摘 要： 針對信道帶寬窄、強多途、強噪聲干擾等影響水下信息高速、可靠傳輸的主要障礙，設計了一種適合水聲信道的級連網格編碼調制技術SCTCM與正交頻分復用" title="正交頻分復用">正交頻分復用技術OFDM相結合的傳輸體制，可有效解決水下高速數據傳輸的帶寬效率和可靠性問題；采用時變衰落、多途和加性干擾的水聲信道模型；理論分析和計算機仿真結果表明使用該傳輸體制的水聲通信" title="水聲通信">水聲通信系統能在數據速率" title="數據速率">數據速率不損失或損失很小但不增加帶寬" title="增加帶寬">增加帶寬的情況下獲得可觀的編碼增益，系統性能得到明顯改善。
關鍵詞： 級連網格編碼調制； 水聲通信； 正交頻分復用
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水下聲信道是時變-頻變-空變的變參多途衰落信道，且功率、帶寬受限[1]。近年來，人們對水下信息傳輸速率的要求越來越高，實現高速、高效、高可靠的水聲通信技術一直是水聲工作者研究的重點和難點,高速和可靠是一對矛盾,水聲信道很難兼顧。水聲信道隨機錯誤和突發錯誤同時存在，用普通的糾隨機錯誤的碼和糾單個突發錯誤的碼都不能取得良好的效果。級連碼由內外碼組成，內、外碼之間根據實際需要用交織器相連，級連碼總的糾錯性能取決于內、外碼的糾錯能力" title="糾錯能力">糾錯能力，是兩者的性能函數的級連。串行級連碼不僅具有極強的糾突發錯誤和隨機錯誤的能力，更重要的是它利用短碼來構造長碼，使之能接近香農信道編碼定理所給出的碼限，但其編譯碼設備的復雜度沒有顯著增加，并能減少延時[2]。TCM（網格編碼調制）是一種將編碼和調制結合在一起的設計方案，再加上OFDM多載波調制技術是一種高效的并行傳輸體制，它通過子載波間的正交性保證子載波頻譜相互重疊而不會產生載波間干擾(ICI) 。這樣系統同時具有高頻帶利用率、高碼率和低誤比特率的優點，在不損失數據速率也不增加帶寬的情況下, 獲得可觀的編碼增益,提高了水聲通信傳輸速率和可靠性。
1 SCTCM&OFDM水聲通信系統組成
SCTCM-8PSK和OFDM的水聲通信系統基本組成如圖1所示。輸入比特序列完成串并變換后，根據采用的調制方式，完成相應的調制映射，形成調制信息序列 ,對其進行IFFT，計算出OFDM已調信號的時域抽樣序列，加上循環前綴(CP)可以使OFDM系統完全消除信號多徑傳播造成的符號間干擾ISI（Inter Symbol Interference）和載波間干擾 ICI（Inter Carrier Interference），再作D/A變換，得到OFDM已調信號的時域波形，接收端對接收信號做A/D變換，去掉前綴（CP）,得到OFDM已調信號的抽樣序列，對該抽樣序列作FFT即得到原調制信息序列,而后進行解調及反映射得輸出比特序列[3][4]。
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2 級連TCM編碼技術
2.1 RS碼
RS編碼，又稱Reed－Solomon碼，是一類具有很強糾錯能力的多進制BCH碼，它首先由Reed和Solomon提出，在線性分組碼中，其糾錯能力和編碼效率是最高的。在(n,k)RS碼中，輸入信號分成k·mbit一組，每個碼元由mbit組成，因此一個碼組共包括k個碼元。一個能糾正t個錯誤碼元的RS碼主要參數如下：
(1)碼長n=2m-1碼元，或m(2m-1)bit。
(2)監督碼元數n-k=2t碼元，或m·2tbit。
(3)最小碼距dmin=2t+1碼元，或m(2t+1)bit。
RS碼能糾正t個m位二進制錯誤碼組，其糾錯能力由t決定，t越大，糾錯能力越強，但系統計算率也越大。當某個符號的一位或多位發生錯誤時，就產生一個誤符號，無論是這個符號中有一位錯誤還是m位全錯了。所以RS碼特別適合于糾正突發錯誤，也就是一個碼字中連續發生位錯誤。因此在既存在隨機錯誤又存在突發錯誤的信道上，例如有線電話信道和移動通信信道中，RS碼得到了廣泛應用。
2.2 TCM的基本原理
TCM的基本思想是在所發送的由m個比特組成的符號中引入一個校驗比特，為了維持原來的信息吞吐率，則需將原調制星座集合中的星座點數擴大一倍。例如每個信息符號由2個信息比特組成，如果編碼前采用的調制方式是4PSK，則編碼后所采用的調制方式應該是8PSK。這樣處理的好處在于通過信號星座的擴展承載了所增加的那個冗余比特，從而不會使信號的帶寬增加50%(在本例中)。當由于兩個相鄰星座點(向量)之間的歐幾里德距離減小所帶來的負面效應大于通過卷積碼編碼所帶來的編碼增益時，TCM技術會改善系統的性能[5]。
Ungerboeck是TCM技術的提出者。如圖2，TCM方案結合了冗余非二進制調制方式和有限狀態的前向糾錯碼，其中前向糾錯碼用來控制碼字信號序列的選擇性生成。從本質上來說，原始符號集合的擴展并不局限于只為每個符號引入一個校驗比特，為每個符號引入的校驗(冗余)比特數量可以多于數據速率所要求引入的冗余比特數量。卷積碼編碼器其寄存器的內容可以表示為編碼器的狀態，連續輸入的符號所引發的狀態轉移與星座點之間形成一一映射關系，TCM編碼方案中的冗余比特由特定的卷積碼編碼器產生，該編碼器能夠對上述映射產生約束作用，保證該映射是合法的。在接收端，受到噪聲干擾的信號由基于網格圖的軟判決最大似然序列譯碼器進行譯碼，該譯碼器根據接收到的符號序列，力圖將其反映射到一個符合編碼器約束關系的合法的符號序列上，與接收序列有最小歐幾里德距離的符號序列就是對發送序列的最佳估計[6]。
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Ungerboeck提出的TCM方案，其設計目的在于使編碼后的自由歐幾里德距離最大，對圖2中的編碼器有m=2且
，表明在每個狀態之間有
個平行轉換。這些平行轉換之間最小平方歐幾里德距離為：
，網格中非平行路徑的最小平方歐幾里德距離從圖3中可以得到。
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因此，該TCM方案中的最小平方歐幾里德距離為4Es。該方案的漸進編碼增益為
。這表明由Ungerboeck提出的TCM方案比無編碼的QPSK有3dB的改善。這闡明了組合的編碼調制方案可以彌補由卷積編碼器編碼增益造成的信號集擴張的損失。
TCM技術采用軟判決Viterbi譯碼，它是一種最大似然譯碼[6]，即首先用Viterbi算法尋找接收信號的最大似然路徑，然后以信號點的最小歐氏距離為判決準則，解出接收信號序列。
由前面的分析可知, TCM 技術在不損失數據速率或不增加帶寬的情況下, 可獲得可觀的編碼增益, 因此將TCM 技術應用于水聲通信系統可在很大程度上改善系統的抗干擾性能。為了進一步改善系統性能, 在水聲通信系統中, 采用RS 分組碼與TCM 編碼組成的級聯TCM 編碼方案。
3 計算機仿真研究
本文利用Matlab進行算法仿真驗證，用兩臺PC機聲卡對圖像信號進行采集和轉換。顯然，兩個聲卡的采樣接收頻率會存在偏差。系統分別采用未編碼QPSK、8PSK調制映射方式和TCM-8PSK調制映射方式；FFT點數為Tfft=2 048，保護間隔Tg=512；聲卡采樣頻率都設置為44.1kHz；系統仿真時，子載波間隔為21.53Hz；共278個子載波；信號的頻帶約為6kHz～12kHz，即信號帶寬約為6kHz,傳輸數據速率采用SCTCM達到5.76kb/s,單純TCM時為9.6kb/s。仿真信道為多徑衰落和高斯白噪聲的復合信道，聲源位于水平距離0m、垂直深度10m處，接收水聽器位于水平距離5 000m、垂直深度20m處，指向性：-80°～+80°。信道特性如圖4。
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正交頻分復用(OFDM)技術由于頻帶利用率高，具有良好的抗多徑傳播能力，為實現高速水聲通信提供了一種可行的選擇,但水聲信道是一種極其復雜多變的時-空-頻變參信道，帶寬窄，存在強噪聲干擾、多普勒頻移等，這些一直是水下信息高速、可靠傳輸的主要障礙,而采用RS碼和TCM級聯和OFDM相結合的傳輸體制在提高系統可靠性的同時能彌補編碼帶來的帶寬效率損失。在水聲信道模型下（見圖4、圖5），RS編碼采用（159），TCM編碼采用4狀態的TCM_8PSK。由圖6仿真結果可以看出，單純TCM編碼比具有相同傳輸速率的QPSK有較大編碼增益，而采用RS與TCM級連編碼比單純TCM又具有一定編碼增益。
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由上述仿真結果可以得出：TCM在信噪比比較低的情況下誤碼率衰減很快，明顯優于未編碼的QPSK和8PSK。而帶寬效率和未編碼的QPSK相同。采用RS與TCM級連進一步增強了系統的抗干擾性能，即可增加系統的通信距離和通信速率。因此，把SCTCM 技術應用在基于OFDM的水下無線聲通信中是可行的。SCTCM 技術能在不增加帶寬，不降低通信速率的情況下獲得可觀的編碼增益, 這一點對于帶寬資源十分有限的水聲信道來說是非常寶貴的。為了進一步提高編碼增益，可以采用TURBO碼與TCM級連（TTCM）。
參考文獻
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[2] ?FORNEY G D. Concatenated codes. Cambridge, MA:MIT?Press,1966.
[3] ?朱彤.基于正交頻分復用的水聲通信技術研究[D].哈爾濱工程大學博士學位論文, 2004.
[4] ?王文博,鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術[M].北京：人民郵電出版社,2003.
[5] ?VENKATA L. SUBRAMANIAM B. RAJAN S. et al.Trellis ?coded modulation schemes for underwater acoustic communications[J]. 1998 IEEE:800-804.
[6] ?WELLS R B.工程應用編碼與信息理論[M]. 北京:機械工業出版社, 2003.