短波猝發通信中Turbo均衡研究

賴華俊，王　玫,2，符杰林,2

(1.桂林電子科技大學 認知無線電與信息處理教育部重點實驗室,廣西 桂林　541004；2.中國電子科技集團公司第54研究所 通信網信息傳輸與分發技術國家重點實驗室,石家莊　050081)

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短波猝發通信中Turbo均衡研究

賴華俊1，王玫1,2，符杰林1,2

(1.桂林電子科技大學 認知無線電與信息處理教育部重點實驗室,廣西 桂林541004；2.中國電子科技集團公司第54研究所 通信網信息傳輸與分發技術國家重點實驗室,石家莊050081)

針對短波通信中存在的多徑衰落和碼間串擾等問題，設計了一種猝發波形與Turbo均衡的系統組合結構。將Turbo均衡用于短波通信，建立短波信道模型，通過仿真分析Turbo均衡中交織長度、迭代次數和卷積編碼約束度等參數對系統性能的影響，得到這些參數與誤比特率之間的定量關系。仿真結果表明，該猝發波形與Turbo均衡的系統組合結構可有效抵御短波信道帶來的多徑衰落和碼間串擾。

Turbo均衡；短波信道；猝發通信；性能分析；誤比特率

短波通信是一種非常重要的通信手段，它依靠電離層反射進行傳輸。20世紀末期，短波通信的抗毀性、安全性、機動性和快速組網等特點使其受到人們的關注，被廣泛應用于軍事、外交、商業、政府、民間和氣象等部門。短波電離層信道中多徑時延、噪聲、衰落和多普勒擴展會導致傳輸數據的碼間串擾(intersymbol interference，簡稱ISI)，而補償ISI常用的方法是信道均衡技術。目前，用于短波信道的均衡主要是結構比較簡單的盲均衡、自適應均衡等，與這些均衡相比，采用軟信息交換的Turbo均衡結構可以使系統獲得更高的可靠性[1]。常用的Turbo均衡算法中，最大后驗概率(maximum posterior probability，簡稱MAP)均衡算法[2]具有最佳性能，但在實際應用中該算法的復雜度過高，不易實現。文獻[3]給出了一種線性最小均方誤差(minimum mean square error，簡稱MMSE)Turbo均衡算法，該算法將線性濾波器引入Turbo均衡，大大降低了計算復雜度。另一種簡化的線性均衡算法是軟干擾抵消(soft interference cancellation，簡稱SIC)[4-5]均衡算法，該算法也是基于MMSE準則，不同的是SIC算法假設來自譯碼器的軟信息完全正確。與MMSE均衡相比，SIC均衡對先驗信息的要求過高，當先驗信息不準確時，容易引發嚴重的突發錯誤[6]。考慮到計算復雜度、誤比特性能等因素，基于MMSE的線性Turbo均衡不僅能達到接近MAP均衡的性能，而且具有較低的運算量。鑒于此，針對短波信道的傳輸特性，搭建Turbo均衡短波猝發通信系統仿真模型，通過對比分析交織長度、迭代次數、編碼約束度和碼率對系統性能的影響，設計一種猝發波形與Turbo均衡的系統組合結構，以補償短波信道中多徑衰落、多普勒擴展和噪聲所導致的ISI。

1　系統建模

1.1系統結構

圖1　系統結構Fig.1　System structure

1.2MMSE-Turbo均衡器

其中P(xn=αi)為概率，與先驗信息有關。fn由每次迭代過程中產生的軟信息(先驗信息)更新：

2　短波信道模型

目前比較有代表性的短波信道模型是Watterson模型[9]，其在大多數情況下能夠較好地反映短波信道的特性。Watterson模型每條路徑都有一個基帶增益Gi(t)和獨立時延τi，Gi(t)用來對通過該路徑的信號進行幅度和相位調制，以實現瑞利衰落和多普勒擴展，每路信號加入噪聲后輸出。Watterson模型如圖2所示。

圖2　Watterson模型Fig.2　Watterson model

Watterson模型的時變頻域響應可表示為：

其中：t為時間；f為頻率；N為總路徑數；τi為第i條路徑的時延，i為路徑標號；Gi(t)為隨機過程。Watterson模型中多普勒頻率擴展的功率譜通過構建雙高斯功率譜的低通濾波器實現[10]，雙高斯濾波器的帶寬由多普勒擴展決定。

3　性能仿真與分析

設置多普勒譜型為雙高斯型，并對相關譜型參數進行合理的設置[10]，按照ITU定義的模型參數設置短波信道的相關參數。譯碼算法為log-MAP算法，調制映射為8PSK，符號速率為2400kbit/s，均衡所需的信道參數通過理想信道估計得到。

3.1參數影響仿真分析

3.1.1交織長度

交織長度即編碼比特長度，是影響Turbo均衡性能的關鍵因素。令交織長度為128、256、512、1024、6144、7168，在短波信道下系統仿真的參數影響誤比特率(biterrorrate，簡稱BER)曲線如圖3所示。

圖3　不同交織長度的BER曲線Fig.3　 BER of different interleave sizes

從圖3可看出，相同信噪比下，BER隨著交織長度的增大而降低。隨著交織長度持續增大，系統獲得的增益越來越小，如交織長度為256與交織長度為512的BER曲線在10-2處相差約1dB，而交織長度為512與交織長度為1024的BER曲線在10-2處只相差約0.3dB。交織長度過大時，系統性能開始下降，如交織長度為6144的BER曲線優于交織長度為7168的BER曲線，因為在一定范圍內交織長度越大，每幀攜帶的信息越多，整體處理的效果越好，系統越容易收斂。但交織長度過大時，數據過長，受到短波信道時變影響也越大，因此系統性能也開始下降。交織長度帶來增益的同時也會使接收機的計算復雜度增大，因此采用1024的交織長度較為合適。

3.1.2迭代次數

Turbo均衡通過在均衡器和譯碼器之間軟信息的互相傳遞來優化性能，因此迭代次數也是決定其性能的關鍵參數之一。在短波信道下比較1～6次迭代對系統性能的影響，并與AWGN下的理論曲線作對比，不同迭代次數的仿真BER曲線如圖4所示。

圖4　不同迭代次數的BER曲線Fig.4　BER of different iterative times

從圖4可看出，BER隨循環迭代次數的增加而下降，前3次迭代對系統的增益比較明顯，2次迭代和3次迭代的BER在10-2處相差了1.5dB左右；從第4次迭代開始，系統獲得的增益開始減小，5、6次迭代的BER曲線基本重合。隨著迭代次數的增加，均衡器和譯碼器交換的軟信息的相關性不斷加強，系統逐漸收斂。迭代在帶來增益的同時也會增大運算量和時延，因此迭代次數為4～5次為宜。

3.1.3卷積碼約束度

約束度表達了編碼器內部寄存器的數量，是卷積編碼器的重要參數之一。比較3種約束度不同的編碼對短波信道下Turbo均衡的影響，不同編碼約束度的BER曲線如圖5所示。

圖5　不同編碼約束度的BER曲線Fig.5　BER of different coding constraint degrees

從圖5可看出，在信噪比較低(<4dB)時，采用3種編碼的Turbo均衡系統性能相近；信噪比≥4dB，約束度的影響開始顯現，編碼約束度為5的系統性能開始優于約束度為3的系統性能。信噪比增加為8.5dB時，編碼約束度為5的系統與編碼約束度為3的系統的BER相同，二者均次于編碼約束度為7的系統。隨著信噪比繼續增大，編碼約束度為3的系統性能開始優于編碼約束度為5的系統性能。對于編碼約束度為3、5的系統而言，低信噪比時高約束度的性能較好，高信噪比時低約束度的性能較好。雖然采用編碼約束度為7的系統性能始終較好，但會導致接收端譯碼器的計算復雜度增加，所以一般應選擇約束度為3或5的編碼。

3.2系統性能仿真

短波信道中多徑衰落、快時變等干擾是造成系統性能惡化的主要原因。猝發信號的特征是信號發送時間和長度都比較短，短波信道雖然具有快時變特性，但在猝發時間內，可近似認為信道是時不變或慢時變，降低了均衡器對信道跟蹤能力的要求。因此，參考MIL-STD-188-141B協議[8]，采用符號速率為2400kbit/s的猝發波形結構，如圖6所示。

圖6　猝發波形結構Fig.6　Burst waveform structure

26bit的數據通過編碼(本系統采用(7,5)編碼，約束度為3，碼率為1/2)、偽隨機交織后得到52bit，然后經過Walsh調制得到64個8進制符號，對其進行PN擴展并插入保護序列和探測報頭，最終得到長度為1472個符號的猝發波形，經8PSK映射及成型濾波后送入信道。根據圖6所示的猝發波形構建發送波形，并與未采用該波形的系統進行對比分析，系統BER曲線如圖7所示。

圖7　系統BER曲線Fig.7　BER of system

從圖7可看出，采用猝發波形的Turbo均衡系統相對于未采用猝發波形的系統有明顯改善，在信噪比9dB之后，采用猝發波形的系統BER隨著信噪比的增大迅速下降，并在信噪比9.5dB時BER達到了10-4，取得了較大的系統增益。該猝發波形可顯著提高Turbo均衡系統在短波信道下的性能，很好地補償短波信道中多徑衰落、多普勒擴展和噪聲所帶來的影響，有效地防止了突發錯誤的發生，且結構簡單，持續時間較短，易于實現。

4　結束語

針對短波信道帶來的多徑衰落和ISI的問題，將Turbo均衡用于短波信道，設計了一種猝發波形和Turbo均衡的組合結構。通過分析Turbo均衡中交織長度、迭代次數和編碼約束度等參數對系統性能的影響，得出了Turbo均衡在短波信道下合理的參數設置：交織長度為1024左右，迭代次數為5次，根據信噪比環境酌情選擇約束度為3或5的編碼。仿真結果表明，采用該波形的Turbo均衡可有效抵抗短波信道帶來的多徑衰落和ISI，且該波形結構簡單，具有較強的實用性。

[1]KOETTERR.Turboequalization[J].IEEESignalProcessing,2004,21(1):67-80.

[2]DOUILLARDC,JEZEQUELM,BERROUC.Iterativecorrectionofintersymbolinterference:Turboequalization[J].EuropeanTransactionsonTelecommunications,1995,6(5):507-511.

[3]TUCHLERM,SINGERAC.Minimummeansquarederrorequalizationusingaprioriinformation[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2002,50(3):673-683.

[4]VOGELBRUCHF.ImprovedsoftISIcancellationforturboequalizationusingfullsoftoutputchanneldecodersinformation[C]//IEEEGlobalTelecommunicationsConference,2003:1736-1740.

[5]VOGELBRUCHF.Lowcomplexityturboequalizationbasedonsoftfeedbackinterferencecancelation[J].IEEECommunicationsLetters,2005,9(7):586-588.

[6]TUCHLERM.Turboequalization:principlesandnewresults[J].IEEETransactionsonCommunications,2002,50(5):754-767.

[7]許可.Turbo解碼與Turbo均衡關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2011:77-81.

[8]DepartmentofDefense.MIL-STD-188-141B[S].USA:InteroperabilityandPerformanceStandardsforDataModems,2000:90-106.

[9]WATTERSONCC.ExperimentalconfirmationofanHFchannelmodel[J].IEEETransactionsonCommunications,1971,18(6):792-803.

[10]夏斌，黃河，瞿衛忠.短波電離層信道的Watterson模型仿真性能分析[J].系統仿真學報，2009,21(增刊2):207-210.

編輯：張所濱

Research on Turbo equalization in HF burst communication system

LAI Huajun1, WANG Mei1,2, FU Jielin1,2

(1.Key Laboratory of Cognitive Radio and Information Processing, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China;2.Science and Technology on Information Transmission and Dissemination in Communication Networks Laboratory,The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)

Aiming at multipath fading and ISI in HF communication, a burst waveform with turbo equalization system combined structure is designed. Turbo equalization is used in HF communication, HF channel model is established, the influence of some parameters of turbo equalization such as interleave length, iterative times and constraint degree is analyzed. The relations between these parameters and BER are simulated. The simulation result illustrates that the burst waveform can effectively resist multipath fading and ISI of HF channel.

turbo equalization; HF channel; burst communication; performance analysis; BER

2016-03-08

通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室高校合作項目(KX142600025)；廣西高等學校創新團隊及卓越學者計劃(61172054)

符杰林(1975-)，男，廣西桂林人，副教授，博士，研究方向為短波信道均衡。E-mail:f750628@qq.com

TN925

A

1673-808X(2016)04-0275-04

引文格式：賴華俊，王玫，符杰林.短波猝發通信中Turbo均衡研究[J].桂林電子科技大學學報，2016,36(4):275-278.