采用RS-CC級(jí)聯(lián)碼提高深海投棄式剖面儀傳輸可靠性的研究*

鄭 羽，宋國(guó)民，尚應(yīng)生，李紅志，張孝薇，田 磊，李晴文

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387； 2.天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112)

深海投棄式剖面儀具有走航、大面積、低成本、實(shí)時(shí)和高精度測(cè)量的特點(diǎn)，其主要的產(chǎn)品類型包括投棄式溫度剖面測(cè)量?jī)x(Expendable Bathythermograph，簡(jiǎn)稱XBT)、投棄式電導(dǎo)率、溫度、深度剖面儀(Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System，簡(jiǎn)稱XCTD)、投棄式海流剖面測(cè)量?jī)x(Expendable current profiler，簡(jiǎn)稱XCP)、投棄式聲速剖面儀(Expendable Sound Velocimeter，簡(jiǎn)稱XSV)。該類儀器探頭為一次性使用，水下探頭上的數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并以數(shù)字信號(hào)形式通過細(xì)傳輸線同步傳輸?shù)剿辖邮昭b置，其中傳輸信道由直徑約為0.1 mm，總長(zhǎng)超過2 000 m的兩根平行漆包線組成[1-2]。在探頭工作過程中，由于信道阻抗參數(shù)實(shí)時(shí)變化，測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，給信號(hào)可靠傳輸帶來(lái)極大困難，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃猿蔀樯詈Ｗ吆酵稐壥狡拭鎯x發(fā)展的關(guān)鍵問題。XCTD作為該類儀器的典型產(chǎn)品之一，近幾年一直受到海洋學(xué)家和研究學(xué)者的高度重視[3-4]。

ASK是目前XCTD采用的最為普遍的單載波頻帶調(diào)制方式，解調(diào)過程中幅值問題是抽樣判決輸出的關(guān)鍵問題。探測(cè)深度和傳輸頻率的變化以及海洋噪聲量級(jí)的增加均對(duì)信號(hào)幅值有較大影響，因此單一的ASK調(diào)制技術(shù)已不能滿足XCTD測(cè)量可靠性的需求[5]。由于電信號(hào)在XCTD信道中傳輸時(shí)會(huì)受到信道衰落和噪聲干擾的影響，尤其是信號(hào)上傳到海面時(shí)會(huì)受到船體設(shè)備工頻噪聲的影響，使其在傳輸過程中產(chǎn)生復(fù)雜的錯(cuò)碼類型。為了滿足接收端解調(diào)信號(hào)數(shù)據(jù)的可靠性，XCTD通信系統(tǒng)中需在ASK頻帶調(diào)制的基礎(chǔ)上采用信道編碼技術(shù)保證數(shù)據(jù)電信號(hào)的可靠傳輸。

RS-CC級(jí)聯(lián)碼(Reed-Solomon Convolutional Concatenated Code，簡(jiǎn)稱RS-CC)是IEEE802.16e-2005協(xié)議中可選的信道編碼方式，目前被廣泛研究和使用[6-7]。Han Juntao等[8]針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下無(wú)線信道中的突發(fā)錯(cuò)碼和隨機(jī)錯(cuò)碼，提出了RS碼+卷積碼的級(jí)聯(lián)編碼方案，結(jié)果表明，在較低信噪比條件下可以獲得較理想的誤碼率。劉磊等[9]針對(duì)復(fù)雜多變的時(shí)變衰落水聲信道，提出了RS碼+交織器+卷積碼的級(jí)聯(lián)編碼方案，通過仿真和對(duì)比分析表明，該編碼方案有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，適合復(fù)雜多變強(qiáng)干擾的衰落信道。張澤書等[10]為解譯平衡碼的復(fù)雜性和糾錯(cuò)能力，提出了RS碼+交織器+卷積碼的級(jí)聯(lián)編碼方案，通過仿真測(cè)試，在誤碼率不超過10-4時(shí)，可提高編碼增益1.5 dB以上，糾錯(cuò)能力有較大提升。XCTD信道與水聲信道特性相似，表現(xiàn)出傳播衰減、窄帶、時(shí)變、低信噪比等特點(diǎn)，又表現(xiàn)出復(fù)雜的錯(cuò)碼類型。因此，針對(duì)XCTD信道的復(fù)雜特性和信號(hào)在其中傳輸時(shí)產(chǎn)生的復(fù)雜錯(cuò)碼類型，依據(jù)有噪信道編碼定理(香農(nóng)第二定理)[11]，根據(jù)不同信道編碼善于糾正不同錯(cuò)碼類型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了RS-CC級(jí)聯(lián)碼的信道編碼方案，選取關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，具體分析了測(cè)量深度，噪聲量級(jí)和傳輸頻率對(duì)譯碼結(jié)果的影響。

1 XCTD信道特點(diǎn)

據(jù)報(bào)道，XCTD設(shè)備信號(hào)最大傳輸頻率為2 400 Hz、最大有效探測(cè)深度為2 000 m；中國(guó)該設(shè)備信號(hào)的最大傳輸頻率為800 Hz、最大有效探測(cè)深度1 000 m。本文作者之前建立了該信道的電路模型[12]，并對(duì)信道的傳輸特點(diǎn)進(jìn)行了分析[13]。根據(jù)XCTD的實(shí)際工作需要，本文選取信號(hào)頻率值300、600、800和1 200 Hz，及200、1 000、1 800 m三個(gè)放線長(zhǎng)度值進(jìn)行分析，其幅頻特性曲線如圖1所示。從圖1左圖可知，在一定信號(hào)傳輸頻率條件下，隨著測(cè)量深度的增加，信道阻抗參數(shù)動(dòng)態(tài)變化，信道構(gòu)成復(fù)雜的濾波系統(tǒng)，使信號(hào)幅值嚴(yán)重衰減。從圖1右圖可知，在一定測(cè)量深度條件下，隨著傳輸頻率的增加，不理想的信道特性變的更加復(fù)雜和不穩(wěn)定，信道濾波作用也更加明顯，使數(shù)據(jù)信號(hào)幅值進(jìn)一步衰減。

圖1 信號(hào)的幅值隨傳輸頻率和測(cè)量深度增加變化的特性曲線Fig.1 The characteristic curve of signal amplitude changing with the increase of transmission frequency and investigation depth

2 XCTD信道編碼方案的實(shí)現(xiàn)

信道衰落和噪聲干擾都會(huì)引起突發(fā)錯(cuò)碼[14]，隨著探測(cè)深度和傳輸頻率的增加，信道衰落嚴(yán)重，信號(hào)幅值不斷衰減，使信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生大量的相對(duì)集中出現(xiàn)的突發(fā)錯(cuò)碼；同時(shí)由于信號(hào)在傳輸時(shí)會(huì)受到海洋環(huán)境中隨機(jī)噪聲和突發(fā)噪聲的干擾，使信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生一定量的隨機(jī)錯(cuò)碼和突發(fā)錯(cuò)碼。因此，數(shù)據(jù)信號(hào)在XCTD信道中傳輸時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)碼類型以突發(fā)錯(cuò)碼為主，隨機(jī)錯(cuò)碼為輔，突發(fā)錯(cuò)碼與隨機(jī)錯(cuò)碼并存。

級(jí)聯(lián)碼通過將不同的碼型結(jié)合起來(lái)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能糾正隨機(jī)錯(cuò)碼，又能糾正突發(fā)錯(cuò)碼。首先，針對(duì)信道錯(cuò)碼類型，選擇善于糾正突發(fā)錯(cuò)碼的RS碼作為級(jí)聯(lián)碼的外碼，選擇善于糾正隨機(jī)錯(cuò)碼的卷積碼作為級(jí)聯(lián)碼的內(nèi)碼。強(qiáng)干擾可能導(dǎo)致內(nèi)碼維特比譯碼器產(chǎn)生的突發(fā)錯(cuò)碼數(shù)量超出外碼譯碼器的糾錯(cuò)能力，因此在編碼過程中需采用交織技術(shù)打散成串出現(xiàn)的錯(cuò)碼[15]。一方面防止出現(xiàn)超出RS譯碼器糾錯(cuò)能力的較長(zhǎng)突發(fā)錯(cuò)碼；一方面有利于將維特比譯碼器未能糾正的突發(fā)錯(cuò)碼集中到RS碼字符號(hào)內(nèi)。RS-CC級(jí)聯(lián)碼算法實(shí)現(xiàn)的流程如圖2所示。其次，編碼器和交織器參數(shù)的改變可能會(huì)造成譯碼復(fù)雜性的增加，因此，需要在誤碼率和譯碼復(fù)雜性之間做出平衡。由于數(shù)據(jù)的處理在船上的接收裝置上完成，在譯碼復(fù)雜性可接受的條件下，可以盡可能提高信道編碼的糾錯(cuò)能力。卷積碼的最大似然譯碼復(fù)雜性隨約束長(zhǎng)度的增加成倍增加，且誤比特率隨最小距離的增加呈指數(shù)形式下降。在碼率為1/2且約束長(zhǎng)度不超過10的卷積碼中，(7,1/2)卷積碼能夠達(dá)到最大的最小距離，且約束長(zhǎng)度為7的最大似然譯碼復(fù)雜性可接受[16]。通常卷積譯碼器輸出的突發(fā)錯(cuò)誤長(zhǎng)度小于其約束長(zhǎng)度的幾個(gè)倍數(shù)，因此RS碼的糾錯(cuò)能力應(yīng)大于卷積碼的最大錯(cuò)誤序列長(zhǎng)度，同時(shí)經(jīng)解交織后能將錯(cuò)誤集中到RS碼字符號(hào)內(nèi)。(255,223)RS碼的糾錯(cuò)能力為16位、碼字符號(hào)為8位，能夠與約束長(zhǎng)度為7的卷積碼很好的匹配。交織器的交織寬度不小于RS碼的約束長(zhǎng)度(255)以打散突發(fā)錯(cuò)碼，交織深度不小于卷積碼的差錯(cuò)序列長(zhǎng)度(7)以集中錯(cuò)誤到單個(gè)RS符號(hào)內(nèi)。綜上所述，對(duì)XCTD信道來(lái)說(shuō)，選用(255,223)RS碼+(8,255)交織器+(7,1/2)卷積碼的RS-CC級(jí)聯(lián)碼的信道編碼方案是一種較為理想的選擇。

圖2 RS-CC級(jí)聯(lián)碼算法實(shí)現(xiàn)的流程圖Fig.2 The flow chart of algorithm implementation of RS-CC concatenated code

對(duì)(255,223)RS碼，(7,1/2)卷積碼，(8,255)交織器來(lái)說(shuō)，將8個(gè)223位的碼字符號(hào)按照外碼(255,223)RS碼編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，由其最小漢明距離確定的生成矩陣，得到8個(gè)255位的編碼輸出碼字，每個(gè)碼字符號(hào)由8位二進(jìn)制比特組成；將得到的RS碼字送入(8,255)交織器，數(shù)據(jù)以行的方式輸入，每行一個(gè)碼字，以列的方式輸出，得到255個(gè)8位交織碼字；將得到的碼字送入(7,1/2)卷積碼內(nèi)碼編碼器，得到255×8個(gè)碼長(zhǎng)為2，信息位為1的卷積碼碼字序列；最終得到8個(gè)(255×2 223)級(jí)聯(lián)碼碼字，經(jīng)過ASK調(diào)制之后進(jìn)行傳輸。譯碼是編碼的逆過程，將解調(diào)后恢復(fù)出的8個(gè)(255×2 223)級(jí)聯(lián)碼字送入內(nèi)碼維特比譯碼器，由分支度量生成單元計(jì)算出各個(gè)狀態(tài)所有轉(zhuǎn)移分支的分支度量，接著進(jìn)入加比選單元，確定似然度最大的路徑并進(jìn)行糾錯(cuò)，將其度量值與其對(duì)應(yīng)的幸存路徑信息存儲(chǔ)在路徑信息更新單元中，當(dāng)達(dá)到譯碼深度后，得到255個(gè)8位待解交織碼字；將得到碼字序列，送入解交織器，按列存入，按行讀出，得到8個(gè)255位的碼字；將得到的解交織碼字送入外碼RS譯碼器，由伴隨多項(xiàng)式求出其關(guān)鍵方程，確定錯(cuò)誤圖樣并進(jìn)行糾錯(cuò)，得到8個(gè)223位的原始碼字。

3 仿真結(jié)果的比較和分析

由于海水介質(zhì)的導(dǎo)電性差且海域面積寬闊，可將其作地線處理，因此數(shù)據(jù)信號(hào)在深海中傳輸時(shí)，所受噪聲干擾的影響較小。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)上傳到海面附近時(shí)，受船體設(shè)備工頻50 Hz噪聲的影響，噪聲量級(jí)大大提高，甚至淹沒有效信號(hào)，因此選用量級(jí)范圍為-60～40 dB的噪聲來(lái)模擬XCTD的噪聲環(huán)境。本文首先針對(duì)探測(cè)深度、傳輸頻率和噪聲量級(jí)對(duì)ASK頻帶傳輸?shù)挠绊?，根?jù)之前選取的頻率特征點(diǎn)，具體分析了不同傳輸條件下ASK解調(diào)產(chǎn)生的誤碼率，如圖3所示。

圖3 探測(cè)深度、傳輸頻率和噪聲量級(jí)對(duì)ASK頻帶傳輸?shù)挠绊慒ig.3 The investigation depth, transmission frequency and level of noise have influence on ASK band transmission

從圖3中可以看出，噪聲量級(jí)的變化是影響ASK頻帶傳輸可靠性的主要因素。當(dāng)噪聲量級(jí)在-60～10 dB時(shí)，隨著探測(cè)深度和傳輸頻率的增加，誤碼率接近于0且保持不變；當(dāng)噪聲量級(jí)為20 dB時(shí)，隨著探測(cè)深度和傳輸頻率的增加，誤碼率在0.000 3～0.002范圍內(nèi)波動(dòng)，且在探測(cè)深度為1 800 m時(shí)，誤碼率增加到0.07左右；當(dāng)噪聲量級(jí)為30 dB時(shí)，隨著探測(cè)深度和傳輸頻率的增加，誤碼率在0.06～0.09范圍內(nèi)波動(dòng)，且在探測(cè)深度為1 800 m時(shí)，誤碼率增加到0.2以上；當(dāng)噪聲量級(jí)為40 dB時(shí)，噪聲完全淹沒有效信號(hào)，誤碼率在0.2以上，解調(diào)失敗，因此針對(duì)放線中后期過程和大噪聲環(huán)境，以ASK頻帶調(diào)制為基礎(chǔ)，在探測(cè)深度為1 000 m時(shí)選擇噪聲量級(jí)20和30 dB，在探測(cè)深度為1 800 m時(shí)選擇噪聲量級(jí)10和20 dB，具體分析傳輸頻率對(duì)RS-CC級(jí)聯(lián)碼+ASK傳輸方式結(jié)果的影響，并與ASK頻帶傳輸方式進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，在探測(cè)深度為1 000 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為20 dB時(shí)，使用RS-CC級(jí)聯(lián)碼的編碼方式，誤碼率隨著傳輸頻率的增加保持不變且為0，與ASK調(diào)制方式相比，誤碼率整體減小了0.000 8左右；在探測(cè)深度為1 800 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為10 dB時(shí)，使用RS-CC級(jí)聯(lián)碼的編碼方式，誤碼率隨著傳輸頻率的增加同樣保持不變且為0，與ASK調(diào)制方式相比，誤碼率整體減小了0.001左右。從圖4(b)中可以看出，在探測(cè)深度為1 000 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為30 dB時(shí)，使用RS-CC級(jí)聯(lián)碼的編碼方式，誤碼率隨著傳輸頻率的增加在0～0.015范圍內(nèi)波動(dòng)，與ASK頻帶調(diào)制方式相比，誤碼率整體減小了0.065左右；在探測(cè)深度為1 800 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為20 dB時(shí)，使用RS-CC級(jí)聯(lián)碼的編碼方式，誤碼率隨著傳輸頻率的增加在0.02～0.03范圍內(nèi)波動(dòng)，與ASK頻帶調(diào)制方式相比，誤碼率整體減小了0.06左右。為了進(jìn)一步了解串行級(jí)聯(lián)碼在XCTD在整個(gè)工作過程中信號(hào)傳輸誤碼率的變化，具體分析了探測(cè)深度、傳輸頻率和大噪聲對(duì)串行級(jí)聯(lián)碼譯碼結(jié)果的影響，如圖5所示。

圖4 大深度放線距離和大噪聲環(huán)境條件下，傳輸頻率對(duì)ASK頻帶傳輸方式和RS-CC+ASK傳輸方式的影響的對(duì)比圖Fig.4 The transmission frequency have influence on ASK band transmission and RS-CC + ASK transmission mode under the condition of deep depth and strong noise

((a)傳輸頻率300 Hz;(b)傳輸頻率600 Hz;(c)傳輸頻率800 Hz;(d)傳輸頻率1 200 Hz。(a)results of 300 Hz transmission frequency.(b)results of 600 Hz transmission frequency.(c)results of 800 Hz transmission frequency.(b)results of 1 200 Hz transmission frequency.)
圖5 探測(cè)深度、傳輸頻率和大噪聲對(duì)RS-CC級(jí)聯(lián)碼譯碼結(jié)果的影響
Fig.5 The influence of investigation depth, transmission frequency and strong noise on the error rate of using RS-CC encoding method

通過對(duì)圖5分析可知，噪聲量級(jí)和傳輸頻率是影響譯碼結(jié)果可靠性的主要因素。從圖5(a)中可以看出，在傳輸頻率為300 Hz的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為10和20 dB時(shí)，誤碼率隨著探測(cè)深度的增加保持不變且為0，但當(dāng)噪聲量級(jí)為20 dB，深度增加到1 800 m時(shí)，誤碼率增加到0.025 左右；當(dāng)噪聲量級(jí)為30 dB時(shí)，誤碼率隨著探測(cè)深度的增加在0.012～0.025范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)噪聲量級(jí)為40 dB時(shí)，誤碼率隨著探測(cè)深度的增加在0.5左右波動(dòng)，譯碼失敗。在圖5(b～d)中，誤碼率隨著探測(cè)深度的增加與圖4(a)中有相同曲線走勢(shì)，區(qū)別在于隨著傳輸頻率的增加，當(dāng)噪聲量級(jí)為30 dB時(shí)，誤碼率的波動(dòng)范圍發(fā)生變化。當(dāng)傳輸頻率為600 Hz時(shí)，誤碼率在0.02上下波動(dòng)；當(dāng)傳輸頻率為800 Hz時(shí)，誤碼率在0.03～0.045范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)傳輸頻率為1 200 Hz時(shí)，誤碼率在0.01～0.02范圍內(nèi)波動(dòng)。

4 結(jié)論

ASK頻帶傳輸方式適用于10 dB小噪聲的測(cè)量環(huán)境，且噪聲是影響其數(shù)據(jù)傳輸可靠性的主要因素。為了提高深海投棄式剖面儀ASK頻帶傳輸?shù)目煽啃?，本文在ASK頻帶調(diào)制基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種(255,223)RS碼+(8,255)交織器+(7,1/2)卷積碼的RS-CC級(jí)聯(lián)碼的編碼方案，通過以上分析可以得到如下結(jié)論：

(1)在探測(cè)深度小于1 800 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為20 dB時(shí)，采用該編碼方式將誤碼率由10-3降低到0；當(dāng)探測(cè)深度增加到1 800 m時(shí)，該編碼方式將誤碼率由0.07左右降低到0.02左右。

(2)在探測(cè)深度小于1 800 m的條件下，當(dāng)噪聲量級(jí)為30 dB時(shí)，采用該編碼方式將誤碼率由10-2降低到0；當(dāng)探測(cè)深度增加到1 800 m時(shí)，該編碼方式將誤碼率由0.2左右降低到0.025左右。

因此，該編碼方式能夠保證XCTD以高傳輸頻率在大深度、30 dB噪聲量級(jí)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這對(duì)于提高深海投棄式剖面儀信號(hào)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┝艘环N新的研究思路，對(duì)深海水文數(shù)據(jù)的獲取和海洋資源勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。