級(jí)聯(lián)編碼在水聲OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王旭升,梁民贊,陳寶柱

(中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì),廣東湛江524022)

0 引言

海洋水聲信道是一種極其復(fù)雜多變的時(shí)-空-頻變參信道,信道通帶窄、多徑干擾強(qiáng)和信號(hào)衰落嚴(yán)重是水聲通信中信息高速可靠傳輸?shù)闹饕系K[1]。OFDM技術(shù)由于頻帶利用率高,具有良好的抗多徑傳播能力,信道均衡實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,為實(shí)現(xiàn)高速水聲通信提供了一種可行的選擇。但由于水聲信道的極其惡劣性,采用信道編碼的正交頻分復(fù)用技術(shù)來進(jìn)一步提高水聲通信系統(tǒng)的可靠性是十分必要的。下面討論級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)在水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用,信道級(jí)聯(lián)編碼采用卷積碼和RS碼級(jí)聯(lián),用Matlab6.5對(duì)其進(jìn)行仿真,仿真信道模型水聲信道仿真軟件來模擬,并給出了試驗(yàn)結(jié)果及性能分析。

1 級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)

1.1 級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)的提出

1966年,Forney在平衡糾錯(cuò)碼性能與設(shè)備復(fù)雜性的矛盾的基礎(chǔ)上能獲得可譯碼性好的高維編碼提出了串行級(jí)聯(lián)碼的概念,即分別用2個(gè)確定的短碼作為內(nèi)、外碼來構(gòu)成長(zhǎng)碼。內(nèi)、外碼之間根據(jù)實(shí)際需要用交織器相聯(lián)[2],外碼可以繼續(xù)糾正內(nèi)碼未能糾正的錯(cuò)誤,串行級(jí)聯(lián)碼總的糾錯(cuò)性能取決于內(nèi)、外碼的糾錯(cuò)能力,是二者的性能函數(shù)的級(jí)聯(lián)。

串行級(jí)聯(lián)碼一般采用非二進(jìn)制 RS碼作為外碼,卷積碼作為內(nèi)碼,具有較強(qiáng)的糾正突發(fā)和隨機(jī)錯(cuò)誤所形成的組合錯(cuò)誤的能力。這里級(jí)聯(lián)碼將采用RS碼作為外碼,卷積碼作為內(nèi)碼的方案[3]。

1.2 RS碼

RS編碼又稱Reed-Solomon碼,是一類具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制BCH碼,在線性分組碼中,其糾錯(cuò)能力和編碼效率是最高的。在(n,k)RS碼中,輸入信號(hào)分成k?mbit一組,每個(gè)碼元由mbit組成,因此一個(gè)碼組共包括k個(gè)碼元。一個(gè)能糾正t個(gè)錯(cuò)誤碼元的RS碼主要參數(shù)如下:

①碼長(zhǎng)n=2m-1碼元,或m(2m-1)bit;

②監(jiān)督碼元數(shù)n-k=2t_碼元,或m?2tbit;

③最小碼距dmin=2t+1碼元,或m(2t+1)bit。

RS碼能糾正t個(gè)m位二進(jìn)制錯(cuò)誤碼組,其糾錯(cuò)能力由t決定,t越大,糾錯(cuò)能力越強(qiáng),但系統(tǒng)計(jì)算率也越大。當(dāng)某個(gè)符號(hào)的一位或多位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí),就產(chǎn)生一個(gè)誤符號(hào),無論是這個(gè)符號(hào)中有一位錯(cuò)誤還是m位全錯(cuò)了,所以RS碼特別適合于糾正突發(fā)錯(cuò)誤,也就是一個(gè)碼字中的聯(lián)續(xù)發(fā)生的位錯(cuò)誤。

1.3 卷積碼

卷積碼,或稱聯(lián)環(huán)碼,它與分組碼不同的是,卷積碼編碼器把k比特信息段編成n比特的碼組,但所編的n長(zhǎng)碼組不僅同當(dāng)前的k比特信息段有關(guān)聯(lián),而且還同前面的N-1個(gè)(N＞1,整數(shù))信息段有關(guān)聯(lián)。一般稱N為碼的約束長(zhǎng)度,卷積碼通常被記作(n,k,N),其中n為編碼器輸出的碼元個(gè)數(shù),k為輸入的碼元個(gè)數(shù),它的編碼效率為R=k/n。卷積碼在編碼過程中充分利用了各組之間的相關(guān)性,隨著N的增加,卷積碼的糾錯(cuò)能力隨之增強(qiáng),誤碼率也成指數(shù)下降,因此卷積碼以其優(yōu)越的性能被廣泛的應(yīng)用在數(shù)字通信系統(tǒng)中,(2,1,7)卷積碼已經(jīng)是國(guó)際衛(wèi)星通信的標(biāo)準(zhǔn)[3,4]。

2 級(jí)聯(lián)編碼在水聲OFDM系統(tǒng)中的應(yīng)用

水聲信道是一個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤同時(shí)存在,且以密集突發(fā)錯(cuò)誤為主的記憶信道,在對(duì)稱二進(jìn)制信道(BSC)中,用普通的糾隨機(jī)錯(cuò)誤的分組碼就能取得較好的效果,而在水聲信道中用普通的糾隨機(jī)錯(cuò)誤的碼和糾單個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤的碼都不能取得良好的效果,所以水聲通信應(yīng)研究使用交錯(cuò)碼、級(jí)聯(lián)碼和其他性能更好的糾錯(cuò)碼等,來將密集的突發(fā)錯(cuò)誤離散化,將記憶信道變?yōu)闊o記憶信道,然后糾隨機(jī)錯(cuò)誤,這樣才能進(jìn)一步降低誤碼率,保證整個(gè)水聲通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃??；诰幋a的水聲OFDM通信系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

輸入比特序列完成串并變換后,根據(jù)采用的調(diào)制方式,完成相應(yīng)的編碼調(diào)制映射,形成調(diào)制信息序列 ,對(duì)其進(jìn)行IFFT,計(jì)算出OFDM已調(diào)信號(hào)的時(shí)域抽樣序列,加上循環(huán)前綴CP(循環(huán)前綴可以使OFDM系統(tǒng)完全消除信號(hào)的多徑傳播造成的符號(hào)間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)和載波間干擾(Inter Carrier Interference,ICI),再做D/A 變換,得到OFDM已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形,接收端對(duì)接收信號(hào)做A/D變換,去掉前綴(CP),得到OFDM已調(diào)信號(hào)的抽樣序列,對(duì)該抽樣序列做FFT即得到原調(diào)制信息序列,而后進(jìn)行解碼及反映射得輸出比特序列[5,6]。

圖1 編碼OFDM的水聲通信系統(tǒng)

3 計(jì)算機(jī)仿真研究

這里利用Matlab進(jìn)行算法仿真驗(yàn)證,用2臺(tái)PC機(jī)聲卡對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換。顯然,2個(gè)聲卡的采樣接收頻率會(huì)存在偏差。系統(tǒng)采用RS碼作為外碼,卷積碼作為內(nèi)碼的信道編碼方案,調(diào)制映射方式為相移鍵控(PSK)和正交振幅調(diào)制(QAM);FFT點(diǎn)數(shù)為Tfft=2 048,保護(hù)間隔Tg=512;聲卡采樣頻率都設(shè)置為44.1 kHz(肯定存在偏差);系統(tǒng)仿真時(shí),子載波間隔為21.53 Hz;共278個(gè)子載波;信號(hào)的頻帶約為6～12 kHz,即信號(hào)帶寬約為6 kHz,傳輸數(shù)據(jù)率最高達(dá)到8.65 kbit/s。仿真信道用某水聲信道仿真軟件來模擬,聲源位于水平距離0 m、垂直深度10 m處,接收水聽器位于水平距離1 km、垂直深度20 m處,指向性為-80°～80°。仿真信道特性如圖 2和圖3所示。

這里采用RS(15,9)和(2,1,7)卷積碼級(jí)聯(lián),中間用交織器聯(lián)接。級(jí)聯(lián)碼性能優(yōu)于單獨(dú)的RS碼或卷積碼。從圖4和圖5可以看出采用級(jí)聯(lián)編碼后通信系統(tǒng)可靠性明顯增強(qiáng)。

圖2 仿真信道的特征聲線圖

圖3 仿真信道沖激響應(yīng)圖

圖4 未編碼不同調(diào)制方式的蒙特卡洛仿真

圖5 級(jí)聯(lián)編碼后不同調(diào)制方式的蒙特卡洛仿真

4 試驗(yàn)研究

在哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院信道水池進(jìn)行水聲OFDM通信試驗(yàn),信道水池長(zhǎng)25 m、寬2.5 m、深2.5 m,池壁四周貼著吸聲尖劈,池底鋪著30 cm厚的細(xì)沙,對(duì)20 kHz以上頻率的聲信號(hào),其吸收系數(shù)大于99%。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。水深約1.6 m,聲源、水聽器深約0.8 m,距前池壁1.2 m。

圖6 水池試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

編碼方式為RS+CC,試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 級(jí)聯(lián)碼水池試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出,采取級(jí)聯(lián)編碼后,系統(tǒng)誤碼率迅速降低,大多實(shí)現(xiàn)零誤碼。水池試驗(yàn)結(jié)果與理論較吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

上述對(duì)提出的一種適用于水聲OFDM通信中串行級(jí)聯(lián)碼結(jié)合交織器的差錯(cuò)控制編碼方法:采用淺海水聲信道模型對(duì)RS碼(15,9)+卷積碼(2,1,7)+隨機(jī)交織結(jié)合不同調(diào)制方式進(jìn)行了仿真分析和水池試驗(yàn),從而驗(yàn)證水聲通信中差錯(cuò)控制編碼方法的可行性。從仿真分析的結(jié)果看,采用級(jí)聯(lián)編碼系統(tǒng)可靠性明顯增強(qiáng);從水池試驗(yàn)結(jié)果看,采取級(jí)聯(lián)編碼后通信系統(tǒng)抗干擾性能得到極大改善,大多實(shí)現(xiàn)零誤碼傳輸,編碼效率從0.3～1.8 bps/Hz,傳輸數(shù)據(jù)率最高達(dá)到8.65 kbit/s時(shí),誤碼率為 2.47×10-4。因此把級(jí)聯(lián)編碼與正交頻分復(fù)用相結(jié)合的傳輸方案應(yīng)用在水下無線聲通信中是可行的,能極大改善水聲通信系統(tǒng)的性能。

[1]惠俊英.水下聲信道[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1992.

[2]FOR NEY G D.Concatenated Codes[M].Cambridge,MA:MIT Press,1966.

[3]王新梅,肖國(guó)鎮(zhèn).糾錯(cuò)碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000.

[4]SKLAR B.DigitalCommunicationsFundamentals and Applications[M].徐平平,宋鐵成,葉芝慧,等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]朱 彤.基于正交頻分復(fù)用的水聲通信技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2004:25-36.

[6]王文博,鄭 侃.寬帶無線通信OFDM技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2003.