叶新生，刘国忠

(山西科泰航天防务技术有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

信道编码是无线通信系统中的重要组成部分[1]，而Turbo乘积码不仅具有良好的纠错性能，而且其编码算法简单，使用的资源较少，较为适合遥测领域的应用环境[2]。

信道编码技术会在遥测数据中增加纠错码，利用纠错码可对传输过程中的错误位进行纠错，可有效地降低遥测数据误码率。

使用信道编码可在不加大发射功率、不增加接收天线尺寸的情况下获得更远的遥测距离。

信道编码虽好，但需要遥测发射机与遥测接收机匹配使用，以及遥测发射机在发射数据时需要进行信道编码，遥测接收机在接收数据时需要进行信道解码。

遥测接收机一般属于接收设备，其更新换代的速度远不及遥测发射机。本文拟基于VC++研发一种TPC解码算法，基于算法可构建事后TPC解码软件，也可构建实时解码软件。通过这些方式可使原本不具备TPC解码的遥测接收站实现TPC解码能力，且可在不增加任何预算的情况下提高原遥测站的接收能力。

1 算法原理

TPC为分组乘积码，常用的结构为二维结构，分别进行纵向和横向编码。利用此种结构，可在2个维度上进行纠错，相比1维纠错码可极大地提高纠错能力。

1.1 TPC编码原理

Turbo乘积码是由两个或两个以上的短分组码C(n,k,δ)构成，其中n,k,δ分别表示分组码的长度、信息长度和最小汉明距离[3-4]。

本文使用目前应用最为广泛的二维乘积码，采用(64,57)×(64,57)扩展汉明乘积码[4]，即在汉明码的基础上增加一位奇偶校验位，该编码可纠错一位，发现二位错误，两个维度均使用相同的分组码。二维乘积码的结构如图1所示。

图1 二维乘积码的结构

在进行TPC编码时，先对信息位逐行编码，生成57×64的行编码矩阵。然后对行编码矩阵进行逐列编码，最终生成64×64的编码矩阵。

在完成编码后，输出时一个编码块为一帧，每帧前面添加4字节同步字1ACFFC1D，编码块输出时按先行后列顺序输出。

1.2 TPC解码原理

TPC解码算法有2类，一类为软解码，一类为硬解码。

其中软解码常用算法为ChaseII算法，其基本原理为将位同步输出的软信息(判决前信息)向量，作为TPC解码输入，根据信息的幅值，选取最不可靠的N位(一般N=2)，形成错误样本集合，从错误样本集合中找出与接收向量欧氏距离最小的子码为判决子码，同时将距离次小的子码为候选子码。同时利用外信息向量记录各位的软判决可靠度，进行迭代。经过多轮次(一般3次即可)迭代后完成解码[5-6]。

硬解码使用判决后的信息，利用汉明纠错算法直接进行纠错，根据扩展汉明码可以发现2位错位纠错1位的特性。当发现2位错位时，可不进行纠错，而是等下一轮次再行纠错，可在一定程度上提高纠错性能。

相对来说软解码要比硬解码具备更好的性能表现[7]，但是软解码需要更多的信息。如在接收机内部实现，可以使用软解码信息。本文是在接收机外部实现，接收机一般只输出判决后的信息，因此无法使用软解码算法，只能使用硬解码算法实现。

硬解码算法在FPGA中实现时，一般使用逻辑电路实现[7]；在VC上实现时，为加快软件的运行速度，本文采用查表法以加快解码速度。在计算前提前计算好每一位置对应的校验值数组(X1～X57),在解码时对每一位进行历遍，当该位为1时将该位置对应的校验值与校验位进行异或计算，具体原理见图2所示。

图2 查表法译码原理

当最后计算值为0则校验正确，如计算值不为0则说明数据有错位。

寻找错位位置方法的原理是，当数据无错位时其校验和应为0；当某位出现错误时，整个校验和必然会多异或了一次该位对应的校验值，下面推导该结论。

对数据位进行校验计算的公式如下，其中求和符号实际中为模二相加(同异或)，式中ai为数据位(取值为0或1)。

(1)

又，基于异或的原理有：

1=0⊕1,0=1⊕1

.

从上式可以看出，任何数(0或1)取反(误码相当于，原数据位取反)，均可看为其原值与1异或。

结合式(1)，可以得出如下结论，当某位am出现错位时，可以将表达式写成如下形式：

(2)

又根据原编码信息，有:

(3)

所以有：

y=Xm

.

(4)

从中可以看出，根据式(1)对编码数据进行计算，其计算结果非零时，其对应值为某位对应的校验值。因此在实际中，可以根据校验计算结果反查是哪位出错，即在{X1～X57}集合中查找Xm，当查到时其下标即为错误位的位置。

2 设计及仿真

上节给出了查表法实现TPC译码的基本原理，下面根据原理进行具体设计实现。

实际数据传输时，发射机会在数据帧中间插入同步字节，接收机利用同步字节识别数据帧，TPC解码程序同样要利用同步字节识别TPC数据帧，在识别完成后，按行列依次进行纠错处理，处理流程如图3所示。整个纠错流程包括行纠错及列纠错，整个纠错过程包括3轮,分别进行行纠错和列纠错。在纠错时如果确认是一位错则修正，若是两位错或无错位则不进行任何处理。

在纠错时，需要按位取出数据进行处理，为便于取数据位，使用了一个位模板数组。

m[8]={0x80,0x40,0x20,0x10,0x08,0x04,0x02,0x01}；

在实际运行时，需要对字节中不同数据位进行判定操作，取位模板数组中不同数进行判定与操作，即可取出对应位信息，具体见公式(5)所示。

a=x∧m[i]

.

(5)

因此测试某位是否为1时，只要按公式(5)计算，取其结果，当结果非0时，即可判定该位为1，否则为0，使用该方法可实现数据位的快速判定。

本文使用的是扩展型汉明码，即在编码时，除汉明纠错码外，还有一位表示全部的奇偶校验，因此可以利用该特性实现发现2位错的能力，其判定方式可参考表1。

图3 数据解码流程

序号汉明纠错奇偶校验判定1111位错2102位错301奇偶位错400无错位

从表1可以看出综合汉明纠错信息和奇偶校验信息，可实现1位错的判定及2位错的发现，在实现时仅当判定位1位错时进行纠错。通过该方式可有效避免错误纠错。

在实际实现时还需要考虑行列数据的数据结构，本文采用二维数组来进行数据帧的存储。

因TPC数据帧结构固定，因此实现时采用64行8列的数组进行数据存储，具体如下：

char dat[64][8];

图4 数据存储方式

在完成TPC帧同步后，将帧数据按图4方式整理成二维数组，需要注意的是因TPC数据每行有57位，因此TPC帧中的数据并非按字节对齐。在完成处理后还需要重新进行对齐处理，如果TPC帧中数据本身并非按字节对齐则还要重新进行同步处理，从其中还原出字节数据。

在纠错过程中，先进行逐行纠错处理，然后进行逐列纠错处理，总共进行3轮次行列纠错即可。

3 实现与测试

利用Visual Studio平台，并基于VC++实现了TPC信道解码软件，软件界面如图5所示。

该软件不仅完成了TPC信道解码，还完成了解码后数据帧的提取。为实现数据帧提取，需要设置数据帧头、帧头长度、反码副帧长、错误容量等信息。

图5 TPC信道解码软件界面

为测试其性能，利用具备TPC编码功能的发射机，发射仿真数据以进行解析验证，从验证情况看该TPC解码算法运行正常，从图6可以看出，数据纠错正常。

打开解析完的数据帧可以看到EB90前面的帧计数连续，数据帧无丢失。

经过验证后，该软件已经在实际遥测活动中得到推广应用，实际使用反馈情况良好，通过该软件使原先不具备TPC解码能力的遥测站，具备接收对TPC遥测帧的解析能力，还可利用TPC纠错算法提高数据质量。

图6 TPC信道解码软件

图7 TPC信道解码数据

4 结束语

本文利用VC++平台，实现了TPC信道编解码，可在不增加预算的情况下扩展原有遥测设备的功能，提高其接收性能，已在相关实际项目中得以应用，并取得良好的实用效果。

并且实现时考虑了实时应用和事后数据处理2种情况，使用简便且可以广泛应用，可在各遥测设备中推广使用。

但是为适应目前遥测设备，目前仅仅实现了TPC的硬解码，为进一步提升性能，后续考虑增加软解码能力，但软解码如要推行需要遥测设备进行相应改进，使其输出可供软解码的额外信息。

信道编解码，通过在遥测数据中增加校验信息，以实现信息纠错，从而获得编码增益，是无线通信领域的一个重要技术手段，如何通过后期改造使早期遥测设备提升能力，也是一个重要课题，本文提出的思路可在此领域进行推广应用。