短波數(shù)據(jù)通信糾錯技術(shù)研究
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摘要：針對短波無線通信的特點，分析了其天波和地波的傳播原理和特征，其易受多路徑、多普勒效應(yīng)和衰減影響。為提升短波信道質(zhì)量，文中重點介紹了Turbo編譯碼結(jié)構(gòu)，利用RS碼在突發(fā)差錯方面的較強校正能力，將其與Turbo碼相結(jié)合，提出基于RS-Turbo級聯(lián)碼的糾錯算法，將其應(yīng)用于短波編譯碼和糾錯技術(shù)中，達(dá)到降低短波通信誤碼率的目的。
關(guān)鍵詞:短波；信道；誤碼糾錯；編譯
1短波傳輸原理
短波一般是指頻率在3~30MHz的頻段，其波長一般在10~100米，是應(yīng)用最廣的無線通信技術(shù)之一。隨著短波應(yīng)用的推廣，短波的頻段已被擴展至1.5~30MHz。短波傳播過程中進(jìn)故宮電離層的反射，發(fā)射到較遠(yuǎn)距離的接收端，其傳播特點適應(yīng)于遠(yuǎn)距離的無線通信。由于電離層受多種復(fù)雜環(huán)境因素影響，其特性會隨著時間發(fā)生變化，電離層特性具有時變性，會對短波傳輸產(chǎn)生不穩(wěn)定的干擾，從而導(dǎo)致短波傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差，傳播過程中會產(chǎn)生較大的噪聲干擾。為提升短波信號傳播質(zhì)量，出現(xiàn)了一些新的信號質(zhì)量改善技術(shù)，例如信道編碼技術(shù)、擴頻技術(shù)等。由于短波傳輸具有很強的抗毀能力，且系統(tǒng)建設(shè)成本低，仍然是一種不可被完全替代的通信手段。短波的傳播途徑主要分為兩種，分別是天波和地波。其中，天波是主要傳播途徑，主要是利用天線發(fā)射后，首先到達(dá)電離層，通過電離層的發(fā)射后回到地面，也有可能從地面重新發(fā)射，通過地面和電離層多次的發(fā)射后，信號傳輸至數(shù)千公里之外。但是由于天波具有時變性，其傳播路徑不穩(wěn)定，當(dāng)天氣條件發(fā)生變化時會對信號傳播產(chǎn)生干擾。由傳播路徑不同和電離層中電子密度發(fā)生變化，均會造成信號質(zhì)量的下降，從而導(dǎo)致接收端的接收信號質(zhì)量收到影響。天波的信號傳播過程如圖1所示。短波的另外一種傳播路徑是地波，地波主要沿著大地表面進(jìn)行傳播，由于水泥地面、建筑、山石、海水等地面介質(zhì)的影響，不同介質(zhì)將導(dǎo)致短波傳輸距離的不同。一般導(dǎo)電性能較差的介質(zhì)將導(dǎo)致短波傳輸?shù)膿p失較大，通信傳輸距離較短，例如沙石地面。反之，導(dǎo)電較好的介質(zhì)其電波傳輸過程中損失較小，通信傳輸距離也較長，利于水介質(zhì)，一般通信距離可長達(dá)幾十公里。但地波傳輸距離與天波相比要短很多，另外受樓宇和樹木的遮擋，也會造成電波的損失，一般電波發(fā)射天線需要架設(shè)在較高的位置，以提升傳播距離。地波傳播路徑過程如圖2所示。
2糾錯控制編碼技術(shù)
糾錯控制編碼技術(shù)是在發(fā)送序列上附件一部分冗余序列，當(dāng)接收端接收到序列后，如果發(fā)生的錯誤碼在糾錯編碼的范圍內(nèi)，可以利用冗余序列對錯誤進(jìn)行糾正。其中，BCH碼能夠?qū)崿F(xiàn)對多個錯碼進(jìn)行糾正，是線性分組碼中應(yīng)用較為廣泛的一種方法。另外，Turbo碼具有良好的糾錯性能，與香濃卷積碼性能相接近，但Turbo碼也存在不足之處，當(dāng)發(fā)生錯誤平層現(xiàn)象時，無法進(jìn)一步降低誤碼率，誤碼率將保持在一定區(qū)間內(nèi)。RS碼編碼具有結(jié)構(gòu)簡單、譯碼算法完備、較強的糾錯能力等優(yōu)勢?？蓪urbo和RS碼進(jìn)行級聯(lián)應(yīng)用，將錯誤比特變換為突發(fā)錯誤，利用RS碼可以實現(xiàn)對突發(fā)錯誤的糾正。RS碼屬于前向糾錯形式的信道碼，屬于非二進(jìn)制碼，時BCH碼中的一種特殊形式碼。RS碼在突發(fā)差錯校正方面的能力尤為突出，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用，在無線通信和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)中均獲得應(yīng)用。RS碼的譯碼分為兩類，一類為硬判決譯碼，另一類為軟判決譯碼。在兩類譯碼方法中包含了多種譯碼算法。其中，硬判決譯碼的研究和應(yīng)用相對成熟，但該方法未能充分應(yīng)用信號中的“軟信息”，其譯碼性能由一定的損失。硬判決譯碼過程主要分了四個步驟，第一是求出校正因子，第二是對錯誤位置多項式進(jìn)行求解，第三是對估值函數(shù)進(jìn)行求解，最后是求出錯誤的位置和錯誤數(shù)據(jù)，完成糾錯。軟判決譯碼方法可以分為多種算法，其中包括Forney提出的GMD算法，該算法基礎(chǔ)上又衍生出Chase算法[5]。Sundan提出了一種基于代數(shù)序列的軟譯碼算法，其與硬判決譯碼算法相比性能更優(yōu)，。Koetter提出的KV算法為RS碼開拓了一個新的研究方向，該算法具有良好性能，對重數(shù)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將內(nèi)插值轉(zhuǎn)換為可信度信息，對初始多項式進(jìn)行了改進(jìn)，是算法表現(xiàn)出良好的性能，但該算法結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。BM算法是目前應(yīng)用較為廣泛的算法，其結(jié)構(gòu)簡單，且對場景適應(yīng)能力強，本文采用BM硬判決譯碼算法作為RS碼的譯碼算法。
3Turbo編譯碼
圖3Turbo編碼器結(jié)構(gòu)Turbo編譯碼器主要又兩個分量編碼器和一個隨機交織器構(gòu)成，進(jìn)行編碼后需要對校驗位進(jìn)行刪減，然后與系統(tǒng)信息一起作為編碼器的輸出。Turbo編碼器主要又四個模塊組成，分別為交織器、分量器、刪余器和復(fù)用器，兩個分量器選用相同的結(jié)構(gòu)，對非對稱碼同樣具有很好的性能[6]。Turbo編碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示。編碼過程中，信息序列共分成了三路，其中一路被直接輸入到復(fù)用器，成為復(fù)用器的輸入數(shù)據(jù)。另一路被輸入值分量編碼器1中，最后一路經(jīng)過交織器后產(chǎn)生新的序列，重新產(chǎn)生的新序列的長度和數(shù)據(jù)內(nèi)容不發(fā)生改變，器比特位置與原位置可能發(fā)生變化。Turbo譯碼器將分量碼進(jìn)行并聯(lián)處理，同時利用交織器對信息序列完成編碼。在譯碼過程中，如果能對分量譯碼器的輸出量進(jìn)行合理處理，則能夠降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，利用軟判決方法可以實現(xiàn)更好的譯碼效果。Turbo譯碼器結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包含了兩個分量編碼器和交織器。分量編碼器進(jìn)行譯碼后的剩余信息稱之為外信息，將外信息進(jìn)行交織處理后，將其作為分量譯碼器2的先驗信息。在分量譯碼器中同樣進(jìn)行上述操作，進(jìn)行信息的迭代。通過多次迭代后，兩個譯碼器間的交換信息達(dá)到平衡，誤碼率達(dá)到設(shè)計要求，完成譯碼過程。
4結(jié)論
在短波通信系統(tǒng)中，編譯碼和編碼糾錯技術(shù)是短波通信的兩個關(guān)鍵技術(shù)。文中介紹了短波的兩種傳播路徑，分別為天波和地波傳播原理和特性，并對影響短波傳輸?shù)闹饕蛩剡M(jìn)行分析，主要包括多路徑效應(yīng)、多普勒現(xiàn)象和傳播過程的信號衰減。重點分析了Turbo碼編碼和解碼過程，并提出將RS-Turbo級聯(lián)碼作為信道編碼，以此提高系統(tǒng)糾錯能力，降低短波傳輸過程的誤碼率。
參考文獻(xiàn)
[1]鄧燕君.短波通信頻率選擇技術(shù)研宄與實現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2014.
[2]張磊.基于PC時頻調(diào)制接收處理終端的研宄[D].大連:大連海事大學(xué),2016.
作者:田杰 李林峰 單位:西安烽火電子科技有限責(zé)任公司