短波数据通信纠错技术研究

田杰，李林峰

（西安烽火电子科技有限责任公司，陕西西安，710000）

1 短波传输原理

短波一般是指频率在3～30MHz的频段，其波长一般在10～100米，是应用最广的无线通信技术之一。随着短波应用的推广，短波的频段已被扩展至1.5～30MHz。短波传播过程中进故宫电离层的反射，发射到较远距离的接收端，其传播特点适应于远距离的无线通信。由于电离层受多种复杂环境因素影响，其特性会随着时间发生变化，电离层特性具有时变性，会对短波传输产生不稳定的干扰，从而导致短波传输的稳定性较差，传播过程中会产生较大的噪声干扰。为提升短波信号传播质量，出现了一些新的信号质量改善技术，例如信道编码技术、扩频技术等。由于短波传输具有很强的抗毁能力，且系统建设成本低，仍然是一种不可被完全替代的通信手段。

短波的传播途径主要分为两种，分别是天波和地波。其中，天波是主要传播途径，主要是利用天线发射后，首先到达电离层，通过电离层的发射后回到地面，也有可能从地面重新发射，通过地面和电离层多次的发射后，信号传输至数千公里之外。但是由于天波具有时变性，其传播路径不稳定，当天气条件发生变化时会对信号传播产生干扰。由传播路径不同和电离层中电子密度发生变化，均会造成信号质量的下降，从而导致接收端的接收信号质量收到影响。天波的信号传播过程如图1所示。

图1 天波信号传播过程

短波的另外一种传播路径是地波，地波主要沿着大地表面进行传播，由于水泥地面、建筑、山石、海水等地面介质的影响，不同介质将导致短波传输距离的不同。一般导电性能较差的介质将导致短波传输的损失较大，通信传输距离较短，例如沙石地面。反之，导电较好的介质其电波传输过程中损失较小，通信传输距离也较长，利于水介质，一般通信距离可长达几十公里。但地波传输距离与天波相比要短很多，另外受楼宇和树木的遮挡，也会造成电波的损失，一般电波发射天线需要架设在较高的位置，以提升传播距离。地波传播路径过程如图2所示。

图2 地波传播路径过程

2 纠错控制编码技术

纠错控制编码技术是在发送序列上附件一部分冗余序列，当接收端接收到序列后，如果发生的错误码在纠错编码的范围内，可以利用冗余序列对错误进行纠正。其中，BCH码能够实现对多个错码进行纠正，是线性分组码中应用较为广泛的一种方法。另外，Turbo码具有良好的纠错性能，与香浓卷积码性能相接近，但Turbo码也存在不足之处，当发生错误平层现象时，无法进一步降低误码率，误码率将保持在一定区间内。RS码编码具有结构简单、译码算法完备、较强的纠错能力等优势。可对Turbo和RS码进行级联应用，将错误比特变换为突发错误，利用RS码可以实现对突发错误的纠正。

RS码属于前向纠错形式的信道码，属于非二进制码，时BCH码中的一种特殊形式码。RS码在突发差错校正方面的能力尤为突出，在实际工程中得到广泛应用，在无线通信和数据存储技术中均获得应用。RS码的译码分为两类，一类为硬判决译码，另一类为软判决译码。在两类译码方法中包含了多种译码算法。其中，硬判决译码的研究和应用相对成熟，但该方法未能充分应用信号中的“软信息”，其译码性能由一定的损失。硬判决译码过程主要分了四个步骤，第一是求出校正因子，第二是对错误位置多项式进行求解，第三是对估值函数进行求解，最后是求出错误的位置和错误数据，完成纠错。软判决译码方法可以分为多种算法，其中包括Forney提出的GMD算法，该算法基础上又衍生出Chase算法[5]。Sundan提出了一种基于代数序列的软译码算法，其与硬判决译码算法相比性能更优，。Koetter提出的KV算法为RS码开拓了一个新的研究方向，该算法具有良好性能，对重数矩阵进行转换，将内插值转换为可信度信息，对初始多项式进行了改进，是算法表现出良好的性能，但该算法结构比较复杂。BM算法是目前应用较为广泛的算法，其结构简单，且对场景适应能力强，本文采用BM硬判决译码算法作为RS码的译码算法。

3 Turbo编译码

Turbo编译码器主要又两个分量编码器和一个随机交织器构成，进行编码后需要对校验位进行删减，然后与系统信息一起作为编码器的输出。Turbo编码器主要又四个模块组成，分别为交织器、分量器、删余器和复用器，两个分量器选用相同的结构，对非对称码同样具有很好的性能[6]。Turbo编码器结构如图3所示。

图3 Turbo编码器结构

编码过程中，信息序列共分成了三路，其中一路被直接输入到复用器，成为复用器的输入数据。另一路被输入值分量编码器1中，最后一路经过交织器后产生新的序列，重新产生的新序列的长度和数据内容不发生改变，器比特位置与原位置可能发生变化。Turbo译码器将分量码进行并联处理，同时利用交织器对信息序列完成编码。在译码过程中，如果能对分量译码器的输出量进行合理处理，则能够降低数据传输的误码率，利用软判决方法可以实现更好的译码效果。Turbo译码器结构如图4所示，主要包含了两个分量编码器和交织器。分量编码器进行译码后的剩余信息称之为外信息，将外信息进行交织处理后，将其作为分量译码器2的先验信息。在分量译码器中同样进行上述操作，进行信息的迭代。通过多次迭代后，两个译码器间的交换信息达到平衡，误码率达到设计要求，完成译码过程。

图4 Turbo译码器结构

4 结论

在短波通信系统中，编译码和编码纠错技术是短波通信的两个关键技术。文中介绍了短波的两种传播路径，分别为天波和地波传播原理和特性，并对影响短波传输的主要因素进行分析，主要包括多路径效应、多普勒现象和传播过程的信号衰减。重点分析了Turbo码编码和解码过程，并提出将RS-Turbo级联码作为信道编码，以此提高系统纠错能力，降低短波传输过程的误码率。