短波信道下Turbo碼性能仿真分析*

戚宗鋒，李保國，雷 菁

(1. 電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,河南 洛陽 471003；2. 國防科技大學電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073)

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短波信道下Turbo碼性能仿真分析*

戚宗鋒1，李保國2，雷 菁2

(1. 電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室,河南 洛陽 471003；2. 國防科技大學電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073)

短波通信具有抗毀性好，傳輸距離遠的優勢，但同時也存在信道變化大，可用頻率難以預測的缺點。短波信道的時變性、多普勒頻移以及多徑衰落導致其傳輸性能不穩定，信道編碼是對抗信道衰落的一種重要技術，將編碼增益極高的Turbo碼引入到短波數字通信中，可大大提高短波通信的可靠性。基于Watterson短波信道模型，仿真了典型短波信道下Turbo碼的性能，得出了一系列量化性能指標，對實際工程應用具有一定的指導意義。

短波;信道;Turbo碼;仿真

0 引 言

短波通信的頻率范圍為3 MHz～30 MHz，主要利用天波經電離層反射后，無需建立中繼站即可實現遠距離通信。由于電離層的不可摧毀特性，短波通信始終是軍事指揮的重要手段之一。

短波通信的天波傳播因受電離層變化和多徑傳播的影響而極不穩定，信號傳輸多徑現象嚴重，延遲大，多普勒頻移大，衰落嚴重，獲得可靠的通信質量一直是短波通信追求的目標。

為對抗短波通信信道的衰落特性，可以采用分集接收、信道均衡以及信道編碼技術。在各種信道編碼技術中，Turbo碼是性能及其出眾的一種，精心設計的Turbo碼可以達到接近香農限的性能。Turbo碼在各種標準中得到了廣泛的應用，如WCDMA等。

一些研究人員研究了Turbo碼在短波通信中的應用。文獻[1]設計了一種短波調制解調器，采用Turbo碼代替傳統的卷積碼，在AWGN信道下可以帶來1dB的性能增益，而在短波測試信道下可以帶來2dB的增益，短波信道采用的是CCIR good測試模型。文獻[2]研究了MAP和SOVA兩種譯碼算法，給出了這兩種方法在AWGN信道下的性能，并且討論了交織器的影響。文獻[3]將短波信道等效為一個相關衰落模型，在充分交織和未充分交織情況下仿真了其性能。這些工作都沒有完善地考慮短波信道的模型，并且在接收時沒有考慮到采用自適應均衡器來對抗短波信道的多徑時變衰落特性。

本文將Turbo碼引入到短波數字通信中，并在譯碼之前采用自適應判決反饋均衡器(DFE)進行信道均衡，可以期望得到較好的性能。本文旨在通過仿真手段檢驗短波信道下Turbo碼的性能，第1節說明了短波信道及其仿真模型；第2節給出了Turbo碼的基本原理和譯碼算法；第3節給出了仿真的過程；最后進行了全文總結。

1 短波信道特性及其仿真模型

短波信道為時變多徑衰落信道，Watterson模型是公認的一種較好的短波信道模型，全面考慮了瑞利衰落、多徑時延以及多普勒效應等特性。Watterson模型由C.C.Watterson等人在1969年提出[5]，被美國電信科學協會(ITS)證明是一種性能良好的信道模型。后來，在1986年CCIR的549-2報告中，將此模型作為一種典型的短波信道模型加以推薦[6],國內已經有人對Watterson模型進行了改進[7]。

圖1 Watterson信道模型原理框圖

如圖1，路徑增益函數是兩個具有相互獨立的瑞利振幅分布的零均值的復高斯函數。

Gi(t)=Gia(t)exp(j2πfiat)+Gib(t)exp(j2πfibt)

(1)

ITU-R為仿真短波數字通信系統的性能建議了測試信道，在ITU-RF520中定義了三種測試信道，在ITU-RF.1487定義了十種測試信道。這些測試信道均為Watterson兩徑抽頭延遲線模型，根據所在緯度以及電離層變化的情況可分為若干種情況，具體見文獻[8]。

2 Turbo碼編碼與譯碼

2.1Turbo碼的編碼原理

Turbo碼編碼器是由兩個反饋的分量碼編碼器通過一個隨機交織器并行連接而成的，編碼后的校驗位經過刪余陣，從而產生不同碼率的碼字[4]。

圖2 Turbo碼編碼器結構圖

2.2 Turbo碼的迭代譯碼原理

由于傳統的硬判決譯碼都會損失部分信息，所以，Turbo碼譯碼采用迭代譯碼，通過分量譯碼器之間的軟信息交換來提高譯碼的性能。

圖3 Turbo碼譯碼器的框圖

圖3是Turbo碼譯碼器的框圖，它包括兩個軟輸入軟輸出(SISO)分量譯碼器、一個交織器和一個解交織器。SISO譯碼器不僅輸入不同的比特，同時還有判決的置信信息、即后驗概率，可由對數似然比(LLR)描述。比較經典的Turbo碼譯碼算法有BCJR算法[9]、SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法[10]等，AWGN信道中，迭代5次便可以達到收斂，而衰落信道中一般需要10次迭代[9-10]。

3 短波信道下Turbo碼性能仿真

本文在ITU-R F.1487信道模型下進行了卷積碼和Turbo碼比較的性能仿真。信號產生流程如圖4，原始數據首先經過信道編碼、交織、符號映射，之后送入成幀器，加入訓練序列，加入訓練序列的目的是為了對抗多徑衰落，由于短波信道是典型的多徑信道，在接收端必須對接收數據進行均衡，因此在發送端數據中加入相應的訓練序列，以保證均衡的效果。幀格式如圖5所示，其余體制和參數如下：

(1)符號速率：2400Baud；

(2)成型濾波：平方根升余弦濾波器，滾降因子0.25；過采樣因子4；

(3)信號頻率范圍：0.3～3.3 kHz；

(4)調制方式：BPSK；

(5)糾錯碼：(3、1、7)卷積碼和1/3碼率Turbo碼(分量碼為(2，1，4)的RSC，生成多項式[ 1 0 1 0;1 0 1 1 ])；碼長3 000和12 000；

(6)交織方式：交織深度1幀；

(7)譯碼方式：卷積碼維特比譯碼，回溯深度34；Turbo碼譯碼采用SOVA算法，迭代次數為8。

均衡方式采用DFE，為減小定時誤差的影響，采用分數間隔均衡方式，倍數為4，自適應算法采用遞歸最小二乘(RLS)算法，遺忘因子0.96，對于每時隙進行一次訓練和均衡，均衡器的系數在時隙之間保持繼承性，這樣可以適應信道的變化；針對三種信道的參數設置如表1所示，對于分數間隔均衡，前饋系數除以分數間隔倍數應稍大于反饋系數[11]。

接收端，數據首先通過匹配濾波器，再進行信道均衡，之后進行解調、解交織和信道譯碼工作，恢復原始的數據。由于我國處于中緯度，因此后續的仿真都采用中緯度下的信道模型及參數。

圖4 信號產生流程

圖5 幀格式

圖6 數據恢復流程

3.1 AWGN信道

結果如圖7所示，可以看出在10-4誤比特率下，1/3碼率的Turbo碼相對于卷積碼(3、1、7)的編碼增益大約為2.5 dB左右。

圖7 AWGN信道下Turbo碼與卷積碼性能比較

3.2 HFMQ(短波中緯度靜態)信道

HFMQ信道下，時延擴展為0.5ms，多普勒擴展為0.1Hz，仿真結果如圖8和圖9所示，在HFMQ信道下，Turbo碼與卷積碼性能相當。

圖8 HFMQ信道下性能(碼長1000，交織深度3000)

圖9 HFMQ信道下性能(碼長4000，交織深度12000)

3.3 HFMM(短波中緯度中等)信道條件

HFMM信道下，時延擴展為1 ms，多普勒擴展為0.5 Hz，仿真結果如圖10和圖11所示，交織深度為3 000時，Turbo碼相對于卷積碼的增益約為0.5 dB，而交織深度增加到12 000時，10-4誤比特率下，Turbo碼相對于卷積碼的增益約為2 dB。

圖10 HFMM信道下性能(碼長1 000，交織深度3 000)

圖11 HFMM信道下性能(碼長4 000，交織深度12 000)

3.4 HFMD(短波中緯度惡劣)信道

HFMD信道下，時延擴展為2 ms，多普勒擴展為1 Hz，仿真結果如圖12和圖13所示，交織深度為3 000時，10-4誤比特率下，Turbo碼相對于卷積碼的增益約為4 dB，交織深度為12 000時，增益為6 dB。

圖12 HFMD信道下性能(碼長1000，交織深度3000)

圖13 HFMD信道下性能(碼長4000，交織深度12000)

4 結 論

本文基于短波信道的Watterson模型，仿真了典型短波信道下Turbo碼的性能，以卷積碼作為參照。仿真結果表明，在AWGN信道及相同碼率下，Turbo相對于卷積碼的編碼增益可以達到2.5 dB左右，而在不同的短波信道下，Turbo碼相對于卷積碼的增益各不相同。基本結論是，信道條件越差，增益越大；交織深度越大，增益越大。仿真結論與某研究所項目中實測短波通信的數據完全吻合。該仿真結論可以為從事短波通信研究的研究人員提供相應參考。

[1] ZHANG Lin, ZHANG Wei-min, Jeff T Ball, et al. An Extremely Robust Turbo Coded HF Modem [C]//IEEE Military Communications Conference, Salisbury, SA, Australia: Commun. Signal Process. Discipline, Defence Sci. & Technol. Organ., 1996: 691-695.

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戚宗鋒(1973.04-)，男，碩士，高工，主要研究方向為電子信息系統仿真與試驗；

李保國(1977.03-)，男，博士，副教授，主要研究方向為通信信號處理；

雷 菁(1968.03-),女，博士，教授，主要研究方向為信道編碼、LPI通信。

Performance Simulation of Turbo Codes over HF Channel

QI Zong-feng1, LI Bao-guo2, LEI Jing2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System of China,Luoyang Henan 471003, China;2.School of Electronic Science and Engineering,National Univeristy of Defense Technology, Changsha Hunan 410073, China)

HF communication enjoys the advantages of good survivabicity and long-distance tranmission,and however, its available frequency could not be easily predicted due to heavily variant channels. Time-variety, Doppler shift and multipath fading of HF communication would result in the instability of its tranmission performance, while channel coding is an important technique to combat channel fading. Turbo codes with very high gain are applied to HF digital communications, thus to significantly improve the reliability of HF communications. Based on Watterson HF channel model, the performance of turbo codes over classical HF channels is simulated, and a series of metrics are obtained, and all this could serve as a guide for practical engineering applications.

HF; channel; turbo code; simulation

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.003

2015-01-03；

2015-03-23 Received date:2015-01-03；Revised date：2015-03-23

電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室開放課題(CEMEE2012K0303B)；國家自然科學基金(61101074)

Foundation Item:The State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System, China (No.CEMEE2012K0303B)； National Natural Science Foundation of China (No.61101074)

文獻標志碼：A 文章編號：1002-0802(2015)05-0519-05