短波信道下Turbo码性能仿真分析*

戚宗锋，李保国，雷 菁

(1. 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南 洛阳 471003；2. 国防科技大学电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073)



短波信道下Turbo码性能仿真分析*

戚宗锋1，李保国2，雷 菁2

(1. 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南 洛阳 471003；2. 国防科技大学电子科学与工程学院，湖南 长沙 410073)

短波通信具有抗毁性好，传输距离远的优势，但同时也存在信道变化大，可用频率难以预测的缺点。短波信道的时变性、多普勒频移以及多径衰落导致其传输性能不稳定，信道编码是对抗信道衰落的一种重要技术，将编码增益极高的Turbo码引入到短波数字通信中，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码的性能，得出了一系列量化性能指标，对实际工程应用具有一定的指导意义。

短波;信道;Turbo码;仿真

0 引 言

短波通信的频率范围为3 MHz～30 MHz，主要利用天波经电离层反射后，无需建立中继站即可实现远距离通信。由于电离层的不可摧毁特性，短波通信始终是军事指挥的重要手段之一。

短波通信的天波传播因受电离层变化和多径传播的影响而极不稳定，信号传输多径现象严重，延迟大，多普勒频移大，衰落严重，获得可靠的通信质量一直是短波通信追求的目标。

为对抗短波通信信道的衰落特性，可以采用分集接收、信道均衡以及信道编码技术。在各种信道编码技术中，Turbo码是性能及其出众的一种，精心设计的Turbo码可以达到接近香农限的性能。Turbo码在各种标准中得到了广泛的应用，如WCDMA等。

一些研究人员研究了Turbo码在短波通信中的应用。文献[1]设计了一种短波调制解调器，采用Turbo码代替传统的卷积码，在AWGN信道下可以带来1dB的性能增益，而在短波测试信道下可以带来2dB的增益，短波信道采用的是CCIR good测试模型。文献[2]研究了MAP和SOVA两种译码算法，给出了这两种方法在AWGN信道下的性能，并且讨论了交织器的影响。文献[3]将短波信道等效为一个相关衰落模型，在充分交织和未充分交织情况下仿真了其性能。这些工作都没有完善地考虑短波信道的模型，并且在接收时没有考虑到采用自适应均衡器来对抗短波信道的多径时变衰落特性。

本文将Turbo码引入到短波数字通信中，并在译码之前采用自适应判决反馈均衡器(DFE)进行信道均衡，可以期望得到较好的性能。本文旨在通过仿真手段检验短波信道下Turbo码的性能，第1节说明了短波信道及其仿真模型；第2节给出了Turbo码的基本原理和译码算法；第3节给出了仿真的过程；最后进行了全文总结。

1 短波信道特性及其仿真模型

短波信道为时变多径衰落信道，Watterson模型是公认的一种较好的短波信道模型，全面考虑了瑞利衰落、多径时延以及多普勒效应等特性。Watterson模型由C.C.Watterson等人在1969年提出[5]，被美国电信科学协会(ITS)证明是一种性能良好的信道模型。后来，在1986年CCIR的549-2报告中，将此模型作为一种典型的短波信道模型加以推荐[6],国内已经有人对Watterson模型进行了改进[7]。

图1 Watterson信道模型原理框图

如图1，路径增益函数是两个具有相互独立的瑞利振幅分布的零均值的复高斯函数。

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

(1)

ITU-R为仿真短波数字通信系统的性能建议了测试信道，在ITU-RF520中定义了三种测试信道，在ITU-RF.1487定义了十种测试信道。这些测试信道均为Watterson两径抽头延迟线模型，根据所在纬度以及电离层变化的情况可分为若干种情况，具体见文献[8]。

2 Turbo码编码与译码

2.1Turbo码的编码原理

Turbo码编码器是由两个反馈的分量码编码器通过一个随机交织器并行连接而成的，编码后的校验位经过删余阵，从而产生不同码率的码字[4]。

图2 Turbo码编码器结构图

2.2 Turbo码的迭代译码原理

由于传统的硬判决译码都会损失部分信息，所以，Turbo码译码采用迭代译码，通过分量译码器之间的软信息交换来提高译码的性能。

图3 Turbo码译码器的框图

图3是Turbo码译码器的框图，它包括两个软输入软输出(SISO)分量译码器、一个交织器和一个解交织器。SISO译码器不仅输入不同的比特，同时还有判决的置信信息、即后验概率，可由对数似然比(LLR)描述。比较经典的Turbo码译码算法有BCJR算法[9]、SOVA(Soft Output Viterbi Algorithm)算法[10]等，AWGN信道中，迭代5次便可以达到收敛，而衰落信道中一般需要10次迭代[9-10]。

3 短波信道下Turbo码性能仿真

本文在ITU-R F.1487信道模型下进行了卷积码和Turbo码比较的性能仿真。信号产生流程如图4，原始数据首先经过信道编码、交织、符号映射，之后送入成帧器，加入训练序列，加入训练序列的目的是为了对抗多径衰落，由于短波信道是典型的多径信道，在接收端必须对接收数据进行均衡，因此在发送端数据中加入相应的训练序列，以保证均衡的效果。帧格式如图5所示，其余体制和参数如下：

(1)符号速率：2400Baud；

(2)成型滤波：平方根升余弦滤波器，滚降因子0.25；过采样因子4；

(3)信号频率范围：0.3～3.3 kHz；

(4)调制方式：BPSK；

(5)纠错码：(3、1、7)卷积码和1/3码率Turbo码(分量码为(2，1，4)的RSC，生成多项式[ 1 0 1 0;1 0 1 1 ])；码长3 000和12 000；

(6)交织方式：交织深度1帧；

(7)译码方式：卷积码维特比译码，回溯深度34；Turbo码译码采用SOVA算法，迭代次数为8。

均衡方式采用DFE，为减小定时误差的影响，采用分数间隔均衡方式，倍数为4，自适应算法采用递归最小二乘(RLS)算法，遗忘因子0.96，对于每时隙进行一次训练和均衡，均衡器的系数在时隙之间保持继承性，这样可以适应信道的变化；针对三种信道的参数设置如表1所示，对于分数间隔均衡，前馈系数除以分数间隔倍数应稍大于反馈系数[11]。

接收端，数据首先通过匹配滤波器，再进行信道均衡，之后进行解调、解交织和信道译码工作，恢复原始的数据。由于我国处于中纬度，因此后续的仿真都采用中纬度下的信道模型及参数。

图4 信号产生流程

图5 帧格式

图6 数据恢复流程

3.1 AWGN信道

结果如图7所示，可以看出在10-4误比特率下，1/3码率的Turbo码相对于卷积码(3、1、7)的编码增益大约为2.5 dB左右。

图7 AWGN信道下Turbo码与卷积码性能比较

3.2 HFMQ(短波中纬度静态)信道

HFMQ信道下，时延扩展为0.5ms，多普勒扩展为0.1Hz，仿真结果如图8和图9所示，在HFMQ信道下，Turbo码与卷积码性能相当。

图8 HFMQ信道下性能(码长1000，交织深度3000)

图9 HFMQ信道下性能(码长4000，交织深度12000)

3.3 HFMM(短波中纬度中等)信道条件

HFMM信道下，时延扩展为1 ms，多普勒扩展为0.5 Hz，仿真结果如图10和图11所示，交织深度为3 000时，Turbo码相对于卷积码的增益约为0.5 dB，而交织深度增加到12 000时，10-4误比特率下，Turbo码相对于卷积码的增益约为2 dB。

图10 HFMM信道下性能(码长1 000，交织深度3 000)

图11 HFMM信道下性能(码长4 000，交织深度12 000)

3.4 HFMD(短波中纬度恶劣)信道

HFMD信道下，时延扩展为2 ms，多普勒扩展为1 Hz，仿真结果如图12和图13所示，交织深度为3 000时，10-4误比特率下，Turbo码相对于卷积码的增益约为4 dB，交织深度为12 000时，增益为6 dB。

图12 HFMD信道下性能(码长1000，交织深度3000)

图13 HFMD信道下性能(码长4000，交织深度12000)

4 结 论

本文基于短波信道的Watterson模型，仿真了典型短波信道下Turbo码的性能，以卷积码作为参照。仿真结果表明，在AWGN信道及相同码率下，Turbo相对于卷积码的编码增益可以达到2.5 dB左右，而在不同的短波信道下，Turbo码相对于卷积码的增益各不相同。基本结论是，信道条件越差，增益越大；交织深度越大，增益越大。仿真结论与某研究所项目中实测短波通信的数据完全吻合。该仿真结论可以为从事短波通信研究的研究人员提供相应参考。

[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.

[2] Coulton P,Honary B,Darnell M,et al. Application of Turbo Codes to HF Data Transmission [C]// Seventh International Conference on HF Radio Systems and Techniques, UK: Lancaster Univ., 1997: 95-99.

[3] 金珠,吴永宏,吴健. 短波信道下的Turbo码性能研究[J], 中国电子科学研究院学报，2008年04期，407-410. JIN Zhu, WU Yong-hong, WU Jian. Research of Turbo Codes and Its Performance in Short Wave Channel [J], Journal of CAEIT,2008,3(4):407-410.

[4] Berrou C, Glavieux A, Thitimasjshma P. Near Optimum Error Correcting Coding and Decoding: Turbo-Codes [C]//Proc. ICC, Geneva: IEEE, 1993: 1064-1070.

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[6] CCIR Report 549-3, Recommendations and Reports of the CCIR, HF Ionospheric Channel Simulators[R], Geneva: ITU, 1990.

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[10] Hagenauer J, Hoeher P. A Viterbi Algorithm with Soft-Decision Outputs and Its Applications [C]//Proc. GLOBECOM, Dallas: IEEE, 1989:11-17.

[11] Proakis J G, Salehi M. Digital Communications，Fifth Edition [M], New York: MacGraw Hill, 2009:705-708.

戚宗锋(1973.04-)，男，硕士，高工，主要研究方向为电子信息系统仿真与试验；

李保国(1977.03-)，男，博士，副教授，主要研究方向为通信信号处理；

雷 菁(1968.03-),女，博士，教授，主要研究方向为信道编码、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

电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室开放课题(CEMEE2012K0303B)；国家自然科学基金(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)

文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2015)05-0519-05