油井下聲傳輸系統中卷積編碼的Matlab仿真

摘 要： 為了實現鉆井過程中井下信息的實時測量和上傳，采用聲波作為載波是一種很有發展前景的方法。對隨鉆數據聲波傳輸系統中的調制技術和編碼解碼方法進行了Matlab仿真，結果表明：采用QPSK調制技術和1/3編碼效率的卷積編碼能提高數據通信的可靠性，降低系統的誤碼率。

關鍵詞： 隨鉆數據傳輸； 卷積編碼解碼； 調制解調； Matlab仿真

中圖分類號： TN911.7?34；TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0135?02

0 引 言

數字信號在傳輸的過程中受信道干擾的影響，在接收端可能會發生錯誤的判決，通常在設計數字通信系統時，必須采用差錯控制的編碼方式來提高信號傳輸的可靠性[1]。選擇信道編碼方法時，一般是在給定的剩余比特差錯率和平均編碼率以及傳輸帶寬下，選擇允許最低的信噪比一種方法[2]。其中卷積編碼是一種很好的糾錯編碼方法，與之相應的維特比算法是加性高斯噪聲信道下卷積碼最優的譯碼算法。

1 卷積編碼與Viterbi譯碼原理

卷積編碼的譯碼方法有：序列譯碼，門限譯碼和Viterbi譯碼。其中Viterbi譯碼是一種極大似然譯碼方法，即它對整個信息比特序列譯碼的差錯概率最小。它的基本思想是把接收到的矢量，和網格上諸多種可能的路徑比較，刪去距離最大的路徑，保留距離最小的路徑，以距離最小的路徑作為發碼的估計值。

2 仿真結果分析

在隨鉆數據聲波傳輸系統中，由于油井下環境復雜，實際的鉆柱信道中存在高環境噪聲、有限頻帶、傳輸時延大、多徑傳輸、碼間干擾嚴重，它所對應的誤碼率公式基本上是不可能得到的，但是許多復雜問題均可以通過計算機仿真的方法進行研究。本文利用Matlab仿真軟件[5]對方案中的信道編碼環節進行仿真試驗， 根據聲波沿鉆桿傳輸的特性，仿真模型中采用萊斯信道[6]。

OFDM是一種有效的抗頻率選擇性衰落的并行調制方式，其基本原理是將串行高速數據信號先轉換成并行的低速子數據流，提高了頻譜利用率[7?8]，因此采用OFDM技術來減小系統的誤碼率。仿真中，原信號采用隨機的二進制數字信號，每幀數據長度為480，發送端采用2 048點的FFT變換，每個OFDM符號含有48個子載波。然后改變卷積編碼的效率，取1/3速率、1/2速率和2/3速率。并且采用QAM、QPSK、DPSK這三種調制方法研究。每次結果仿真10次，取平均結果[9]，最后得到的結果如圖2～圖4所示。

圖2是當系統采用QPSK調制技術時，不同編碼效率下誤碼率與信噪比的關系對比圖，圖3是當系統采用QAM調制技術時，不同編碼效率下誤碼率與信噪比的關系對比圖，圖4是當系統采用DPSK調制技術時，不同編碼效率下誤碼率與信噪比的關系對比圖。

仿真結果表明：從減小系統誤碼率方面考慮，卷積碼的編碼效率影響著系統的性能，采用不同的調制方式時，都是1/3編碼效率的誤碼率最低，1/2編碼效率其次。所以1/3編碼效率是最優的方法，能大大改善隨鉆數據聲波傳輸系統的可靠性[9]。當信噪比達到20，采用QPSK調制時，1/3編碼效率的卷積編碼方法能使系統的誤碼率降低到10-5。

3 結 論

卷積編譯碼通過對原始信息處理，可以顯著地改善信息在傳輸過程中的差錯率，有效地提高系統抗干擾能力。已經廣泛的應用在深空通信，衛星通信和移動通信中[10]，隨著研究的深入，希望可以更逼真地仿真實際信道，提高隨鉆數據聲波傳輸的效率。

參考文獻

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作者簡介：蔡小慶 女，1983年出生，湖北宜昌人，碩士，助教。研究方向為信息與信息處理。