水聲OFDM系統(tǒng)中卷積碼譯碼設(shè)計(jì)及其DSP實(shí)現(xiàn)

水聲信道可用頻帶窄，具有強(qiáng)多途、高噪聲，同時(shí)伴有明顯的隨機(jī)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(shí)間選擇性衰落的特點(diǎn)。信號(hào)經(jīng)過復(fù)雜的水聲信道會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤。因此需要加入糾錯(cuò)編碼與交織相結(jié)合的時(shí)頻編碼方案進(jìn)行錯(cuò)誤糾正[1]。在水聲通信中，糾錯(cuò)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(cuò)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(shí)現(xiàn)簡單，實(shí)時(shí)性好。因此從水聲OFDM系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的角度綜合考慮，本文采用卷積碼作為系統(tǒng)的差錯(cuò)控制方案。

為提高系統(tǒng)性能和實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)，確定了交織和編譯碼的最佳參數(shù)。在TMS320DM642上實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過采用蝶形運(yùn)算等優(yōu)化方法減少了譯碼復(fù)雜度，提高了運(yùn)算速度。最后通過海洋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)各個(gè)子載波上的糾錯(cuò)。為了抵抗由于時(shí)變帶來的突發(fā)錯(cuò)誤，采用交織技術(shù)將突發(fā)錯(cuò)誤打散為隨機(jī)錯(cuò)誤。對(duì)卷積交織后的串行數(shù)據(jù)流進(jìn)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(hào)，加入同步前導(dǎo)符號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：信噪比較高時(shí)，約束長度越大卷積碼性能越好；信噪比較低時(shí)，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(jí)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(shí)時(shí)性和譯碼性能，仿真結(jié)果表明交織長度為4個(gè)OFDM符號(hào)時(shí)，最佳交織深度為96。

該系統(tǒng)在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行水池實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中對(duì)采用三個(gè)不同方案的OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了性能比較，以示波器觀測到的接收端信號(hào)幅度作為SNR大小的參照。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)

硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jī)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(shí)小，與隨機(jī)交織相比硬件復(fù)雜度低，是較實(shí)用的類型。

根據(jù)卷積交織原理[4]，在DSP上實(shí)現(xiàn)時(shí)，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(fèi)大量時(shí)間和存儲(chǔ)空間。交織的實(shí)質(zhì)是改變?cè)夹蛄兄袛?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(shí)間和片內(nèi)存儲(chǔ)空間，本文采用查表的方法實(shí)現(xiàn)卷積交織。

2.2 Viterbi譯碼器的優(yōu)化

實(shí)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(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：一是對(duì)計(jì)算量最多的蝶形運(yùn)算采用宏定義的方式，并在記錄度量長度時(shí)采用雙數(shù)組，能夠加快譯碼計(jì)算速度；二是定義了一種軟判決量度，減少計(jì)算復(fù)雜度。

2.2.1 蝶形運(yùn)算

在Viterbi譯碼程序設(shè)計(jì)中，使用對(duì)稱的蝶形運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。(2，1，3)卷積碼的蝶形結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個(gè)蝶形包括當(dāng)前狀態(tài)為i(i=0，1)和i+2的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的加_比較_選擇運(yùn)算，它們的0和1分支在籬笆圖的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)合并。為了加快運(yùn)算速度，程序設(shè)計(jì)上對(duì)蝶形運(yùn)算采用宏定義的方式，定義兩個(gè)蝶形運(yùn)算的宏[5]。一個(gè)設(shè)當(dāng)前度量為old_pm[ ]， 經(jīng)過分支度量計(jì)算后得到下一狀態(tài)度量new_pm[ ]。另一個(gè)則從下一狀態(tài)new_pm[ ]開始，經(jīng)過分支度量計(jì)算后得到old_pm[ ]。

通過宏定義，大量的蝶形運(yùn)算在編譯時(shí)間里進(jìn)行宏展開代入表達(dá)式，這樣運(yùn)算速度會(huì)比子程序設(shè)計(jì)快， 而且不需要大量的寄存器變量。程序中還定義了兩個(gè)記錄度量長度的數(shù)組，循環(huán)進(jìn)行數(shù)組更新，不需要再定義中間變量或指針進(jìn)行數(shù)組的更新，可以提升DSP運(yùn)算速度。

2.2.2 軟判決量度

計(jì)算接收到的比特與理論輸出比特的距離度量公式為：bm[i0 i1]=metric[i0 r0]+metric[i1 r1]。其中i0、i1為理論輸出數(shù)據(jù)，r0、r1為接收到的數(shù)據(jù), metric[ ]為分支度量。軟判決的分支度量值為歐氏距離，即metric[A B]=，如果直接計(jì)算，將大大增加計(jì)算復(fù)雜度。從DSP實(shí)現(xiàn)角度考慮，用另一個(gè)軟判決量度來代替歐氏距離。此量度必須滿足兩個(gè)要求：(1)其大小要體現(xiàn)歐氏距離的大小；(2)計(jì)算簡單，易于DSP實(shí)現(xiàn)。可以用歐氏距離平方代替歐氏距離，即metric[A B]=(A+B)2=A2+B2+2AB。由于i0、i1的值為1或-1，可以證明，對(duì)于給定的r0、r1，不同的i0、i1，計(jì)算bm[i0 i1]=metric[i0 r0]+metric[i1 r1]，其分解后的平方項(xiàng)都是相等的，區(qū)別僅在于2r0、2r1項(xiàng)前符號(hào)的正負(fù)。因此可以將軟判決距離度量公式修改為bm[i0 i1]=i0×r0+i1×r1。

優(yōu)化后的程序流程如圖4所示。先對(duì)譯碼器的各種參數(shù)初始化，然后讀入輸入字節(jié)，每次取兩位計(jì)算分支度量， 進(jìn)行加_比較_選擇，從當(dāng)前度量old_pm[ ]計(jì)算后得到下一狀態(tài)度量new_pm[ ]，再讀取兩位計(jì)算分支度量，調(diào)用蝶形運(yùn)算2，從new_pm[ ]計(jì)算后得到old_pm[ ]。循環(huán)進(jìn)行上述數(shù)組更新運(yùn)算，直到所有輸入字節(jié)處理結(jié)束。中間加入一些判斷語句以控制程序進(jìn)行回溯，將得到的譯碼輸出位存儲(chǔ)到輸出字節(jié)[5]。

比較Viterbi譯碼DSP優(yōu)化前后所需時(shí)鐘周期數(shù)，以發(fā)送1個(gè)OFDM符號(hào)為參考，如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后發(fā)送接收一個(gè)OFDM符號(hào)節(jié)省了1 027 692個(gè)時(shí)鐘周期。TMS320DM642主頻600 MHz，可以計(jì)算出所節(jié)省的時(shí)延為1.7 ms。

3 海洋實(shí)驗(yàn)

該DSP系統(tǒng)在廈門五緣灣海域進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)，通信距離為800 m，收發(fā)換能器距海面2.5 m。海洋實(shí)驗(yàn)發(fā)送的總數(shù)據(jù)量為32 640 bit，選取了3組典型數(shù)據(jù)，將DSP譯碼結(jié)果與Matlab譯碼結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

由表2可以看出，原始誤碼個(gè)數(shù)在2 800~3 100范圍內(nèi)時(shí)，DSP硬譯碼糾錯(cuò)個(gè)數(shù)為2 200左右，軟譯碼糾錯(cuò)個(gè)數(shù)為2 400左右，并且DSP譯碼與Matlab譯碼性能相當(dāng)。

本文將卷積交織、卷積編碼和Viterbi譯碼引入了水聲OFDM系統(tǒng)，根據(jù)水聲信道特點(diǎn)和多次水池實(shí)驗(yàn)確定其參數(shù)。在TMS320DM642上實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)于卷積交織采用查表法，對(duì)于Viterbi譯碼采用蝶形運(yùn)算宏定義和雙數(shù)組循環(huán)更新以減小時(shí)延，保證了譯碼實(shí)時(shí)性。通過海洋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了DSP實(shí)現(xiàn)軟硬譯碼的性能。