级联编码在水声OFDM系统中的应用研究

王旭升,梁民赞,陈宝柱

(中国人民解放军91388部队,广东湛江524022)

0 引言

海洋水声信道是一种极其复杂多变的时-空-频变参信道,信道通带窄、多径干扰强和信号衰落严重是水声通信中信息高速可靠传输的主要障碍[1]。OFDM技术由于频带利用率高,具有良好的抗多径传播能力,信道均衡实现简单,为实现高速水声通信提供了一种可行的选择。但由于水声信道的极其恶劣性,采用信道编码的正交频分复用技术来进一步提高水声通信系统的可靠性是十分必要的。下面讨论级联编码技术在水声通信系统中的应用,信道级联编码采用卷积码和RS码级联,用Matlab6.5对其进行仿真,仿真信道模型水声信道仿真软件来模拟,并给出了试验结果及性能分析。

1 级联编码技术

1.1 级联编码技术的提出

1966年,Forney在平衡纠错码性能与设备复杂性的矛盾的基础上能获得可译码性好的高维编码提出了串行级联码的概念,即分别用2个确定的短码作为内、外码来构成长码。内、外码之间根据实际需要用交织器相联[2],外码可以继续纠正内码未能纠正的错误,串行级联码总的纠错性能取决于内、外码的纠错能力,是二者的性能函数的级联。

串行级联码一般采用非二进制 RS码作为外码,卷积码作为内码,具有较强的纠正突发和随机错误所形成的组合错误的能力。这里级联码将采用RS码作为外码,卷积码作为内码的方案[3]。

1.2 RS码

RS编码又称Reed-Solomon码,是一类具有很强纠错能力的多进制BCH码,在线性分组码中,其纠错能力和编码效率是最高的。在(n,k)RS码中,输入信号分成k◦mbit一组,每个码元由mbit组成,因此一个码组共包括k个码元。一个能纠正t个错误码元的RS码主要参数如下:

①码长n=2m-1码元,或m(2m-1)bit;

②监督码元数n-k=2t_码元,或m◦2tbit;

③最小码距dmin=2t+1码元,或m(2t+1)bit。

RS码能纠正t个m位二进制错误码组,其纠错能力由t决定,t越大,纠错能力越强,但系统计算率也越大。当某个符号的一位或多位发生错误时,就产生一个误符号,无论是这个符号中有一位错误还是m位全错了,所以RS码特别适合于纠正突发错误,也就是一个码字中的联续发生的位错误。

1.3 卷积码

卷积码,或称联环码,它与分组码不同的是,卷积码编码器把k比特信息段编成n比特的码组,但所编的n长码组不仅同当前的k比特信息段有关联,而且还同前面的N-1个(N＞1,整数)信息段有关联。一般称N为码的约束长度,卷积码通常被记作(n,k,N),其中n为编码器输出的码元个数,k为输入的码元个数,它的编码效率为R=k/n。卷积码在编码过程中充分利用了各组之间的相关性,随着N的增加,卷积码的纠错能力随之增强,误码率也成指数下降,因此卷积码以其优越的性能被广泛的应用在数字通信系统中,(2,1,7)卷积码已经是国际卫星通信的标准[3,4]。

2 级联编码在水声OFDM系统中的应用

水声信道是一个随机错误和突发错误同时存在,且以密集突发错误为主的记忆信道,在对称二进制信道(BSC)中,用普通的纠随机错误的分组码就能取得较好的效果,而在水声信道中用普通的纠随机错误的码和纠单个突发错误的码都不能取得良好的效果,所以水声通信应研究使用交错码、级联码和其他性能更好的纠错码等,来将密集的突发错误离散化,将记忆信道变为无记忆信道,然后纠随机错误,这样才能进一步降低误码率,保证整个水声通信系统信息传输的可靠性。基于编码的水声OFDM通信系统基本组成如图1所示。

输入比特序列完成串并变换后,根据采用的调制方式,完成相应的编码调制映射,形成调制信息序列 ,对其进行IFFT,计算出OFDM已调信号的时域抽样序列,加上循环前缀CP(循环前缀可以使OFDM系统完全消除信号的多径传播造成的符号间干扰(Inter Symbol Interference,ISI)和载波间干扰(Inter Carrier Interference,ICI),再做D/A 变换,得到OFDM已调信号的时域波形,接收端对接收信号做A/D变换,去掉前缀(CP),得到OFDM已调信号的抽样序列,对该抽样序列做FFT即得到原调制信息序列,而后进行解码及反映射得输出比特序列[5,6]。

图1 编码OFDM的水声通信系统

3 计算机仿真研究

这里利用Matlab进行算法仿真验证,用2台PC机声卡对图像信号进行采集和转换。显然,2个声卡的采样接收频率会存在偏差。系统采用RS码作为外码,卷积码作为内码的信道编码方案,调制映射方式为相移键控(PSK)和正交振幅调制(QAM);FFT点数为Tfft=2 048,保护间隔Tg=512;声卡采样频率都设置为44.1 kHz(肯定存在偏差);系统仿真时,子载波间隔为21.53 Hz;共278个子载波;信号的频带约为6～12 kHz,即信号带宽约为6 kHz,传输数据率最高达到8.65 kbit/s。仿真信道用某水声信道仿真软件来模拟,声源位于水平距离0 m、垂直深度10 m处,接收水听器位于水平距离1 km、垂直深度20 m处,指向性为-80°～80°。仿真信道特性如图 2和图3所示。

这里采用RS(15,9)和(2,1,7)卷积码级联,中间用交织器联接。级联码性能优于单独的RS码或卷积码。从图4和图5可以看出采用级联编码后通信系统可靠性明显增强。

图2 仿真信道的特征声线图

图3 仿真信道冲激响应图

图4 未编码不同调制方式的蒙特卡洛仿真

图5 级联编码后不同调制方式的蒙特卡洛仿真

4 试验研究

在哈尔滨工程大学水声工程学院信道水池进行水声OFDM通信试验,信道水池长25 m、宽2.5 m、深2.5 m,池壁四周贴着吸声尖劈,池底铺着30 cm厚的细沙,对20 kHz以上频率的声信号,其吸收系数大于99%。试验系统结构图如图6所示。水深约1.6 m,声源、水听器深约0.8 m,距前池壁1.2 m。

图6 水池试验系统结构

编码方式为RS+CC,试验结果如表1所示。

表1 级联码水池试验结果

从表1中可以看出,采取级联编码后,系统误码率迅速降低,大多实现零误码。水池试验结果与理论较吻合。

5 结束语

上述对提出的一种适用于水声OFDM通信中串行级联码结合交织器的差错控制编码方法:采用浅海水声信道模型对RS码(15,9)+卷积码(2,1,7)+随机交织结合不同调制方式进行了仿真分析和水池试验,从而验证水声通信中差错控制编码方法的可行性。从仿真分析的结果看,采用级联编码系统可靠性明显增强;从水池试验结果看,采取级联编码后通信系统抗干扰性能得到极大改善,大多实现零误码传输,编码效率从0.3～1.8 bps/Hz,传输数据率最高达到8.65 kbit/s时,误码率为 2.47×10-4。因此把级联编码与正交频分复用相结合的传输方案应用在水下无线声通信中是可行的,能极大改善水声通信系统的性能。

[1]惠俊英.水下声信道[M].北京:国防工业出版社,1992.

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

[3]王新梅,肖国镇.纠错码——原理与方法[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[4]SKLAR B.DigitalCommunicationsFundamentals and Applications[M].徐平平,宋铁成,叶芝慧,等译.北京:电子工业出版社,2007.

[5]朱 彤.基于正交频分复用的水声通信技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2004:25-36.

[6]王文博,郑 侃.宽带无线通信OFDM技术[M].北京:人民邮电出版社,2003.