chase算法[5]。Sundan提出了一種基于代數序列的軟譯碼算法，其與硬判決譯碼算法相比性能更優，。Koetter提出的KV算法為RS碼開拓了一個新的研究方向，該算法具有良好性能，對重數矩陣進行轉換，將內插值轉換為可信度信息，對初始多項式進行了改進，是算法表現出良好的性能，但該算法結構比較復雜。BM算法是目前應用較為廣泛的算法，其結構簡單，且對場景適應能力強，本文采用BM硬判決譯碼算法作為RS碼的譯碼算法。

3 Turbo編譯碼

Turbo編譯碼器主要又兩個分量編碼器和一個隨機交織器構成，進行編碼后需要對校驗位進行刪減，然后與系統信息一起作為編碼器的輸出。Turbo編碼器主要又四個模塊組成，分別為交織器、分量器、刪余器和復用器，兩個分量器選用相同的結構，對非對稱碼同樣具有很好的性能[6]。Turbo編碼器結構如圖3所示。

圖3 Turbo編碼器結構

編碼過程中，信息序列共分成了三路，其中一路被直接輸入到復用器，成為復用器的輸入數據。另一路被輸入值分量編碼器1中，最后一路經過交織器后產生新的序列，重新產生的新序列的長度和數據內容不發生改變，器比特位置與原位置可能發生變化。Turbo譯碼器將分量碼進行并聯處理，同時利用交織器對信息序列完成編碼。在譯碼過程中，如果能對分量譯碼器的輸出量進行合理處理，則能夠降低數據傳輸的誤碼率，利用軟判決方法可以實現更好的譯碼效果。Turbo譯碼器結構如圖4所示，主要包含了兩個分量編碼器和交織器。分量編碼器進行譯碼后的剩余信息稱之為外信息，將外信息進行交織處理后，將其作為分量譯碼器2的先驗信息。在分量譯碼器中同樣進行上述操作，進行信息的迭代。通過多次迭代后，兩個譯碼器間的交換信息達到平衡，誤碼率達到設計要求，完成譯碼過程。

圖4 Turbo譯碼器結構

4 結論

在短波通信系統中，編譯碼和編碼糾錯技術是短波通信的兩個關鍵技術。文中介紹了短波的兩種傳播路徑，分別為天波和地波傳播原理和特性，并對影響短波傳輸的主要因素進行分析，主要包括多路徑效應、多普勒現象和傳播過程的信號衰減。重點分析了Turbo碼編碼和解碼過程，并提出將RS-Turbo級聯碼作為信道編碼，以此提高系統糾錯能力，降低短波傳輸過程的誤碼率。