水声通信系统中的信道编码技术研究

仅供个人参考水通系中信编技研信道编码定理为人们探索信道的最佳编码方案提供了理论依据没有指明如何获得好码。目前，出现了多种信道编码方案，RS码卷积码、级联码等。本文简要介绍了RS和卷积码的基本原理，并进行了相应的计算机仿真，并给出了加入了RS和卷积码水声通信系统的水池实验数据，结果表明利用信道编码技术能够提高水声通信系统的误码性能。（一）Reed码1960年和G.Solomond提出RS称码RS是一类纠错能力很强的多进制BCH码。RS码是在上度为N=q-1的原BCH码据可纠正错误确定，通常等于个字符。这样，编码具有信息字符。这种码具有N个息字符，可纠正个错误。长度为N设计距离为=q-k的RS码的生成多项式为：g(x)

1

2

3

1

(1)本论文系统中实现的编码器按图作码前A0~A13或单元写入信息字（分别对应1个或2个可纠错码单记载类构造器算出的校验多项式的系数值后校验多项式系数和信息字相乘并相加图所示。运算的结果得出校验字符，存（此时，信息字符向左移位过继续，直到A15出现信息字高位元素。这样，在编码中，为纠正1个误，必须进行2次迭代；为纠正2个错误，必须进行次。图1RS码码器的结构纠错码的译码问题，一直是编码理论中最感兴趣的课题之一RS在短和中的码长下，具有很好的纠错性能，构造容易，故得到广泛应用。RS的译码基本上分为：第一步是由接收到的计出伴随式；第2步由伴随式找出错误图样；3步由R(x)-能发送的码字。记信息多项式，则发送码字接收到的码字:不得用于商业用途

xln仅供个人参考xln(2)设错误图样为:ex1

1

(3)若信道产生t个错误，则:x

tt1(4)t1称为错误位置数，表明错误发生在中的第l(的系数算作第一位i错误值，则有：iS

1

Y11

Y2

Yxtt

2x21x2tx2t2t2

t2t

(5)我们可以用上述的方程求出2t个知,y直接求解上述方程比i较困难。所以分两步进行，先求出错误位,然后求出错误值y由此引入错i误多项式:x)x12

(6)若个错误位

,则

因此，求错误位置就是求解位置多项式根。因为方程的根一定在上，为了检验是否有错误，nl相当于译码器要确定a

nl

是否是错误位置数，这等于校验a

是否是的根。如果是，则

l

0

(7)

2l

有错nl

2l

正确nl这样一次对每一个a

进行校验，就求出了

的根。解出

的根13

t

以后，代入(出错误值为Y

i

x1x1

Sxx1itSxx22it

X

(8)xSxtx1ti1t（二）积码卷积码，或称连环码，是于1955年提出来的一种非分组码。它与分组码不同的是码编码器k特信息段编特的码组编长码组不仅同当前k比信息段有关联，而且还同前面1个，整数）信息段有关联。一般N为的约束长度，卷积码通常被记作nkN其为编码器输出的码元个数k是输入的码元个数为约束长度，它的编码效率Rk。积码在编码过程中充分利用了各组之间的相关性，无论从不得用于商业用途

仅供个人参考理论上还是实践上均已证明其性能要优于分组码，随着N的增加，卷积码的纠错能力随之增强码率也成指数下降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）卷积码已经是国际卫星通信的标准。其编码方式如下图2：图2（21码编码器的结构对卷积码的译码现在都采用译码，它是一种改进的最大似然译码方法，因其纠错能力强而得到广泛的应用接收端的译码过程中据对接收码元处理方式的不同分为硬判决和软判决译码硬判决译码简单而易于实现但是比起软判决译码有3dB的能损失，本系统采用硬判决译码。硬判决译中有最大似然函数的路径是欧几里得距离(ED)小路径译码器是根据网格图进行译码的，它对进入网格图中J时刻的每一状态的两条路径进行比较，保留似然值最小路径作为幸存路径，然后延伸一个时间单位至，按同样方式进行比较、计算，最后按一定的判决深度进行判决，作为译码输出。大多数用来提高信道传输可靠性的码在信道差错满足统计独立时使用起来很有效，AWGN

信道就是这样，但是对于具有多径和衰落特点的水声信道，其差错特性就具有突发性突发差错信道的一个有效办法就是对编码数据实行交织，把突发差错信道转变为统计独立差错的信道。由于交织交织的效果，突发错误在时间上被分散，于是在每个码字上的差错就显得独立了。（三）织技术常用的交织技术主要有两类：分组交织和随机交织。分组交织就是将数据流分成长度为的块数据逐行写入一个L行W列的矩阵形缓冲区，写满后再逐列读出。分组交织属于固定周期式排列的交织器免不了在特殊情况下随机独立错误交织成突发错误的可能性者对于突发错误不能很好预知的信道织参数不能很好预设为了克服这些不足就需要用到随机交织随机交织器是一种随机置换过程，信息序列交织后的输出是随机的序列。当输入信号向量X的长度为时，它随机产生一个长度为N置换向量，这个置换向量E是介于1N之间的一个排列。随机交织根据这个置换向量把输入信号X换为输出信不得用于商业用途

仅供个人参考号YX。（四）算机仿真本文利用进行算法仿真验证仿真参数为点T，fft保护间隔循环前缀)T采频率设置；系统仿真时，信号的频g带约，子载波间隔共1115个载波。这里给出模拟浅海水声信道模型下的仿真结果某水声信道仿真软件来模拟浅海水声信道，模拟海深约50米；声源位于水平距0米、垂直深10米的位置；接收机位于水平距离5000、垂直深度米位置；从声源到接收机共有41条径。1(15码仿真结果：REB

果

1012

1618图3未加信道编码的不同调制方式下的蒙特卡洛仿真101010

RS同调制方式蒙特卡洛仿真REB

101010

BPSKQPSK8PSK8APSK16PSK16APSK16QAM64QAM04810SNR

14161820图4RS码同调制方式下的蒙特卡洛仿真比较两图可以看出加性能有所改善，但不明显。这说明RS码在低阶不得用于商业用途

仅供个人参考调制或在原始误码率较低的情况下有较好性能。2码仿真结果：REB

10101010

卷积码（21同调制方式蒙特卡仿真BPSKQPSK8PSK8APSK16PSK16APSK16QAM64QAM10

04612SNR

141618图5（21码不同调制方式下的蒙特卡洛仿真10

0

8PSK较1010

-1-2

(214)(217)(219)(319)REB101010

-3-4-5026810SNR(dB)

121416图68PSK调制方式下不同参数卷积码的性能比较从上面的仿真图中可以看出信噪比较大时积码体现出很好的误码特性和编码增益，而在信噪比较低时，卷积码的性能有所下降。可以看出，码率相同时束长度越大误码性能偏好束长度一样率越低码性能越好。而且卷积码的纠错能力要强于RS。（五）道编码的水实验水池及实验设备的摆放示意图及试验系统结构图见图和，尺寸如图标注。水深约1.6m声源、水听器深约0.8m距前池壁1.2m不得用于商业用途

仅供个人参考图7水池试验场景图数字信源

编码调制

功放

发射换能器示波器

水声信道解调及解码

滤波

放大

接收换能器图8水池试验系统结构图试验借助计算机，采用声卡发送接收，声卡的采样频率（收发之间肯定存在偏差2008年12日水声工程学院信道水池进行高速水声通信试验。对于水池试验，系统主要参数设计为：分配给系统的频带范围为；收发换能器的距离大约米；FFT点数为保护间隔为2048；有效子载波数量为；A转采用声卡，采样率为44100；试验采用线性调频信号为同步信号，其起始频率为，持续时间为20ms。三、RS码的试验结果表1RS编试验结果调制方式BPSKQPSK8PSK8APSK16PSK16APSK16QAM64QAM

编码方式RS(159)RS(159)RS(159)RS(159)RS(159)RS(159)RS(159)RS(159)

原始误码率6.2500e-0040.00540.01630.01610.04490.03540.02690.0791

纠错后误码率005.5556e-00400.00740.00310.00110.0428

带宽效率)1*0.62*0.63*0.63*0.64*0.64*0.64*0.66*0.6由以上试验结果可以看出，RS码后通信系统性能有所改善，在低阶调制或在原始误码率较低的情况下比较明显阶调制时误码率基本下降了一数量级达到1不得用于商业用途

仅供个人参考四、卷积码的试验结果表2卷积编码试验结果调制方式BPSKQPSK8PSK8APSK16PSK16APSK16QAM64QAM

原始误码率6.2500e-0040.00540.01630.01610.04490.03540.02690.0791

CC(214)00000.00118.75e-00400.016

编码方式CC(217)00000000.00136

CC(219)00000008.75e-004

带宽效率()1*0.52*0.53*0.53*0.54*0.54*0.54*0.56*0.5从上面试验结果可以看出，卷积码体现出良好的纠错能力，在码率相同时，约束长度越大（一般约束长度小10性能偏好。而且卷积码的纠错能力要强于RS。不得用于商业用途

仅供个人参考仅供个用学习、究不得用商业用。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.