短波数传中的Turbo均衡技术研究

郭凯丰，刁 鸣

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



短波数传中的Turbo均衡技术研究

郭凯丰，刁 鸣

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

短波通信由于具有技术成熟、成本低、功耗低及通信范围广等特点，因此被广泛应用。短波通信以电离层作为传输介质，其多径效应会产生码间串扰(Inter-Symbol Interference，ISI)现象，限制了无线传输的速度及质量。为了提高系统可靠性，可采用Turbo均衡技术对接收信号进行处理，该技术利用Turbo编译码思想，结合信道均衡与译码处理，通过迭代以达到消除ISI的目的，因其具有良好的性能，得到了广泛的应用。在介绍数字化短波数传通信系统方案的基础上，对Turbo均衡在短波数传体系的应用进行了重点研究，并完成了整个信号处理流程的设计及仿真，验证了其抑制ISI的功能。

短波通信；Turbo均衡；MAP算法；码间串扰

0 引言

短波通信又称高频通信，其工作频率范围为3～30 MHz(波长100～10 m)，主要利用天波经电离层反射，无需建立中继站即可实现远距离通信。由于大气电离层几乎无法被摧毁，使短波通信成为军事通信的重要手段之一[1]。由于信号传输过程受短波信道特性影响及干扰会造成失真，使接收端发生错误判决，从而严重影响了通信系统整体性能。为了提高系统接收性能，传统接收机都采用信道编码及信道均衡技术进行预处理。本文采用的Turbo均衡技术是依据Turbo码原理改进得到的，将信道均衡及信道译码联合进行处理，可通过多次迭代提高系统性能[2]，其中Turbo均衡最经典的算法为最大后验概率算法(Maximum a-posteriori Probability， MAP)。

1 数字化短波通信系统

系统硬件电路由发射端及接收端构成。发射端由卷积编码器、交织器和BPSK调制器组成；接收端由BPSK解调器以及Turbo均衡、解交织及译码联合接收机组成。通过在接收端进行联合均衡译码处理，可实现抑制ISI及卷积码前向纠错功能[3]。系统基本结构如图1所示。

图1 系统基本结构图

1.1 系统发射端处理过程

该系统采用(2，1，7)卷积码编码方式，其8进制生成系数为G1=133，G2=171。二进制输入序列ak的长度为k，为了避免潜在错误，在编码中引入冗余，编码后的结果为bk，其数据长度为N,N>K。

为了克服传输过程中突发连续错误的影响，系统选取循环交织器将连续错误分散化，使系统具有纠正较长突发错误的能力。经过交织器后，数据长度不变，交织结果ck为编码输出序列bk按预定交织规则重新排列的结果。接收端在译码前进行解交织处理，其处理方式为交织的逆过程。

1.2 ISI信道传输特性

短波信道是一种时变信道，具有多径、衰落等现象，在时域和频移的特性是不规律变化的[4]。在假定信道参数已知(实际中可通过信道参数估计来实现)的情况下，发射端调制好的发送序列xk通过线性时不变的ISI信道，并受加性高斯白噪声干扰影响。接收到的波形通过接收前端的匹配滤波器，其接收的数据样本为：

(1)

图2 信道等效离散结构

1.3 联合均衡及译码的基本原理

(2)

信道均衡的作用为抑制或降低码间串扰(ISI)效应。从滤波器的观点来看，信道均衡的效果可以等效为一个可对信道频率响应进行“白化”处理的滤波器，即：

(3)

传统接收端的均衡和译码是2个独立模块，2部分的操作是分别执行的，于是2个模块间的交互作用被切断，影响了系统性能。当信道环境恶劣时，为进一步提高系统性能，可以考虑选择将均衡及译码联合进行。Turbo均衡[7-8]思想使均衡和译码联合进行并多次迭代[9-10]，使用了可利用软信息的信道均衡算法及卷积码的译码算法，二者间通过传递软信息实现信息交流，因此系统性能得到了大幅提高[11-13]。该流程在联合均衡及译码流程的基础上增加了交织及解交织过程，进一步提高了系统性能[14]。Turbo均衡的复杂度高于传统均衡算法，但可在一定复杂度的情况下极大地降低系统误码率。

2 Turbo均衡及迭代处理

经典Turbo均衡算法包括最大后验概率(MAP)均衡算法、基于MMSE的线性均衡算法(MMSE-LE)、基于MMSE的近似均衡算法(APP-MMSE)等[15]。该系统均衡器选择MAP均衡算法，因其是基于码元误码率最小的算法，具有最好的性能，但算法的缺点为复杂度较高。系统接收端结构图如图3所示。

图3 Turbo均衡接收端结构图

(4)

信道输出由ISI信道及其抽头系数决定，其输出过程可通过图4所示编码器的网格图表示，网格图结构由ISI信道特性决定。可得到ISI信道的无噪声输出结果为[-1.63,-0.815,0,0.815,1.63]。

图4 ISI信道(B型)网格图

(5)

(6)

利用联合分布性质，上式可分解为：

(7)

令：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

将式(6)、式(7)和式(14)代入式(15)可得：

(16)

由此得到均衡器输出的后验信息。

从均衡器及译码器输出的后验信息并非纯粹的外信息，而是包含有输入的先验信息，减去先验信息的影响后才能成为这些码字的外部信息。均衡器的外信息为：

(17)

外部信息经过解交织处理送入译码模块，可得译码器输出的外信息为：

(18)

译码后输出的外信息经过交织处理，输入到均衡器，作为其下次迭代的先验信息，至此完成一次迭代处理过程[18]。

MAP算法的思想为将ISI信道视为一个卷积编码器，利用网格图处理，将信道均衡转换为信道译码进行处理，是性能最好的均衡算法，但算法的缺点为运算量较大。为了简化运算量，Tüchler等人提出了基于MMSE的线性Turbo均衡算法[17]，通过减小观察样本空间的方法达到一定程度的简化运算量的目的，但该算法仍包含大量的矩阵求逆运算，是一种以牺牲部分系统性能从而简化运算量的一种次优算法。在此基础上，为了进一步简化运算量，Tüchler等人提出了基于MMSE的近似均衡算法(APP-MMSE)，采用了固定抽头系数，进一步降低了运算量。几种算法的运算量比较如表1所示。

表1 不同均衡算法运算量比较

3 信道均衡算法仿真及性能分析

由表1可知，MAP算法运算量最大，与ISI信道阶数呈指数关系；MMSE-LE算法运算量与估计滤波器长度和ISI信道阶数呈平方关系；APP-MMSE算法运算量最低，与估计滤波器长度和ISI信道阶数呈线性关系。3种算法经Prokais B信道传输，并进行9次迭代后的性能仿真如图5所示。

根据图5可知，因MAP算法采用了最优准则，因此性能最好，但缺点为运算量较大；MMSE-LE算法的性能次之，但随着信噪比增加，其性能逐渐接近于MAP算法的性能；APP-MMSE算法由于对先验信息做了较为极端的假设，因而其性能有所欠缺。

由于本文主要追求系统性能的提升，因此系统译码器选择MAP算法，以运算量较大的代价下力图尽量提升系统性能。

接下来采用蒙特卡洛方法分析Turbo均衡器性能，采用重复传送随机数序列的方式进行。选取系统输入码率为600 bps，数据帧长1 024位情况进行传输，共传送1 000帧。发射端经(2,1,7)卷积码编码、交织、BPSK调制后经B信道传输。接收端经接收前端处理后，经过BPSK解调，并输入至Turbo均衡和译码联合接收机处理。选取迭代次数设置为4次，在不同信噪比条件下进行仿真，其误码率曲线如图6所示。

图6 Turbo均衡及迭代处理的误码率

分析Turbo均衡的误码率曲线特点可以发现误码率性能曲线可划分为3部分，即低性能区、瀑布区和错误平层区。在信道条件恶劣的情况下，由于充分利用外信息的影响，随着迭代次数的增加，系统性能越来越高。最初迭代的编码增益较高，但经过4次迭代后，性能变化逐渐缓慢，趋于收敛。另外，当信噪比值增大至约7 dB以后，系统误码率进入错误平层区，不再因迭代次数增加或信噪比增大而有明显改善。通过仿真可以证明Turbo均衡器具有优异的抗多径效应及抗噪声干扰的性能，具有良好的工程可实现性。

4 结束语

信道均衡技术是通信系统中抗恶劣信道影响的重要手段，传统均衡器的性能并不理想，降低了系统性能。Turbo均衡的优点在于联合进行均衡和译码处理，并通过多次迭代，能够大幅提高系统性能。实时的Turbo均衡由于运算量较大，在以往应用中受制于硬件运算速度，但随着目前硬件水平的发展，硬件平台的运算速度已不再成为Turbo均衡技术应用的瓶颈。随着短波数字通信技术的发展，短波信道的均衡技术得到了广泛的应用。该系统采用的基于MAP算法的Turbo均衡及译码算法可在计算机及通用硬件平台上开发实现，通过验证系统的性能，可得出如下结论：Turbo均衡器具有良好的性能，可抑制ISI效应，从而带来明显的性能提升，且具有良好的工程可实现性。

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Research on Turbo-equalization in Short-wave Digital Transmission Communication Systems

GUO Kai-feng, DIAO Ming

(College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin Heilongjiang 150001, China)

Short-wave communication is widely used in military, business and other fields, due to its advantages of mature technology, low cost and power consumption and long communication distance. However, the performance of short-wave communication systems is seriously influenced by inter-symbol interference (ISI) caused by the reflection of ionosphere such as multipath effect. These phenomena restrict the capacity of the channel and the speed of data transmission through wireless. To improve system reliability, Turbo equalization is used to process the

signals. With the idea of Turbo codes, Turbo equalization combines equalization with decoding to mitigate ISI through an iterative approach. This solution is widely used due to its outstanding performance. The main purpose of this paper is to introduce the short-wave digital communication system, and mainly studies the application of Turbo equalization in short wave digital system. The design and simulation of the whole process of signal processing are completed, and the ISI suppression function is verified.

short-wave communication; Turbo equalization; MAP; ISI

2017-04-20

国家自然科学基金面上项目(61571149)

郭凯丰(1992—)，男，硕士研究生，主要研究方向：数字通信系统；刁 鸣(1960—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向：宽带信号检测、处理与识别，通信信号处理。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.14

郭凯丰，刁鸣. 短波数传中的Turbo均衡技术研究[J].无线电通信技术,2017,43(5):62-66.

[GUO Kaifeng, DIAO Ming. Research on Turbo-equalization in Short-wave Digital Transmission Communication Systems [J]. Radio Communications Technology, 2017, 43(5):62-66.]

TP914.3

A

1003-3114(2017)05-62-5