基于水聽器線列陣的信道編解碼的研究

天津師范大學 天津市無線移動通信與無線電能傳輸重點實驗室 李凱凱 陳 勁

Xilinx北京有限公司 季茂林

基于水聽器線列陣的信道編解碼的研究

天津師范大學 天津市無線移動通信與無線電能傳輸重點實驗室 李凱凱 陳 勁

Xilinx北京有限公司 季茂林

本文針對壓電型水聽器線列陣的級聯型信道實際需求，研究了基于準實時信道編解碼的數字基帶信號長距離傳輸技術及方法。在實驗室建立傳輸的原理樣機并進行實際的電路測試。并提出了面向水聽器線列陣的動態刪余Turbo-BCH聯合編譯碼方法，更好地滿足壓電型水聽器線列陣的數據傳輸要求。

Turbo-BCH聯合編碼；糾錯碼設計；FPGA

1 研究的背景

圖1所示為一種典型的壓電型水聽器線列陣電子倉，各個水聽器分段均通過圖中所示的鈦合金防扭型水密接頭相連。由圖1中的水密接頭連接方式可以看出，該類型的水聽器陣列不便于采用光纖或者頻帶調制的傳輸方式，更易于采用基于銅質雙絞線等有線連接的數字基帶信號直接傳輸方式。

圖1 水聽器線列陣電子倉實物圖

2 信道編解碼的研究方法

2.1 總體研究方案及路線

本文研究的水聽器線列陣級聯型信道組成結構中每個電子倉中的多通道水聽器信號調理與采集模塊產生水聽器陣列的多個快拍數據以后，通過多個本地串行上行鏈路將數據傳輸至數據組幀及信道驅動模塊。該模塊首先將本地數據組裝為128字節的數據幀，然后進行BCH糾錯編碼。編碼后的數據塊再進行TURBO編碼與動態刪余，經過線路驅動后輸出。線路的傳輸形式為不加調制的二進制數字基帶直接傳輸方式，信道傳輸介質為銅質非屏蔽雙絞線。級聯型信道的接收端通過高速模數轉換器對波形進行多級量化，在FPGA主控單元內進行自適應軟閾值均衡運算，恢復出包含噪聲信息和偶發性誤碼的多級量化的信源數據。

2.2 準實時TURBO-BCH聯合信道編解碼

在進行前述電路設計的同時，設計了基于Verilog語言的TURBO程序模塊并通過ModelSim仿真驗證了其迭代的收斂性及實時性。鑒于大規模應用時的水聽器線列陣峰值傳輸速率可達到200Mbps，仿真結果顯示單獨的Turbo迭代譯碼及糾錯較難滿足系統的實時性要求(假設迭代3 - 4次)。同時，由于非屏蔽雙絞線連接的有線信道符合高斯信道的特性，傳輸衰減及信道常規隨機噪聲功率譜均較為恒定且與傳輸距離成正比，因此可以采用經典的BCH等循環糾錯碼來糾正大部分的常規傳輸錯誤。

2.2.1 糾錯碼設計

Turbo碼、LDPC碼和極化碼均具有極佳的糾錯性能，前兩種接近香農理論極限，后者可以逼近甚至達到理論極限。隨著5G通信標準最終確定分別采用LDPC碼和極化碼作為信道編碼標準，Turbo已經逐漸退出技術發展的主流舞臺。本項目的應用目標為特定環境的特定數據傳輸鏈路，對信道編解碼格式的通用性要求不高，因此項目組決定仍然采用項目任務書設定的Turbo編解碼方式進行研究。

將BCH碼做為外碼，基于了下面的實際工作條件：在水聽器線列陣工作的大部分時間里，信道噪聲及干擾均處于BCH糾錯的能力范圍內。此時，BCH每次糾錯成功便可中止Turbo迭代，直接輸出BCH運算結果。若級聯信道出現偶發性的強干擾或強噪聲而導致BCH無法糾錯時，Turbo則通過迭代譯碼輸出正確的信息序列。雖然Turbo迭代譯碼的收斂速度低于級聯信道實時數據傳輸的要求，但是由于Turbo迭代譯碼輸出模塊工作于偶發性狀態，因此Turbo-BCH聯合信道譯碼的整體實時性指標完全滿足實時數據傳輸的要求。這種Turbo-BCH聯合糾錯編、譯碼結構如圖2所示。

圖2 糾錯碼結構示意圖

Turbo碼選取了經典的（7,5）系統卷積碼，編碼結構采用由兩個卷積碼編碼器組成的并行結構，使用交織器平衡兩組編碼信號的碼重，在輸出端對編碼信號進行動態刪余處理，可以較大程度地降低輸出信號的冗余率。編碼器結構如圖3所示。

圖3 Turbo碼編碼示意圖

Turbo碼的譯碼仍然采用了成熟算法，但是采用了軟閾值均衡器輸出的多位軟信息作為輸入信號，其原理框圖如圖4所示。

譯碼器1與譯碼器2交互傳遞表征數據概率的外部信息，譯碼器以各自的信息符號、編碼符號概率對數似然比，以及外部信息為輸入，計算出本次迭代的信息序列，同時將外部信息傳遞給另一個譯碼器，經過有限次迭代即可使譯碼結果收斂正確。

圖4 Turbo碼譯碼示意圖

圖5 Turbo-BCH聯合編譯碼原理示意圖

致謝：本文受天津市應用基礎與前沿技術研究計劃（14JCYBJC15800）；天津市優秀青年教師計劃，天津師范大學開發基金重點項目（52XK1601）和博士基金項目（52XB1603）資助。

2.2.2 Turbo-BCH聯合編碼

圖5是Turbo-BCH聯合編譯碼原理示意圖。發送端編碼時，128比特的數據塊先經過BCH編碼，在幀尾添加32個冗余位，而后進行Turbo編碼及刪余(碼率初始為2/3,后續碼率基于級聯信道接收端通過下行命令總線下傳的動態刪余指令確定)，輸出至有線信道。接收端譯碼時，高速模數轉換器對差分信號波形進行時域過采樣，并對多值量化結果做自適應軟閾值均衡。均衡后的結果有兩個輸出支路，一是直接將數據輸入Turbo迭代譯碼模塊；二是進行硬判決，并將判決后的二值數據送入BCH糾錯模塊。BCH糾錯結果和Turbo譯碼結果通過二選一開關作為最終的譯碼輸出序列。若BCH成功糾錯，則在選通BCH支路輸出數據序列的同時，復位Turbo譯碼模塊。

2.2.3 Turbo編碼端的動態刪余機制

本文研究的級聯信道接收端通過FPGA的數字邏輯實現了信道傳輸錯誤分布情況的實時累積和統計。首先，通過兩個8bit計數器分別累計BCH糾錯數據位輸出和Turbo迭代糾錯輸出數據位數量。若在60秒內Turbo迭代糾錯輸出的次數為零且BCH糾錯數據位低于8(編程時作為parameter參數固化在FPGA中)則表示信道特性良好，接收端則在下一個陣列基準時鐘上升沿通過下行命令總線向發送端傳輸一個指令，使Turbo編碼端的刪余模塊減少2個校驗位輸出(兩個支路各減少一個位)。若Turbo糾錯輸出的次數為0且BCH糾錯數據位輸出大于等于8位，則不改變當前的編碼碼率。若Turbo譯碼器有糾錯輸出(即計數器不為0)，接收端則在下一個陣列基準時鐘上升沿通過下行命令總線向發送端傳輸一個指令，使Turbo編碼端的刪余模塊增加2個校驗位輸出。

3 實驗數據和結果

Turbo-BCH聯合編譯碼：(1)占用的FPGA內部資源量

Turbo-BCH聯合編譯碼系統所占用的FPGA資源與參數設置之間的關系如表1所示，該表以寄存器（REG）為計算基礎，給出了查找表（LUT）與REG之間的比值以體現編程實現方式上的差別。其中，L表示數據塊的幀長，N表示BCH糾錯上限位數，M表示Turbo運算過程量位數，S表示Turbo生成多項式的位數，符號[A:B]表示數據的上下限范圍。

BCH編譯碼所耗用的資源主要包括查找表（LUT）和寄存器（REG）兩部分，且由數據塊的幀長和糾錯上限位數決定。Turbo譯碼器所占用的資源量與運算過程量位數、數據塊幀長和生成多項式格式有關。

*說明：

a)Turbo譯碼BRAM主要包括對數查找表，以及首尾兩方向運算過程量緩存；

b)表中數據是經典實現算法方式下的FPGA耗用資源量和編譯碼參數之間的大體關系，在每次通過開發軟件進行具體的編譯、綜合時會有所差別，因此該表格為大致的估算范圍和FPGA主控芯片的選型依據。

表1 聯合編譯碼參數與FPGA資源關系

(2)時序

在本項目所述的動態刪余Turbo-BCH聯合編譯碼方式下，Turbo - BCH編碼端容易成為整個系統的速度瓶頸。為了提高信道傳輸的實時性，項目組采用了基于流水線的方式實現該部分的聯合編碼。在保證FPGA編程資源的情況下，做到輸出數據序列時間響應與輸入序列一致，初步驗證了級聯信道數據傳輸的硬實時性。圖6所示為聯合編碼時序圖，BCH編碼為多項式運算，各數據位寄存器的數值隨輸入數據實時更新，BCH編碼校驗位則只需將最終的寄存器值添加至數據塊的幀尾即可。

圖6 聯合編碼時序示意圖

圖7所示為Turbo-BCH聯合譯碼的時序圖。Turbo譯碼采用迭代方式，在不采用劃窗分段設計方法的情況下，需要接收完整的一幀數據后才可以運算及輸出糾錯信息，因此該部分的處理延遲至少為迭代次數乘以幀長。雖然可通過多個譯碼器并行實現模塊間流水線以滿足處理的實時性要求，但是會大幅度增加系統設計占用的資源量。

圖7 聯合解碼時序示意圖

(3)ModelSim邏輯仿真結果

Turbo-BCH聯合編碼的FPGA程序模塊設計完成以后，項目組在ModelSim中進行了詳細的仿真和驗證，其結果如圖8所示。仿真參數如下：數據幀長設定為1KB(遠大于實際數據塊的幀長)，BCH糾錯編碼采用了32bit校驗位，Turbo編碼選用經典的（7,5）系統卷積碼，輸出碼率為1/2(聯合編碼的信道冗余上限)。該結果驗證了相關程序模塊的功能和實際效果，即使在信道最惡劣的情況下，本項目所研究的Turbo-BCH聯合編碼模塊也可以實現凈數據幀長度為1K位、刪余輸出碼率位1/2時的硬實時聯合編碼。

圖8 聯合編碼仿真圖

聯合譯碼仿真如圖9所示，數據實時處理，輸入數據為圖中I_data，采用多個Turbo譯碼器并聯實現連續譯碼，BCH譯碼器輸入數據為S_data_sel，最終譯碼結果為O_data。

圖9 聯合譯碼仿真圖

聯合譯碼中，Turbo譯碼仿真圖如圖10所示。采用4次迭代輸出，每次迭代中的運算單元資源復用，因此譯碼延遲較長，約為數據幀長的1/20。

圖10 Turbo譯碼仿真圖

4 結語

本文設計了面向數字基帶信號直接傳輸方式的多值輸入二進制數字信號Turbo譯碼并提出了面向水聽器線列陣的動態Turbo-BCH聯合編譯碼方法。信道編碼是降低各類數字通信系統誤碼率的主要技術，能夠提高通信質量，在衛星通信，深空通信，移動通信等領域中得到了廣泛地使用。

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