基于Turbo均衡的新型短波調制解調器

摘 要： 短波信道是典型的瑞利慢衰落信道，多徑延遲、多普勒頻移和選擇性衰落均會對短波數據調制解調器產生嚴重影響，為了更好地利用短波信道來實現高性能數據傳輸，抵抗多種因素帶來的傳輸誤碼問題，提出一種基于短交織LDPC編碼和Turbo迭代均衡相結合的高性能調制解調技術，并通過算法推衍、波形設計、仿真驗證等過程論證了算法適用性及波形合理性，具有很高實用價值，可在數字短波通信設備上推廣應用。

關鍵詞： 低密度奇偶校驗碼； Turbo均衡； 軟輸入軟輸出； 短波數據

中圖分類號： TN763?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0089?04

0 引 言

基于高頻信道（3～30 MHz）的傳輸波形通常采用2 400 b/s固定符號速率的串行單音體制，該技術體制相比正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiple，OFDM）體制具有更低的峰均比以及更好的抗多普勒頻移的能力，所以逐漸成為短波調制解調器的首選技術。但要設計一個具有良好傳輸性能的高性能串行短波調制解調器，就要考慮碼間串擾和信號衰落等造成的性能影響[1]，克服信號衰落常用的方法是采用交織和編解碼技術，克服碼間串擾常用的方法是采用信道自適應均衡技術，設計高性能短波調制解調器需要兼顧編譯碼和自適應均衡兩方面。

短波信道常用的信道均衡技術有改進型卡爾曼濾波（Kalman）算法、NDDE均衡濾波算法和Turbo迭代均衡算法，常用的信道編解碼有卷積碼、RS（Reed?Solomon）碼和低密度奇偶校驗碼（Low?Density Parity?Check，LDPC）碼等。考慮到實現復雜度、誤碼性能及傳輸延時等多方面因素，采用基于短交織LDPC編譯碼的MMSE LE迭代均衡不僅可以達到最大后驗概率（Maximum A Posteriori，MAP）的均衡性能[2?3]，而且能夠采用TI公司的TMS320C6713以上的處理器就可支持[8]。

以往的研究主要從Turbo均衡或LDPC編譯碼技術單方面論述，很少給出完整解決方案，實踐指導性不強。為此本文基于多年理論研究成果和產品開發經驗，提出了一種高性能短波調制解調器設計方法，此方法具有很高實用價值，可在數字短波通信設備上推廣應用。

1 Turbo均衡原理

Turbo均衡原理[7]是在均衡器和譯碼器之間通過反復迭代交換似然信息，以達到誤比特率（Bit Error Ratio，BER）最小，從而獲得最佳接收的技術。典型Turbo均衡原理實現框圖如圖1所示。

2 算法實現

3 波形設計

設計1 200 b/s波形為例，其他速率波形可通過變換未知碼元和訓練碼元的個數或時間分集得到。波形結構如圖3所示，用于信道控制的ALC/AGC長度為288個符號，時長120 ms，用于同步捕獲和信道參數初始估計的同步頭長度為480個符號，時長200 ms，交織塊長度為768個符號，交織延時320 ms，每個交織塊再由3個碼塊組成，每個碼塊由160個未知符號和96個已知符號組成調制體制QPSK。

LDPC編碼時，首先將384 b有效信息經過前面補零擴充為576 b，然后經過LDPC編碼器輸出產生1 152 b輸出，最后將1 152 b的前面192比特0去除得到960 b最終編碼輸出，實際碼率為0.4。

4 性能仿真

采用基于實際碼率0.4的LDPC編碼和Turbo均衡算法的1 200 b/s波形，其性能指標將優于美軍標MIL?STD?188?110A標準1 200 b/s波形[5]2～3 dB，相比基于卷積編碼的Turbo均衡算法優[2?4]1～2 dB。圖5（a）表示了高斯白噪聲下性能仿真曲線，圖5（b）表示了CCIR標準差信道（多徑2 ms，衰落1 Hz）下的性能曲線。

從仿真結果來看：在高斯白噪聲下誤比特率為10-5時SNR<2 dB，Poor信道誤比特率為10-5時SNR<12 dB。

5 結 語

本文結合短波衰落信道特性和Turbo均衡基本理念，提出了一種基于LDPC編碼和MMSE迭代均衡技術的短波調制解調器實現方案，通過性能仿真和實際驗證，不僅在性能上優于美軍標MIL?STD?188?110A關于1 200 b/s的波形設計，而且基本達到最大后驗概率MAP算法的判決性能，具有很高的應用推廣價值。

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作者簡介：王小軍 男，1975年出生，陜西三原人，碩士，工程師。研究方向為無線電通信領域調制解調及組網技術。