水聲通信系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)研究

1、水聲通信系統(tǒng)中的信道編碼技術(shù)研究信道編碼定理為人們探索信道的最佳編碼方案提供了理論依據(jù)，但并沒有指明如何獲得好碼。目前，出現(xiàn)了多種信道編碼方案，如RS碼、卷積碼、級聯(lián)碼等。本文簡要介紹了RS碼和卷積碼的基本原理，并進行了相應的計算機仿真，并給出了加入了RS碼和卷積碼水聲通信系統(tǒng)的水池實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明利用信道編碼技術(shù)能夠提高水聲通信系統(tǒng)的誤碼性能。（一）ReedSolomon碼1960 年I.S Reed和G.Solomond 提出RS碼,又稱ReedSolomon碼，RS碼是一類糾錯能力很強的多進制BCH碼。RS碼是在GF(q)上長度為N=q-1的本原BCH碼。冗余根據(jù)可糾正錯誤確定，通常等

2、于2t個字符。這樣，編碼具有k=q-2t-1個信息字符。這種碼具有N個信息字符，可糾正t個錯誤。長度為N，設計距離為的RS碼的生成多項式為： (1)本論文系統(tǒng)中實現(xiàn)的編碼器按圖1工作。開始編碼前，向A0A13或A0A11單元寫入信息字符（分別對應1個或2個可糾錯碼）。P0P15單元記載類構(gòu)造器算出的校驗多項式的系數(shù)值。然后校驗多項式系數(shù)和信息字相乘并相加，如圖所示。運算的結(jié)果得出校驗字符，存入A0（此時，信息字符向左移位）。生成過程繼續(xù)，直到A15出現(xiàn)信息字高位元素。這樣，在編碼中，為糾正1個錯誤，必須進行2次迭代；為糾正2個錯誤，必須進行4次。圖1 RS碼編碼器的結(jié)構(gòu)糾錯碼的譯碼問題，一直是

3、編碼理論中最感興趣的課題之一。RS在短和中的碼長下，具有很好的糾錯性能，構(gòu)造容易，故得到廣泛應用。RS的譯碼基本上分為3步：第一步是由接收到的R(x)計算出伴隨式；第2步由伴隨式找出錯誤圖樣E(x)；第3步由R(x)- E(x)得到可能發(fā)送的碼字C(x)。記q(x)為信息多項式，則發(fā)送碼字C(x)q(x)g(x)，接收到的碼字:R(x)C(x)E(x) (2)設錯誤圖樣為: (3)若信道產(chǎn)生t個錯誤，則: (4)稱為錯誤位置數(shù)，表明錯誤發(fā)生在R(x)中的第n-(的系數(shù)算作第一位)，錯誤值為，則有： (5) 我們可以用上述的2t個方程求出2t個未知數(shù)，要直接求解上述方程比較困難。所以分兩步進行，

4、先求出錯誤位置,然后求出錯誤值。由此引入錯誤多項式: (6)若第個錯誤位置,則。因此，求錯誤位置就是求解位置多項式的根。因為方程的根一定在GF(q)上，為了檢驗第位是否有錯誤，相當于譯碼器要確定是否是錯誤位置數(shù)，這等于校驗是否是的根。如果是，則 (7) 有錯 正確這樣一次對每一個進行校驗，就求出了的根。解出的根以后，代入(4)解出錯誤值為: (8)（二）卷積碼卷積碼，或稱連環(huán)碼，是由P.Elias于1955年提出來的一種非分組碼。它與分組碼不同的是，卷積碼編碼器把比特信息段編成比特的碼組，但所編的長碼組不僅同當前的比特信息段有關(guān)聯(lián)，而且還同前面的個（>1，整數(shù)）信息段有關(guān)聯(lián)。一般稱為碼的

5、約束長度，卷積碼通常被記作（，），其中為編碼器輸出的碼元個數(shù)，是輸入的碼元個數(shù)，為約束長度，它的編碼效率為。卷積碼在編碼過程中充分利用了各組之間的相關(guān)性，無論從理論上還是實踐上均已證明其性能要優(yōu)于分組碼，隨著的增加，卷積碼的糾錯能力隨之增強，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用在數(shù)字通信系統(tǒng)中，（2，1，7）卷積碼已經(jīng)是國際衛(wèi)星通信的標準。其編碼方式如下圖2：圖2（2 1 7）卷積碼編碼器的結(jié)構(gòu)對卷積碼的譯碼現(xiàn)在都采用Viterbi譯碼，它是一種改進的最大似然譯碼方法，因其糾錯能力強而得到廣泛的應用。在接收端的譯碼過程中，根據(jù)對接收碼元處理方式的不同，分為硬判決和軟判決譯碼

6、。硬判決譯碼簡單而易于實現(xiàn)，但是比起軟判決譯碼有3dB的性能損失，本系統(tǒng)采用硬判決譯碼。硬判決Viterbi譯碼中，具有最大似然函數(shù)的路徑是歐幾里得距離(ED)最小路徑。Viterbi譯碼器是根據(jù)網(wǎng)格圖進行譯碼的，它對進入網(wǎng)格圖中J時刻的每一狀態(tài)的兩條路徑進行比較，保留似然值最小路徑作為幸存路徑，然后延伸一個時間單位至j+1，按同樣方式進行比較、計算，最后按一定的判決深度s進行判決，作為譯碼輸出。大多數(shù)用來提高信道傳輸可靠性的碼在信道差錯滿足統(tǒng)計獨立時使用起來很有效，AWGN信道就是這樣，但是對于具有多徑和衰落特點的水聲信道，其差錯特性就具有突發(fā)性。處理突發(fā)差錯信道的一個有效辦法就是對編碼數(shù)據(jù)

7、實行交織，把突發(fā)差錯信道轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)計獨立差錯的信道。由于交織/解交織的效果，突發(fā)錯誤在時間上被分散，于是在每個碼字上的差錯就顯得獨立了。（三）交織技術(shù)常用的交織技術(shù)主要有兩類：分組交織和隨機交織。分組交織就是將數(shù)據(jù)流分成長度為W*L的塊，將數(shù)據(jù)逐行寫入一個L行W列的矩陣形緩沖區(qū)，寫滿后再逐列讀出。分組交織屬于固定周期式排列的交織器，避免不了在特殊情況下，將隨機獨立錯誤交織成突發(fā)錯誤的可能性，再者對于突發(fā)錯誤不能很好預知的信道，交織參數(shù)不能很好預設，為了克服這些不足，就需要用到隨機交織。隨機交織器是一種隨機置換過程，信息序列交織后的輸出是隨機的序列。當輸入信號向量X的長度為N時，它隨機產(chǎn)生一個長度

8、為N的置換向量E，這個置換向量E是介于1和N之間的一個排列。隨機交織根據(jù)這個置換向量把輸入信號置換為輸出信號：。（四）計算機仿真本文利用Matlab進行算法仿真驗證，系統(tǒng)仿真參數(shù)為：FFT點數(shù)為=8192，保護間隔(循環(huán)前綴)=2048；采樣頻率設置為；系統(tǒng)仿真時，信號的頻帶約為，子載波間隔為；共1115個子載波。這里給出模擬淺海水聲信道模型下的仿真結(jié)果。采用某水聲信道仿真軟件來模擬淺海水聲信道，模擬海深約為50米；聲源位于水平距離0米、垂直深度10米的位置；接收機位于水平距離5000米、垂直深度20米的位置；從聲源到接收機共有41條多徑。1）、RS(15 9)碼仿真結(jié)果：圖3 未加信道編碼的

9、不同調(diào)制方式下的蒙特卡洛仿真圖4 RS碼不同調(diào)制方式下的蒙特卡洛仿真比較兩圖可以看出加RS碼性能有所改善，但不明顯。這說明RS碼在低階調(diào)制或在原始誤碼率較低的情況下有較好性能。2）、卷積碼仿真結(jié)果：圖5 （2 1 7）卷積碼不同調(diào)制方式下的蒙特卡洛仿真圖6 8PSK調(diào)制方式下不同參數(shù)卷積碼的性能比較從上面的仿真圖中可以看出，當信噪比較大時，卷積碼體現(xiàn)出很好的誤碼特性和編碼增益，而在信噪比較低時，卷積碼的性能有所下降?？梢钥闯?，碼率相同時，約束長度越大，誤碼性能偏好。約束長度一樣，碼率越低，誤碼性能越好。而且卷積碼的糾錯能力要強于RS碼。（五）信道編碼的水池實驗水池及實驗設備的擺放示意圖及試驗系

10、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖5.1和5.2，各尺寸如圖標注。水深約1.6m，聲源、水聽器深約0.8m，距前池壁1.2m。圖7 水池試驗場景圖圖8 水池試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖試驗借助計算機，采用聲卡發(fā)送接收，聲卡的采樣頻率為44.1kHz（收發(fā)之間肯定存在偏差），于2008年12月18-22日在水聲工程學院信道水池進行高速水聲OFDM通信試驗。對于水池試驗，系統(tǒng)主要參數(shù)設計為：分配給系統(tǒng)的頻帶范圍為6kHz12kHz；收發(fā)換能器的距離大約5米；FFT點數(shù)為8192；保護間隔為2048；有效子載波數(shù)量為1115；A、D轉(zhuǎn)換采用聲卡，采樣率為44100；試驗采用線性調(diào)頻信號為同步信號，其起始頻率為9kHz，持續(xù)時間為20m

11、s。三、RS編碼的試驗結(jié)果表1 RS編碼試驗結(jié)果調(diào)制方式編碼方式原始誤碼率糾錯后誤碼率帶寬效率(bit/Hz)BPSKRS(15 9)6.2500e-00401*0.6QPSKRS(15 9)0.005402*0.68PSKRS(15 9)0.01635.5556e-0043*0.68APSKRS(15 9)0.016103*0.616PSKRS(15 9)0.04490.00744*0.616APSKRS(15 9)0.03540.00314*0.616QAMRS(15 9)0.02690.00114*0.664QAMRS(15 9)0.07910.04286*0.6由以上試驗結(jié)果可以看出，加RS編碼后通信系統(tǒng)性能有所改善，在低階調(diào)制或在原始誤碼率較低的情況下比較明顯，在高階調(diào)制時誤碼率基本下降了一數(shù)量級達到。四、卷積碼的試驗結(jié)果表2 卷積編碼試驗結(jié)果調(diào)制方式原始誤碼率編 碼 方 式帶寬效率(bit/Hz)CC(2 1 4)CC(2 1 7)CC(2 1 9)BPSK6.2500e-0040001*0.5QPSK0.00540002*0.58PSK0.01630003*0.58APSK0.01610003*0.5