短波通信纠错编码技术研究

孙洪侠,周　歌（.　武警北京市总队第八支队勤务中队网络管理站,北京　0600;　.武警警官学院信息工程系,成都　603）



短波通信纠错编码技术研究

孙洪侠1,周歌2
（1.武警北京市总队第八支队勤务中队网络管理站,北京102600;2.武警警官学院信息工程系,成都610213）

摘 要：短波通信具有设备简单，机动性好，通信距离远等许多优势，是武警部队通信保障的“保底工程”。而短波信道是变参信道，短波通信存在误码率高的问题。本文通过分析三种常用的纠错编码技术：RS码、卷积码、Turbo码，并建立Simulink仿真模型，可以看出Turbo码纠错性能最佳，能够满足日常通信保障需求。

关键词：纠错编码；短波通信；Simulink

1　短波通信及纠错编码技术发展概述

短波通信又称高频（HF）通信，是利用频率为3MHz～30MHz的电磁波进行的无线电通信。短波通信因其具有通信距离较远、通信机动灵活、可迅速开通、网络重构方便快捷等特点，是武警部队通信保障的重要方式之一。

由于短波通信依靠状态不是很稳定的电离层反射无线电波实现通信，短波通信的信道存在干扰复杂、衰落严重、多径传播等特性，使得实现有效、可靠的短波通信技术变得复杂，难度增大。为了提高短波通信的可靠性，纠错编码技术应运而生。经过半个多世纪的发展，不断涌现出各种信道编码方案，目前应用较多的纠错编码技术包括RS码、卷积码、Turbo码。

2　常用的纠错编码技术原理

2.1RS码

RS码，是一种重要的线性分组编码方式。该编码技术是利用伽罗华创造的伽罗华域(Galois Field)中的数学关系来把传送数据包的每个字节映射成伽罗华域中的一个元素，每个数据包都按码生成多项式为若干个字节的监督校验字节，组成RS的误码保护包，接收端则按校验矩阵来校验接收到的误码保护包是否有错，有错时则在错误允许的范围内纠错。RS纠错编码具有很强的纠正突发误码的能力。它的纠错能力强，并且构造方便，编码简单，编译码设备也不太复杂，被广泛应用在各种通信和计算机存储系统中[1]。

2.2卷积码

卷积码是一种非分组编码，适用于前向纠错法。卷积码的监督码元并不实行分组监督，每一个监督码元都要对前后的信息单元起监督作用，整个编译码过程也是一环扣一环，连锁地进行下去[2]。卷积码主要优点是：第一，编码复杂度非常低，具有线性编码复杂度；第二，译码复杂度主要由卷积码的约束长度决定，一般译码复杂度不高；第三，非常适合用在有干扰信号主要是加性高斯白噪声的信道上。缺点主要是：第一，数据块长度较长的时候性能下降。第二，当约束长度增加时，其译码复杂度成2的指数倍增长。

2.3Turbo码

1993年，法国不列颠通信大学两位教授C.Berrou、A.Glaviex和他们的博士生P.Thitimajshima首次提出了一种新型信道编码方案——Turbo码，由于它很好地应用了shannon信道编码定理中的随机性编译码条件，从而获得了几乎接近Shannon理论极限的译码性能。Turbo码又称并行级联卷积码，它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，在实现随机编码思想的同时，通过交织器实现了由短码构造长码的方法，并采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码[3]。Turbo码在信噪比较低的高噪声环境下，不仅性能优越，而且还具有很强的抗衰落和抗干扰能力。

3　短波通信纠错编码技术仿真分析

为比较三种纠错编码技术性能，采用Matlab中的Simulink模块进行仿真分析。系统仿真的短波信道模型是基于Watterson短波信道模型思想，利用Simulink模块搭建Multipath Rayleigh Fading Channel（多径瑞利衰落信道）和AWGN Channel（加性高斯白噪声信道）两种信道模型。其中，在多径瑞利衰落信道中，设置的主要参数为最大多普勒频移。在加性高斯白噪声信道中，主要参数为信噪比Eb/N0。

运行模型，设置加性高斯白噪声信道的信噪比（dB）参数为1,2,4,6，得到RS码（15,9）的误码率分别为0.978、0.972、0.967、0.961，卷积码（2,1,7）的误码率分别为0.1836、0.004672、4.5e-006、3.8e-006，Turbo码（R=1/2）的误码率分别为6.8359e-004、5.8594e-004、5.4181e-004、4.8828e-004；设置多径瑞利衰落信道的最大多普勒频移（Hz）参数分别为0. 1,0.01,0.05 ,0. 001，得到RS码（15,9）的误码率分别为0.6312、0.4545、0.3619、0.1818，卷积码（2,1,7）的误码率分别为0.4822、0.4701、0.4957、0.4539，Turbo码（R=1/2）的误码率分别为5.8534e-004、4.6828e-004、3.9063e-004、3.5053e-004。

由仿真结果可以看出，RS码在多径瑞利衰落信道中性能较好，抗突发错误能力较强；卷积码在加性高斯白噪声信道中误码率较低，抗随机错误能力较强；而Turbo码无论是在加性高斯白噪声信道还是在多径瑞利衰落信道，误码率均达到了10-4数量级，显示了优异的纠错性能。但Turbo码存在“地板效应”，即误码率下降到一定程度再下降就很慢了。

4　结论

本文介绍了三种重要的纠错编码方式：RS码、卷积码、Turbo码，通过建立Simulink仿真模型，可以看出，Turbo码具有优越的纠错性能，不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。经过分析，短波电台信号通过Turbo码编译码技术实现信道编码，通信的整体抗干扰能力和质量都得到很大的提升，可以进一步提高武警部队日常执勤、处突的通信保障能力。

参考文献：

[1]党百振.一种二级级联纠错编码的设计与分析[J].移动通信, 2013(14):74-77

[2]李校娟.卷积码的译码算法研究[D].西安:电子科技大学, 2013.

[3]姜娜娜.基于Turbo码的信道编译码方法研究[D].东北大学, 2014.

作者简介：孙洪侠（1986-），女，河北沧县人，本科，助理工程师，研究方向：网络维护与管理。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.139