級聯編碼在水聲OFDM系統中的應用研究

王旭升,梁民贊,陳寶柱

(中國人民解放軍91388部隊,廣東湛江524022)

0 引言

海洋水聲信道是一種極其復雜多變的時-空-頻變參信道,信道通帶窄、多徑干擾強和信號衰落嚴重是水聲通信中信息高速可靠傳輸的主要障礙[1]。OFDM技術由于頻帶利用率高,具有良好的抗多徑傳播能力,信道均衡實現簡單,為實現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用技術來進一步提高水聲通信系統的可靠性是十分必要的。下面討論級聯編碼技術在水聲通信系統中的應用,信道級聯編碼采用卷積碼和RS碼級聯,用Matlab6.5對其進行仿真,仿真信道模型水聲信道仿真軟件來模擬,并給出了試驗結果及性能分析。

1 級聯編碼技術

1.1 級聯編碼技術的提出

1966年,Forney在平衡糾錯碼性能與設備復雜性的矛盾的基礎上能獲得可譯碼性好的高維編碼提出了串行級聯碼的概念,即分別用2個確定的短碼作為內、外碼來構成長碼。內、外碼之間根據實際需要用交織器相聯[2],外碼可以繼續糾正內碼未能糾正的錯誤,串行級聯碼總的糾錯性能取決于內、外碼的糾錯能力,是二者的性能函數的級聯。

串行級聯碼一般采用非二進制 RS碼作為外碼,卷積碼作為內碼,具有較強的糾正突發和隨機錯誤所形成的組合錯誤的能力。這里級聯碼將采用RS碼作為外碼,卷積碼作為內碼的方案[3]。

1.2 RS碼

RS編碼又稱Reed-Solomon碼,是一類具有很強糾錯能力的多進制BCH碼,在線性分組碼中,其糾錯能力和編碼效率是最高的。在(n,k)RS碼中,輸入信號分成k?mbit一組,每個碼元由mbit組成,因此一個碼組共包括k個碼元。一個能糾正t個錯誤碼元的RS碼主要參數如下:

①碼長n=2m-1碼元,或m(2m-1)bit;

②監督碼元數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m位二進制錯誤碼組,其糾錯能力由t決定,t越大,糾錯能力越強,但系統計算率也越大。當某個符號的一位或多位發生錯誤時,就產生一個誤符號,無論是這個符號中有一位錯誤還是m位全錯了,所以RS碼特別適合于糾正突發錯誤,也就是一個碼字中的聯續發生的位錯誤。

1.3 卷積碼

卷積碼,或稱聯環碼,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長碼組不僅同當前的k比特信息段有關聯,而且還同前面的N-1個(N＞1,整數)信息段有關聯。一般稱N為碼的約束長度,卷積碼通常被記作(n,k,N),其中n為編碼器輸出的碼元個數,k為輸入的碼元個數,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性,隨著N的增加,卷積碼的糾錯能力隨之增強,誤碼率也成指數下降,因此卷積碼以其優越的性能被廣泛的應用在數字通信系統中,(2,1,7)卷積碼已經是國際衛星通信的標準[3,4]。

2 級聯編碼在水聲OFDM系統中的應用

水聲信道是一個隨機錯誤和突發錯誤同時存在,且以密集突發錯誤為主的記憶信道,在對稱二進制信道(BSC)中,用普通的糾隨機錯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錯誤的碼和糾單個突發錯誤的碼都不能取得良好的效果,所以水聲通信應研究使用交錯碼、級聯碼和其他性能更好的糾錯碼等,來將密集的突發錯誤離散化,將記憶信道變為無記憶信道,然后糾隨機錯誤,這樣才能進一步降低誤碼率,保證整個水聲通信系統信息傳輸的可靠性。基于編碼的水聲OFDM通信系統基本組成如圖1所示。

輸入比特序列完成串并變換后,根據采用的調制方式,完成相應的編碼調制映射,形成調制信息序列 ,對其進行IFFT,計算出OFDM已調信號的時域抽樣序列,加上循環前綴CP(循環前綴可以使OFDM系統完全消除信號的多徑傳播造成的符號間干擾(Inter Symbol Interference,ISI)和載波間干擾(Inter Carrier Interference,ICI),再做D/A 變換,得到OFDM已調信號的時域波形,接收端對接收信號做A/D變換,去掉前綴(CP),得到OFDM已調信號的抽樣序列,對該抽樣序列做FFT即得到原調制信息序列,而后進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

3 計算機仿真研究

這里利用Matlab進行算法仿真驗證,用2臺PC機聲卡對圖像信號進行采集和轉換。顯然,2個聲卡的采樣接收頻率會存在偏差。系統采用RS碼作為外碼,卷積碼作為內碼的信道編碼方案,調制映射方式為相移鍵控(PSK)和正交振幅調制(QAM);FFT點數為Tfft=2 048,保護間隔Tg=512;聲卡采樣頻率都設置為44.1 kHz(肯定存在偏差);系統仿真時,子載波間隔為21.53 Hz;共278個子載波;信號的頻帶約為6～12 kHz,即信號帶寬約為6 kHz,傳輸數據率最高達到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)卷積碼級聯,中間用交織器聯接。級聯碼性能優于單獨的RS碼或卷積碼。從圖4和圖5可以看出采用級聯編碼后通信系統可靠性明顯增強。

圖2 仿真信道的特征聲線圖

圖3 仿真信道沖激響應圖

圖4 未編碼不同調制方式的蒙特卡洛仿真

圖5 級聯編碼后不同調制方式的蒙特卡洛仿真

4 試驗研究

在哈爾濱工程大學水聲工程學院信道水池進行水聲OFDM通信試驗,信道水池長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厚的細沙,對20 kHz以上頻率的聲信號,其吸收系數大于99%。試驗系統結構圖如圖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 水池試驗系統結構

編碼方式為RS+CC,試驗結果如表1所示。

表1 級聯碼水池試驗結果

從表1中可以看出,采取級聯編碼后,系統誤碼率迅速降低,大多實現零誤碼。水池試驗結果與理論較吻合。

5 結束語

上述對提出的一種適用于水聲OFDM通信中串行級聯碼結合交織器的差錯控制編碼方法:采用淺海水聲信道模型對RS碼(15,9)+卷積碼(2,1,7)+隨機交織結合不同調制方式進行了仿真分析和水池試驗,從而驗證水聲通信中差錯控制編碼方法的可行性。從仿真分析的結果看,采用級聯編碼系統可靠性明顯增強;從水池試驗結果看,采取級聯編碼后通信系統抗干擾性能得到極大改善,大多實現零誤碼傳輸,編碼效率從0.3～1.8 bps/Hz,傳輸數據率最高達到8.65 kbit/s時,誤碼率為 2.47×10-4。因此把級聯編碼與正交頻分復用相結合的傳輸方案應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的性能。

[1]惠俊英.水下聲信道[M].北京:國防工業出版社,1992.

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

[3]王新梅,肖國鎮.糾錯碼——原理與方法[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000.

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

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

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