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        基于級聯(lián)交織碼的水下LED光通信誤碼性能分析

        2021-08-16 07:38:38陰亞芳賀鋒濤張建磊
        激光技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:比特率光通信碼字

        張 奕,楊 祎,陰亞芳,賀鋒濤,張建磊

        (西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,西安 710121)

        引 言

        水下發(fā)光二極管(light-emitting diode,LED)光通信因其發(fā)散角大、通信時不需要嚴(yán)格對準(zhǔn)、成本低等眾多優(yōu)勢[1-4],未來將成為水下通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)之一。在水下LED光通信系統(tǒng)中,常使用的調(diào)制方式為開關(guān)鍵控(on-off keying,OOK)調(diào)制,系統(tǒng)為基帶傳輸[5]。單極性的數(shù)字碼流中會包含一定直流分量,而鏈路中存在具有高通特性的交流耦合網(wǎng)絡(luò)會將其濾除,導(dǎo)致信號發(fā)生基線漂移。當(dāng)傳輸序列中存在不均勻的連“0”、連“1”信號時,基線漂移現(xiàn)象會更嚴(yán)重,若直接進(jìn)行信號判決將會產(chǎn)生較大誤碼。同時,在復(fù)雜的海水環(huán)境中,由于水體具有的吸收散射特性,導(dǎo)致信號受到較大的衰減和干擾,進(jìn)一步惡化系統(tǒng)誤碼性能。為了提升系統(tǒng)的誤比特率(bit error rate,BER),可以引入糾錯編碼技術(shù)。

        糾錯編碼是一種通過增加冗余來提高系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)[6],用來保證通信系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。但面對?fù)雜的水下環(huán)境,一些干擾或者衰落等都會引起信號的突發(fā)錯誤或隨機(jī)錯誤,使用單一的糾錯編碼技術(shù)已經(jīng)很難滿足通信的可靠要求;同時隨著碼字長度的增加,雖然譯碼的正確率變大,但相應(yīng)的復(fù)雜性和計算量也會不斷增加。針對這類問題,為了滿足可靠通信的條件下同時降低譯碼復(fù)雜度,F(xiàn)ORNEY等人提出了級聯(lián)碼的概念[7],通過組合兩種或多種較短碼字來獲得長碼,從而提高糾錯能力。DONG等人在多徑效應(yīng)干擾下發(fā)現(xiàn),使用里所(Reed Solomon,RS)-Turbo碼方案可有效降低系統(tǒng)誤比特率[8]。MA等人提出了一種可變碼長的串行卷積碼級聯(lián)編譯碼方法[9],可以滿足大氣激光可靠通信的要求。CAO等人針對誤碼擴(kuò)散的問題[10],提出一種噴泉碼與奇偶校驗(yàn)碼級聯(lián)的級聯(lián)碼方案,發(fā)現(xiàn)加大傳輸距離后級聯(lián)碼仍有一定的編碼增益優(yōu)勢。由此可見,級聯(lián)碼對于提高碼字糾錯能力具有出色的表現(xiàn),但目前基于級聯(lián)碼的水下無線光通信系統(tǒng)性能的相關(guān)報道還較少,所以本文中引入級聯(lián)碼來分析水下LED光通信系統(tǒng)的誤碼性能。

        在系統(tǒng)設(shè)計的過程中,碼字方案的選擇至關(guān)重要。目前常用的信道編碼有噴泉碼、RS碼、Turbo碼以及低密度奇偶校驗(yàn)碼(low density parity check,LDPC)等方案。RS碼是一種處理集中錯誤能力較強(qiáng)的碼字方案,但其可糾錯的個數(shù)有限[11-12];LDPC碼是一種處理隨機(jī)錯誤能力較強(qiáng)的碼字方案,可將其應(yīng)用于無線光通信系統(tǒng)中,用來提高系統(tǒng)的傳輸距離[13-14],但處理集中錯誤的能力較差。所以本文中設(shè)計了基于水下LED光通信系統(tǒng)的LDPC-RS級聯(lián)交織碼方案,充分融合兩種碼的優(yōu)勢,并加入改進(jìn)的塊交織器技術(shù),考慮基線漂移以及吸收散射等特性,分析不同參量下水下LED光通信系統(tǒng)的誤比特率性能,確定出級聯(lián)交織碼的優(yōu)化參量,最后進(jìn)行水下通信實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了級聯(lián)交織碼的優(yōu)異性能。

        1 水下LED光通信系統(tǒng)理論

        1.1 大功率LED調(diào)制信號特性

        水下大功率LED光通信系統(tǒng)中的光信號為單極性正脈沖,碼字序列中會包含直流分量,在傳輸過程中,由于被調(diào)制的信號中存在不均勻的連“0”或連“1”偽隨機(jī)碼,導(dǎo)致直流分量的幅值產(chǎn)生一定的變化。當(dāng)碼字序列經(jīng)過具有高通特性的交流耦合網(wǎng)絡(luò)時,其中包含的直流分量會被濾除,導(dǎo)致輸出脈沖出現(xiàn)基線浮動。為了更好地分析大功率LED調(diào)制信號特性,需要建立基線漂移的理論模型。調(diào)制信號可表示為[15]:

        (1)

        式中,Aq表示輸入的信息序列數(shù)據(jù)(q為輸入信息序列數(shù)據(jù)的總個數(shù)),t為時間,T是發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔,p(t)是發(fā)射系統(tǒng)的脈沖信號。

        本文中使用的系統(tǒng)接收端交流耦合網(wǎng)絡(luò)為一個1階高通濾波器,其頻率響應(yīng)函數(shù)Z(jω)可表示為:

        (2)

        式中,j為虛數(shù)單位,ω表示頻率,τ為時間常數(shù),決定了高通濾波器的截止頻率。

        計算得到1階高通濾波器的脈沖信號v(t)為:

        (3)

        將(3)式代入(1)式,得到發(fā)送信號經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡(luò)之后的信號vs(t)為:

        (4)

        計算采樣后的發(fā)送序列經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡(luò)之后的信號vs(uT)為:

        vs(uT)=au+{bu-1-[1-exp(-T/τ)]×

        (au-1+bu-1)}

        (5)

        式中,信號由兩部分組成,第一部分表示希望接收到的信號au,第二部分表示經(jīng)過交流耦合網(wǎng)絡(luò)后所帶來的基線漂移部分,其中bu-1表示上一時刻的基線漂移量,u表示某一時刻的采樣點(diǎn)。根據(jù)(5)式可以利用MATLAB對接收端交流耦合后的時域信號進(jìn)行仿真。

        圖1是接收端交流耦合后的時域信號仿真圖。其中實(shí)線部分表示原始發(fā)送信號,虛線、點(diǎn)線、點(diǎn)劃線部分分別表示經(jīng)過不同截止頻率下的交流耦合網(wǎng)絡(luò)后的接收信號。通過分析可知,交流耦合網(wǎng)絡(luò)的截止頻率越高,接收信號的基線漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重。

        Fig.1 Time domain signal after alternating current coupling at the receiving end

        1.2 水下無線光信道傳輸模型

        由于光束擴(kuò)散和水下粒子等因素對光信號的吸收、散射作用[16],對光信號的傳輸有很大影響,以下是水下無線光信道傳輸模型[17]:

        (6)

        式中,d為傳輸距離;at,ar分別為發(fā)射機(jī)的發(fā)射孔徑半徑和接收天線的孔徑半徑;θ為光束發(fā)散半角;Pr和Pt分別為接收信號光功率和發(fā)射信號光功率;此處的噪聲z近似為高斯白噪聲;c(λ)為衰減系數(shù),由吸收系數(shù)a(λ)和散射系數(shù)b(λ)組成。表1中給出了不同的海水類型中衰減系數(shù)的相應(yīng)取值[18]。

        Table 1 Typical attenuation coefficients for different water types

        作者所在課題組通過水下信道外場實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在清澈水質(zhì)下測得的接收光功率符合水下信道傳輸模型[19](見(6)式),因此,本文中參量將根據(jù)課題組外場實(shí)驗(yàn)而進(jìn)行設(shè)置。

        2 級聯(lián)交織碼設(shè)計方案

        在實(shí)際應(yīng)用中,隨著碼字長度的增加,譯碼出現(xiàn)錯誤的可能性會接近于0,但相應(yīng)的復(fù)雜性和計算量也會增加。而水下通信需要快速的處理數(shù)據(jù),不需要過于復(fù)雜的算法。為了在復(fù)雜度和性能之間取得平衡,本文中設(shè)計了級聯(lián)交織碼方案,采用LDPC碼作為內(nèi)碼,RS碼作為外碼,并加入改進(jìn)的塊交織技術(shù),提高碼字方案處理錯誤的能力。

        本文中設(shè)計的方案如圖2所示。圖中,m為原始信息序列,m′為RS編碼后的校驗(yàn)位比特序列;N為進(jìn)行級聯(lián)交織后的交織序列,同時N也作為LDPC編碼前的信息序列,N′為LDPC編碼后的校驗(yàn)位比特序列。

        Fig.2 Design flow chart of cascaded interleaving code scheme

        2.1 RS編譯碼

        設(shè)計級聯(lián)交織碼方案時,首先進(jìn)行RS編碼。為了使內(nèi)碼的信息長度與外碼相匹配,選擇使用縮短RS碼。RS(n,k)是一種糾正集中錯誤能力較強(qiáng)的線性分組碼,其中n為總碼長,k為信息位長度,進(jìn)行RS編碼首先定義本原元為α,生成多項(xiàng)式為:

        g(x)=(x-α)(x-α2)…(x-α2e)=

        (7)

        式中,e為RS編解碼可糾錯的個數(shù),h的取值范圍為1,2,…,2e。

        信息多項(xiàng)式可以表示為(原始信息序列m=(m0,m1,…,mk-1)):

        M(x)=m0+m1x+…+mk-2xk-2+mk-1xk-1

        (8)

        校驗(yàn)多項(xiàng)式如下式所示:

        r(x)=M(x)·xn-k(modg(x))

        (9)

        式中,r(x)為n-k次校驗(yàn)多項(xiàng)式;M(x)乘以xn-k表示在原始的信息碼字之后添加n-k個監(jiān)督位,則編碼后的碼多項(xiàng)式為:

        c(x)=xn-kM(x)+r(x)

        (10)

        2.2 改進(jìn)的塊交織技術(shù)

        在級聯(lián)碼方案設(shè)計過程中,要對RS碼編碼后的碼字進(jìn)行隨機(jī)化處理,而且實(shí)際的水下信道中可能存在著突發(fā)干擾,會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生連串的突發(fā)錯誤,所以在級聯(lián)碼編碼方案中引入交織技術(shù),增強(qiáng)碼字的糾錯能力。

        交織是將原始消息序列按某種規(guī)則進(jìn)行打亂后傳輸,按相應(yīng)規(guī)則在接收端還原后再進(jìn)行糾錯的一種技術(shù)。設(shè)置交織器是為了使碼字序列之間的相關(guān)性變小[20-21],對于二元系統(tǒng),假定每個信息位取0或1的概率為1/2,定義長度為l的兩個序列X和Y的相關(guān)系數(shù)為:

        (11)

        式中,L的取值范圍為0,1,…,l。由(11)式可知,對于碼字序列來說,交織前后相應(yīng)位置上的不動點(diǎn)個數(shù)、同一位置的元素是否取同一值都與序列之間的相關(guān)性有關(guān),其中同一位置的元素是否取同一值對相關(guān)系數(shù)的影響是一致的,所以研究交織前后相應(yīng)位置上的不動點(diǎn)個數(shù)。本文中采用塊交織技術(shù),將要傳輸?shù)男畔⑿蛄写鎯υ趬K交織矩陣中,按特定讀寫規(guī)則來處理數(shù)據(jù),不同規(guī)則對應(yīng)的輸出序列不同。

        圖3a中展示出了一種讀寫規(guī)則下的A型塊交織器,將原始信息序列按從左至右的順序,以行序?qū)懙浇豢椘骶仃囍?,之后按由上往下的順序,以列序從交織器矩陣中讀出。為進(jìn)一步降低信息序列的相關(guān)性,本文中改進(jìn)此塊交織器的讀寫規(guī)則,按從左至右的行序?qū)懭?,但在讀出時首先讀取次列數(shù)據(jù),之后依次讀取次列之后的數(shù)據(jù),最后讀取首列數(shù)據(jù),將其定義為B型塊交織器,經(jīng)過A、B兩種塊交織器后輸出的信息序列如圖3b所示。

        Fig.3 A-type block interleaver and interleaver output information sequence under different read and write rules

        可以看出,對比兩種規(guī)則下的交織器輸出序列與原始消息序列,A型交織器的輸出序列在交織前后的不動點(diǎn)個數(shù)為5,改進(jìn)后B型交織器的輸出序列在交織前后的不動點(diǎn)個數(shù)為0,由此可見,改進(jìn)后的交織器可明顯降低序列之間的相關(guān)性,因此本文中使用改進(jìn)后的B型塊交織器技術(shù)。

        2.3 LDPC編譯碼

        LDPC碼是一種(n,k)線性分組碼,其中n為總碼長,k為信息位長度,LDPC碼可由校驗(yàn)矩陣H來唯一確定。本文中采用隨機(jī)法來生成H矩陣,使用的是規(guī)則LDPC碼。在進(jìn)行LDPC編碼時,首先得到校驗(yàn)矩陣H和生成矩陣G,兩者之間的關(guān)系如下所示:

        H=[I(n-k)×(n-k)|-(Pk×(n-k))T]

        (12)

        G=[Pk×(n-k)|Ik×k]

        (13)

        式中,P是通過高斯消元后得到的矩陣,I為單位矩陣。

        根據(jù)生成矩陣和原始信息序列,即可得到編碼后的碼字c:

        c=m×G

        (14)

        然后進(jìn)行LDPC碼譯碼,考慮到級聯(lián)碼會存在門限效應(yīng),所以采用迭代譯碼。本文中使用了置信度傳播(belief propagation,BP)算法,其中基于OOK調(diào)制的BP譯碼算法初始概率密度函數(shù)如下式所示[20]:

        P(if)=

        (15)

        式中,P(if)表示解碼信號i解碼為1或0的概率,W表示接收符號,σ2描述了噪聲的強(qiáng)度。得到初始概率密度函數(shù)后,完成節(jié)點(diǎn)更新和最終判決,得到譯碼結(jié)果。

        3 系統(tǒng)性能分析及實(shí)驗(yàn)?zāi)M

        3.1 水下LED光通信系統(tǒng)

        水下LED光通信系統(tǒng)框圖如圖4所示。系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)、海水信道、接收系統(tǒng)三部分,發(fā)射系統(tǒng)完成信號的產(chǎn)生、編碼以及調(diào)制并進(jìn)行傳送,經(jīng)過海水信道,在接收系統(tǒng)進(jìn)行接收和信號處理。

        Fig.4 Block diagram of underwater LED optical communication experimental system

        本文中各項(xiàng)參量的設(shè)置如表2所示。

        Table 2 System parameter settings

        3.2 級聯(lián)交織碼方案性能分析

        為研究級聯(lián)交織碼方案中不同碼字參量對系統(tǒng)誤比特率性能的影響,通過MATLAB搭建水下LED光通信系統(tǒng)模型,考慮水下無線光信道傳輸中光信號的衰減以及基線漂移特性,對比系統(tǒng)BER性能最終確定出級聯(lián)交織碼方案的優(yōu)化參量,其中水質(zhì)衰減系數(shù)取0.056m-1(表示純海水),通信距離選為10m,系統(tǒng)其它參量按實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參量設(shè)置。

        在設(shè)計碼字方案時,級聯(lián)RS碼會使級聯(lián)交織碼的整體碼率降低,導(dǎo)致加在編碼后碼字上的噪聲能量增加,當(dāng)RS碼的碼率較低時,可能會使碼字糾錯性能下降;其次在級聯(lián)碼譯碼過程中,先由LDPC碼處理錯誤,若存在LDPC碼處理不了的錯誤碼字,RS譯碼器可進(jìn)一步對其進(jìn)行改正,所以在設(shè)計級聯(lián)交織碼中的RS碼字方案時,可以適當(dāng)減少相應(yīng)的校驗(yàn)位冗余。本文中選取RS(240,158),RS(240,208),RS(240,224)分別與LDPC(2880,1920)級聯(lián),交織深度為4,得到不同RS碼率下級聯(lián)交織碼系統(tǒng)BER曲線,如圖5所示。由結(jié)果可知,RS(240,208)+LDPC(2880,1920)級聯(lián)交織碼方案下的水下LED光通信系統(tǒng)性能較好。由此可見,在單獨(dú)使用RS碼糾錯時,碼率越低糾錯能力越強(qiáng),但使用級聯(lián)交織碼方案時可適當(dāng)增加RS碼率,減少相應(yīng)的校驗(yàn)位冗余。

        Fig.5 Performance comparison of RS with different code rates in cascade interleaved code

        RS碼組確定后內(nèi)碼LDPC的信息位個數(shù)也隨之確定,下面研究級聯(lián)碼中LDPC碼的碼長對系統(tǒng)性能的影響。選用RS(240,208)作為外碼,交織深度為4,得到不同LDPC碼碼長下級聯(lián)交織碼的系統(tǒng)BER曲線,如圖6所示。

        Fig.6 Performance comparison of LDPC with different code lengths in cascade interleaved code

        由對比結(jié)果可知RS(240,208)+LDPC(2880,1920)級聯(lián)交織碼方案下的系統(tǒng)性能較好。與使用RS(240,208)+LDPC(2560,1920),RS(240,208)+LDPC(2340,1920),RS(240,208)+LDPC(2136,1920)方案的系統(tǒng)相比分別具有的增益為1dB,1.7dB,2dB。因此在設(shè)計級聯(lián)碼方案時可以增加內(nèi)碼LDPC碼的校驗(yàn)位個數(shù)。但需注意噪聲會對碼字校驗(yàn)位造成影響,使水下LED光通信系統(tǒng)糾錯性能變差,同時碼長較長時還會導(dǎo)致較大時延,所以要合理設(shè)置LDPC碼長使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能。

        在RS(240,208)+LDPC(2880,1920)級聯(lián)碼方案中使用B型塊交織技術(shù),研究不同的交織深度對系統(tǒng)BER性能的影響。圖7是不同交織深度參量下的性能對比。從結(jié)果可以看出,加入交織技術(shù)后系統(tǒng)BER曲線收斂速度更快,且隨著交織深度增大,系統(tǒng)性能越好。

        Fig.7 Performance comparison of different interleave parameters in cascade interleaved code

        通過分析,最終確定采用RS(240,208)+LDPC(2880,1920)級聯(lián)碼方案進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。但在實(shí)際應(yīng)用中隨著交織深度增大,會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的時間變長,因此本文中選取10作為交織深度。

        3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)分析

        用MATLAB產(chǎn)生隨機(jī)信息序列并進(jìn)行級聯(lián)交織編碼,下載到現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field-programmable gate array,F(xiàn)PGA)上,使用FPGA對發(fā)送序列添加一定信噪比的高斯白噪聲,通過光發(fā)送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光信號的OOK調(diào)制。使用衰減系數(shù)為0.151m-1的水質(zhì)模擬清澈海水信道,光信號通過該種水質(zhì)信道之后,在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,之后利用MATLAB將采集到的信號進(jìn)行離線處理。離線處理包括信號的同步、譯碼等過程。實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計1s內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)中錯誤的信息個數(shù),每組數(shù)據(jù)量為993600bits。

        在接收端接收到的未編碼信號波形如圖8所示??捎^察到經(jīng)過直流濾波后連“0”、連“1”信號引起的基線漂移現(xiàn)象(圓圈標(biāo)識出的部分)以及水下信道存在的各類干擾對信號的衰減,若直接進(jìn)行信號判決將會產(chǎn)生較大的誤碼。本文中將采集到的基線漂移信號在MATLAB上進(jìn)行了離線處理,采用未編碼、LDPC(2880,1920),RS(240,208),RS(240,208)+LDPC(2880,1920)等碼字方案,固定通信距離為10m,得到的系統(tǒng)BER曲線如圖9所示。

        Fig.8 Waveform of uncoded signal at receiver

        由圖9可知,系統(tǒng)誤比特率為3.8×10-3時,與未編碼系統(tǒng)相比,級聯(lián)交織碼系統(tǒng)具有大約3.8dB的編碼增益,可有效提升水下LED光通信系統(tǒng)的BER性能。與單獨(dú)加入LDPC碼和RS碼的系統(tǒng)相比,級聯(lián)交織碼系統(tǒng)的增益分別為1.2dB和2dB。

        通過固定系統(tǒng)發(fā)射端,移動接收端來控制通信距離,采用RS(240,208)+LDPC(2880,1920),RS(240,208),LDPC(2880,1920)碼字方案,對發(fā)送序列添加的高斯白噪聲信噪比為10dB,研究不同方案下的水下LED光通信系統(tǒng)的通信距離與系統(tǒng)BER性能的關(guān)系,如圖10所示。

        Fig.9 System performance comparison at different coding methods

        Fig.10 System performance comparison at different distances

        由圖10可知,當(dāng)通信距離為25m時,采用RS(240,208)+LDPC(2880,1920)方案的系統(tǒng)BER為1.04×10-4;采用LDPC(2880,1920)碼字方案系統(tǒng)BER為7.01×10-4;采用RS(240,208)碼字方案的系統(tǒng)BER為8.67×10-3。當(dāng)通信距離增加到30m時,使用LDPC碼和RS碼的系統(tǒng)BER均高于3.8×10-3,已無法滿足可靠通信要求,而LDPC-RS級聯(lián)交織碼系統(tǒng)BER仍低于3.8×10-3。對比可知,當(dāng)系統(tǒng)傳輸相同距離時,與LDPC碼或RS碼系統(tǒng)相比,級聯(lián)交織碼系統(tǒng)性能更優(yōu)。

        通過選取1Mbit/s,2Mbit/s,4Mbit/s,8Mbit/s幾種不同的傳輸速率,研究了系統(tǒng)傳輸速率與系統(tǒng)誤比特率之間的關(guān)系,信噪比為9dB,采用RS(240,208)+LDPC(2880,1920)碼字方案,如圖11所示。

        由圖11可知,當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率為1Mbit/s時,使用級聯(lián)交織碼方案的系統(tǒng)誤比特率為2.41×10-5;當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率為2Mbit/s時,使用級聯(lián)交織碼方案的系統(tǒng)誤比特率為2.59×10-5;當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率為4Mbit/s時,使用級聯(lián)交織碼方案的系統(tǒng)誤比特率為2.82×10-5;當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率為8Mbit/s時,使用級聯(lián)交織碼方案的系統(tǒng)誤比特率為3.03×10-5;對比可知,在同樣的信噪比環(huán)境下,隨著系統(tǒng)傳輸速率的增加,系統(tǒng)誤比特率在逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)信噪比不變時,隨著傳輸速率的增加,每比特對噪聲的容忍度會急劇降低,出現(xiàn)誤碼的概率會增加,導(dǎo)致誤比特率變差。另外在系統(tǒng)帶寬一定的條件下,隨著傳輸速率的增加,基線漂移現(xiàn)象加重,因此也會導(dǎo)致系統(tǒng)誤比特率增加,但是通過糾錯編碼可提高誤比特率性能。

        Fig.11 System performance comparison at different transmission rate

        4 結(jié) 論

        首先根據(jù)大功率LED光信號調(diào)制特性,分析了基線漂移對接收信號的影響;在此基礎(chǔ)上,考慮光束擴(kuò)散和吸收散射對光信號的影響,研究了水下無線光信道傳輸模型,以及LDPC碼、RS碼的編譯碼算法,同時為降低消息序列之間的相關(guān)性,使用改進(jìn)的塊交織器,提出了基于OOK調(diào)制的LDPC-RS級聯(lián)交織碼方案,搭建基于LDPC-RS級聯(lián)交織碼的水下LED光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型;之后利用MATLAB平臺進(jìn)行系統(tǒng)性能分析,得到不同RS碼率下級聯(lián)交織碼系統(tǒng)的誤比特率情況,從而在確定RS碼組后確定LDPC的信息位個數(shù),研究了級聯(lián)碼中不同LDPC碼的碼長對系統(tǒng)性能的影響;最后分析不同的交織深度對系統(tǒng)性能的影響,得到級聯(lián)交織碼方案的優(yōu)化參量。經(jīng)水下通信實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證,該優(yōu)化的級聯(lián)交織碼系統(tǒng)與未編碼系統(tǒng)、RS碼系統(tǒng)、LDPC碼系統(tǒng)相比分別可獲得3.8dB,2dB,1.2dB的增益,有效提升了系統(tǒng)的糾錯能力;在使用不同的碼字方案時,研究系統(tǒng)傳輸距離與誤比特率的關(guān)系,對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳輸相同的通信距離時,該級聯(lián)交織碼系統(tǒng)的性能更優(yōu);但在同樣的信噪比環(huán)境下,隨著系統(tǒng)傳輸速率的增加,系統(tǒng)誤比特率仍會逐漸增大。

        本文中的研究可為水下LED光通信系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供參考方案,但現(xiàn)有的性能改進(jìn)仍有限,還有許多可以提升和補(bǔ)充的地方,需要進(jìn)一步深入研究:(1)本文中采用了隨機(jī)構(gòu)造的規(guī)則LDPC碼,構(gòu)造出的碼性能雖然很好,但校驗(yàn)矩陣具有不規(guī)律性,存在校驗(yàn)矩陣存儲讀取困難等問題,相對難以實(shí)現(xiàn);下一步可以使用準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼,其奇偶校驗(yàn)矩陣可以分成多個大小相等的方陣,每個方陣都是單位矩陣的循環(huán)移位矩陣或全0矩陣,非常便于存儲器的存儲和尋址,從而降低了LDPC碼的編譯碼復(fù)雜度,能夠?qū)崿F(xiàn)線性復(fù)雜度的快速編碼;(2)文中使用的交織器技術(shù)是塊交織技術(shù),為了進(jìn)一步減小碼字序列之間的相關(guān)性,還可以使用隨機(jī)交織和卷積交織技術(shù);(3)在系統(tǒng)設(shè)計中使用了OOK調(diào)制方式,為了進(jìn)一步探究調(diào)制電路對系統(tǒng)性能的影響,可以改變系統(tǒng)調(diào)制方式,如脈沖位置調(diào)制、正交幅度調(diào)制調(diào)制等不同的調(diào)制方案。

        如果綜合考慮以上幾點(diǎn),研究成果的可靠性和準(zhǔn)確性將會進(jìn)一步提高,這些將在下一步的工作中實(shí)現(xiàn)。

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