水聲OFDM系統(tǒng)中卷積碼譯碼設(shè)計方案解析

水聲信道可用頻帶窄，具有強多途、高噪聲，同時伴有明顯的隨機包絡(luò)起伏。這些特性使水聲信道具有典型的頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落的特點。信號經(jīng)過復(fù)雜的水聲信道會出現(xiàn)隨機錯誤和突發(fā)錯誤。因此需要加入糾錯編碼與交織相結(jié)合的時頻編碼方案進行錯誤糾正［1］。在水聲通信中，糾錯編碼是不可或缺的技術(shù)之一。
　　目前通常采用的編碼方案有卷積碼、Turbo碼和LDPC碼等。后兩者具有接近香農(nóng)限的性質(zhì)，在水聲OFDM系統(tǒng)中都表現(xiàn)出很好的糾錯特性。在編碼增益上，卷積碼比Turbo碼和LDPC碼分別低3.8 dB和4 dB［2］，但其實現(xiàn)簡單，實時性好。因此從水聲OFDM系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的角度綜合考慮，本文采用卷積碼作為系統(tǒng)的差錯控制方案。
　　為提高系統(tǒng)性能和實時性，本文在方案中采用了卷積交織和Viterbi軟譯碼等方法。經(jīng)過大量仿真及水池實驗，確定了交織和編譯碼的最佳參數(shù)。在TMS320DM642上實現(xiàn)時，通過采用蝶形運算等優(yōu)化方法減少了譯碼復(fù)雜度，提高了運算速度。最后通過海洋實驗驗證了其性能。
　　1 水聲OFDM通信系統(tǒng)原理及編譯碼方案確定
　　圖1為水聲OFDM基帶通信系統(tǒng)圖［3］。由于水聲信道存在嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，采用卷積編碼實現(xiàn)各個子載波上的糾錯。為了抵抗由于時變帶來的突發(fā)錯誤，采用交織技術(shù)將突發(fā)錯誤打散為隨機錯誤。對卷積交織后的串行數(shù)據(jù)流進行DQPSK映射、IFFT、插入循環(huán)前綴以及并串轉(zhuǎn)換后形成OFDM符號，加入同步前導(dǎo)符號后經(jīng)水聲信道發(fā)送出去。在接收端提取同步信息后，經(jīng)過一系列與發(fā)送端相反的逆過程實現(xiàn)OFDM解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)據(jù)流再經(jīng)過解交織和Viterbi譯碼后還原數(shù)據(jù)信息。
　　
　　卷積碼碼型的選擇主要根據(jù)系統(tǒng)的相干帶寬和相干時間來確定。為了提高水聲信道的頻帶利用率，通常采用1/2碼率的卷積碼。約束長度的選擇以不同信噪比條件下卷積碼性能為參考。仿真和水池實驗結(jié)果表明：信噪比較高時，約束長度越大卷積碼性能越好；信噪比較低時，約束長度越小卷積碼性能越好。由于水聲信道的信噪比較低，本文最終確定使用生成矩陣為［7，5］的（2，1，3）卷積碼，從復(fù)雜度與性能上折中考慮，譯碼回溯深度定為16，Viterbi軟譯碼量化級數(shù)定為3bit均勻量化。交織長度和深度的確定要綜合考慮實時性和譯碼性能，仿真結(jié)果表明交織長度為4個OFDM符號時，最佳交織深度為96。
　　該系統(tǒng)在Matlab平臺上進行水池實驗，實驗結(jié)果如圖2所示。實驗中對采用三個不同方案的OFDM系統(tǒng)進行了性能比較，以示波器觀測到的接收端信號幅度作為SNR大小的參照。實驗中噪聲幅度約為150 mV。從圖中可以明顯看出Viterbi軟譯碼性能最佳。
　　
　　2 DSP優(yōu)化實現(xiàn)
　　2.1 交織的優(yōu)化
　　硬件實現(xiàn)時需考慮所使用的交織器類型。常見的交織器主要有塊交織器、卷積交織器和隨機交織器。在相同的交織長度和交織深度下，卷積交織器與塊交織相比延時小，與隨機交織相比硬件復(fù)雜度低，是較實用的類型。
　　根據(jù)卷積交織原理［4］，在DSP上實現(xiàn)時，如果采用一般算法，則需要用到二維數(shù)組和多重嵌套循環(huán)，DSP處理將耗費大量時間和存儲空間。交織的實質(zhì)是改變原始序列中數(shù)據(jù)的順序，一旦交織深度和寬度確定，其數(shù)據(jù)的順序改變規(guī)律即可相應(yīng)確定。因此為了節(jié)省處理時間和片內(nèi)存儲空間，本文采用查表的方法實現(xiàn)卷積交織。
　　2.2 Viterbi譯碼器的優(yōu)化
　　實現(xiàn)Viterbi譯碼可以分為初始化、度量值更新和回溯跟蹤三部分，其中最復(fù)雜的是第二部分。本文從兩個方面進行了優(yōu)化：一是對計算量最多的蝶形運算采用宏定義的方式，并在記錄度量長度時采用雙數(shù)組，能夠加快譯碼計算速度；二是定義了一種軟判決量度，減少計算復(fù)雜度。