2008年第11期，第41卷 通 信 技 术 Vol.41，No.11,2008 总第203期Communications Technology No.203,Totally
张俊昌
（海军驻北京地区通信军事代表室，北京 100000）
【摘 要】现代战争越来越依赖高效、可靠的通信保障，实现恶劣环境下的高速率可靠通信是我军需要重点研究的方向。文中首先介绍了目前国内外比较先进的调制编码技术，包括信道编码技术中的Tubro、LDPC码，信号调制中的OFDM与SC/FDE 技术，然后分析了这些调制编码技术的技术特点，结合军用通信的应用背景，给出了OFDM调制与LDPC编码在军用通信中的应用前景。
【关键词】调制；编码；OFDM；Turbo；LDPC；SC/FDE
【中图分类号】TN911.2【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2008)11-0041-03
Modern Modulation Encoding Technology and Its Applications
in Military Communications
ZHANG Jun-chang
（Navy, Beijing 100000, China）
现代【Abstract】Modern warfare ever relies on the highly efficient and reliable communication. So, the highly efficient and reliable communication in adverse environment has become the focus for military research. The article presents first the advanced modulation and encoding technology at present, including Tubro and LDPC in channel encoding, OFDM and SC/FDE in signal modulating. Then it analyzes the characteristic of these technologies, and in combination with the application in military communication, gives the application prospect of the OFDM and LDPC in future military communication. It may provide some reference for future development of the military communication.
【Key words】modulation；encoding；OFDM；Turbo；LDPC；SC/FDE
0 引言
在未来信息化战争中，要夺取制信息权、打赢战争，离不开强有力的军事通信保障。无线电通信技术是军事通信系统的重要组成部分，如何利用现有先进的调制编码技术，并结合军事通信的特点，实现恶劣战场环境下舰—舰、岸—舰的高容量、高速率通信，是非常紧迫的任务和重点研究方向。
无线信道环境恶劣且难以预测。无线电波传输不仅有传播路径损耗，并且受到多径效应、多普勒频移和阴影效应等不利因素的影响，极大地影响了通信质量。为此人们不断研究各种先进的通信技术以提高无线通信的性能，试验结果表明，采用先进的调制和编码技术不仅能提高通信质量，而且节省功率资源。
文中介绍了几种现代调制与编码技术，并对OFDM调制和LDPC编码技术在军用通信中的应用前景进行了分析。1 现代调制编码技术
1.1 信道编码技术
几十年来，人们一直在寻求实现简单的编译码方法，期望能够逼近香农（Shannon）理论极限[1]。从早期的Hamming 码、BCH码、RS码，到后来的卷积码、级联码，以及今天的Turbo码[2]和LDPC[3]码，所能达到的性能与Shannon限的距离在不断缩小。这些先进的信道编码技术已经在通信领域广泛使用。
1.1.1 Turbo 码
Turbo码又称并行级联卷积码（Parallel Concatenated Convolutional Codes），由法国C.Berrou等人在1993年ICC93国际通信会议上提出[4]。它巧妙地将卷积码和随机交织器结合在一起，实现了随机编码的思想。Turbo码采用简单的卷积码级联结构和最大后验概率（Maximum A Posterior
收稿日期：2008-05-05。
作者简介：张俊昌（1965-），男，工程师，从事无线通信领域研发和项目管理工作。
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42 Probability, MAP ）迭代译码算法，取得了接近香农极限的纠错译码性能。
Turbo 码的一个重要特点是它的分量码采用递归系统卷积码（RSC,Recursive Systematic Convolutional code ），这也是它性能优越的一个重要原因。RSC 编码器一般有2-5级移位寄存器，其生成多项式表示为：
21()1,g G D g ⎡⎤
=⎢⎥⎣⎦。 （1）
其中，1表示系统比特，1g 和2g 分别表示编码器的前馈和反馈多项式。
另外，采用迭代译码[5]
的思想也是Turbo 码的一种重要
特点，它的复杂性仅随着信息序列的大小而成线性增长。通常采用MAP 译码算法，或者其简化算法Log-MAP 算法和Max-Log-MAP 算法，将大部分的乘法运算转化为加法运算，既减小了运算复杂度，又便于硬件实现。
Turbo 码技术已广泛应用，其许多关键技术已有了多种改进方案，使其性能更高，更有利于软硬件的实现。Turbo 码已被美国作为深空通信的标准，同时也被确定为第三代移动通信系统（IMT-2000）的信道编码方案之一，如3GPP 的WCDMA 、CDMA2000和中国的TD-SCDMA 均采用了Turbo
信道编码方案[6]
。
1.1.2 LDPC 码
LDPC 码，又称为低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Codes ），是Gallager 于1962年提出的一种具有稀疏校
验矩阵的分组纠错码，亦称Gallager 码[7]
，LDPC 码的性能
可以达到Turbo 码的性能且实现成本远低于Turbo 码。
LDPC 码是一类特殊的线性分组码，该码的校验矩阵中绝大多数元素是0，只有很少的部分元素为1，所以是“稀疏”或者“低密度”校验矩阵。LDPC 码分为规则LDPC 码与非规则LDPC 码。通常非规则LDPC 码性能优于规则LDPC 码，因为在变量节点和校验节点的总度数一定时，度数大的变量节点从校验节点得到的信息较多，所以能够更好地被正确译码，这些正确的译码信息经校验节点提供给度数较小的变量节点，使度数较小的变量节点也能更好地被正确译码。
近年来，LDPC 码以其优异的性能日益受到重视，在空间通信、光纤通信、个人通信系统、ADSL 和磁记录设备等
方面都有较好的发展前景。 1.2 载波调制技术 1.2.1 OFDM
正交频分复用（OFDM ）正成为目前大多数无线通信系统中的核心技术。其原理是将高速数据流经串/并转换分配到速率相对较低的若干子信道传输。由于各子信道的符号周期相对增加，故减轻了由信道多径时延产生的时间弥散对系统造成的影响。在OFDM 符号间插入保护间隔，并令保护间隔大于无线信道的最大时延扩展以消除符号间干扰（ISI ）。OFDM 系统子载波间隔为符号周期的倒数，各子载波相互正交，频谱相互重叠；各子信道频谱的最大值于其他子信道频谱零点对应，既减小了子载波间的相互干扰又提高了频谱效率。
OFDM 系统结构如图1所示，首先将并行数据转换为串行数据。OFDM 调制采用信道编码（卷积纠错码、Turbo 码等）来抑制多径效应，数据符号映射到一个相应的星座上（如同QPSK ，QAM ），结果I 和Q 存储在缓冲中，并应用快速傅里叶反变换（IFFT ）生成用于OFDM 传输的正交载波。
OFDM 技术备受关注源于其独特的优点：很高的频谱利用率，抗多径干扰与频率选择性衰落能力强，动态子载波、功率、比特分配技术等。OFDM 每个子信道近似为平坦衰落信道，使得信道均衡变得容易，有利于高速数据的传输。
OFDM 作为高频谱效率的调制方案已被许多国际标准采用，如DVB-T 、DAB 、IEEE 802.11、IEEE 802.16、IEEE 802.15等。OFDM 将成为新一代无线通信系统中特别是下行链路的最优调制方案之一。 1.2.2 SC/FDE
单载波频域均衡技术（SC/FDE ），是宽带无线传输中另一种对抗多径效应的有效方法，早在1994年由Sari ，Karam 和Jeanclaude 提出。单载波系统发送调制后的高速率单载波信号，接收端通过FFT 和IFFT 变换实现频域均衡（FDE ）。SC/FDE 和OFDM 相比，两者在原理和实现结构上有很多相似之处，例如都使用了FFT 运算、靠保护间隔消除ISI ，信道估计和均衡都在频域进行。SC/FDE 系统在形式上相当于将OFDM 系统发送端的IFFT 模块移至接收端。
SC/FDE 系统结构框图如图2所示。
图1 OFDM 系统结构
图2 SC/FDE系统结构
SC/FDE有效地结合了OFDM和单载波传输的优点。由于使用单载波调制方法，较之于OFDM系统，没有PAPR问题的困扰，放宽了对接收元器件的约束，功率放大器的使用效率更高。另外，SC/FDE系统接收机的复杂度远低于采用时域均衡器的单载波系统。
2 OFDM与LDPC技术在军用通信中的应用分析
短波通信是远距离军事通信的主要方式之一，其使用频率为1.5~30 MHz，通常短波信道是一种缓慢变化的信道，多径延迟为2~8 ms，而在某些地区多径延迟可达13 ms以上。在短波信道的频谱资源非常有限的条件下支持高速的数据传输，就需要采用高频谱效率且能够有效抵抗多径时延的调制技术。
OFDM技术能够很好地满足这种要求，其频谱效率较高、且抗多径效应，能够实现高达5 bit/Hz的传输速率。此外，多载波OFDM系统能够对系统资源在时域、频域二维进行灵活调度，并与AMC体制结合，实现自适应传输，获得了更大的分集增益，提高了系统传输容量和性能。OFDM系统还可以支持FH跳频技术，具有信号传输的隐蔽性。
相比而言，单载波SC/FDE的传输速率因受到均衡技术的限制，难以支持100 kb/s以上的宽带传输。另外，单载波SC/FDE系统易被敌方跟踪、锁定频率和电子干扰，不能满足军事通信信息安全的需要。
高速通信系统同时还对编码技术和译码方法提出了非常严格的要求。与Turbo码相比，LDPC码属于高效编码技术，其码率可灵活调整，能支持各种速率要求，而译码器能有效使用并行译码方法，极大地提高了译码速度，从而支持更高速率的宽带传输。研究结果表明，在使用各种译码算法（最优的、次优的）时，LDPC码比Turbo码有明显的较优的误码性能。
总之，多载波OFDM技术和LDPC编码技术是未来提高军用短波通信系统的传输速率和抗干扰能力的关键技术，是非常重要的研究方向。
3 结语
目前，很多先进的调制编码技术被广泛应用于军事通信中，例如OFDM调制以其传输速率快、频带利
用率高和抗多径能力强等优点日益受到人们的重视，并逐步应于短波通信领域，以取代原来的单载波调制和非正交多载波调制技术。
将现代调制编码技术应用于各种军事通信领域，需要结合军用通信的特点，到先进的调制编码技术与军用通信的切入点，进行大量的各种环境条件下的仿真实验，从而为军用通信提供比较完善的解决方案。
参考文献
[1] Shannon C E. A Mathematical Theory of Communication[J]. Bell
System Technical Journal,1948,27:379-423.
[2] Berrou C, Blavieux A, Thitimajshima P. Near Shannon Limit
Error-Correcting Coding and Decoding [C]. In: Proc 1993 IEEE International Conference on Communications, Geneva, Switzerland, 1993.
[3] Gallager R G. Low Density Parity Check Codes[J]. IRE
Transactions on Information Theory, 1962, 8(3): 208-220. [4] Berrou C,Glavieux A. Near Optimum Error Correcting Coding and
Decoding:Turbo-codes[J]. IEEE Transactions on Communications, 1993;44(10):1261-1271
[5] 刘东华.Turbo 码原理与应用技术[M].北京：电子工业出版社,2004.
[6] 王海燕. 基于Turbo码的OFDM系统信道编码技术研究[D].北京：中
国石油大学,2001.
[7] Gallager R G. Low Density Parity Check Codes[M]. Cambridge,
Mass: MIT Press, 1963.
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