2018, Vol. 48
2. 天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387;
3. 国家海洋技术中心，天津 300112
深海投弃式剖面仪具有走航、大面积、低成本、实时和高精度测量的特点，其主要的产品类型包括投弃式温度剖面测量仪(Expendable Bathythermograph，简称XBT)、投弃式电导率、温度、深度剖面仪(Expendable Conductivity Temperature Depth Profiling System，简称XCTD)、投弃式海流剖面测量仪(Expendable current profiler，简称XCP)、投弃式声速剖面仪(Expendable Sound Velocimeter，简称XSV)。该类仪器探头为一次性使用，水下探头上的数据采集器实时对水文数据进行采集、处理，并以数字信号形式通过细传输线同步传输到水上接收装置，其中传输信道由直径约为0.1 mm，总长超过2 000 m的两根平行漆包线组成[1-2]。在探头工作过程中，由于信道阻抗参数实时变化，测量环境复杂，给信号可靠传输带来极大困难，提高数据传输的可靠性成为深海走航投弃式剖面仪发展的关键问题。XCTD作为该类仪器的典型产品之一，近几年一直受到海洋学家和研究学者的高度重视[3-4]。
ASK是目前XCTD采用的最为普遍的单载波频带调制方式，解调过程中幅值问题是抽样判决输出的关键问题。探测深度和传输频率的变化以及海洋噪声量级的增加均对信号幅值有较大影响，因此单一的ASK调制技术已不能满足XCTD测量可靠性的需求[5]。由于电信号在XCTD信道中传输时会受到信道衰落和噪声干扰的影响，尤其是信号上传到海面时会受到船体设备工频噪声的影响，使其在传输过程中产生复杂的错码类型。为了满足接收端解调信号数据的可靠性，XCTD通信系统中需在ASK频带调制的基础上采用信道编码技术保证数据电信号的可靠传输。
RS-CC级联码(Reed-Solomon Convolutional Concatenated Code，简称RS-CC)是IEEE802.16e-2005协议中可选的信道编码方式，目前被广泛研究和使用[6-7]。Han Juntao等[8]针对复杂环境下无线信道中的突发错码和随机错码，提出了RS码+卷积码的级联编码方案，结果表明，在较低信噪比条件下可以获得较理想的误码率。刘磊等[9]针对复杂多变的时变衰落水声信道，提出了RS码+交织器+卷积码的级联编码方案，通过仿真和对比分析表明，该编码方案有较强的纠错能力，适合复杂多变强干扰的衰落信道。张泽书等[10]为解译平衡码的复杂性和纠错能力，提出了RS码+交织器+卷积码的级联编码方案，通过仿真测试，在误码率不超过10-4时，可提高编码增益1.5 dB以上，纠错能力有较大提升。XCTD信道与水声信道特性相似，表现出传播衰减、窄带、时变、低信噪比等特点，又表现出复杂的错码类型。因此，针对XCTD信道的复杂特性和信号在其中传输时产生的复杂错码类型，依据有噪信道编码定理(香农第二定理)[11]，根据不同信道编码善于纠正不同错码类型的特点，设计了RS-CC级联码的信道编码方案，选取关键测量点，具体分析了测量深度，噪声量级和传输频率对译码结果的影响。
1 XCTD信道特点据报道，XCTD设备信号最大传输频率为2 400 Hz、最大有效探测深度为2 000 m；中国该设备信号的最大传输频率为800 Hz、最大有效探测深度1 000 m。本文作者之前建立了该信道的电路模型[12]，并对信道的传输特点进行了分析[13]。根据XCTD的实际工作需要，本文选取信号频率值300、600、800和1 200 Hz，及200、1 000、1 800 m三个放线长度值进行分析，其幅频特性曲线如图 1所示。从图 1左图可知，在一定信号传输频率条件下，随着测量深度的增加，信道阻抗参数动态变化，信道构成复杂的滤波系统，使信号幅值严重衰减。从图 1右图可知，在一定测量深度条件下，随着传输频率的增加，不理想的信道特性变的更加复杂和不稳定，信道滤波作用也更加明显，使数据信号幅值进一步衰减。
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图 1 信号的幅值随传输频率和测量深度增加变化的特性曲线 Fig. 1 The characteristic curve of signal amplitude changing with the increase of transmission frequency and investigation depth |
信道衰落和噪声干扰都会引起突发错码[14]，随着探测深度和传输频率的增加，信道衰落严重，信号幅值不断衰减，使信号在传输过程中产生大量的相对集中出现的突发错码；同时由于信号在传输时会受到海洋环境中随机噪声和突发噪声的干扰，使信号在传输过程中产生一定量的随机错码和突发错码。因此，数据信号在XCTD信道中传输时产生的错码类型以突发错码为主，随机错码为辅，突发错码与随机错码并存。
级联码通过将不同的码型结合起来形成优势互补，既能纠正随机错码，又能纠正突发错码。首先，针对信道错码类型，选择善于纠正突发错码的RS码作为级联码的外码，选择善于纠正随机错码的卷积码作为级联码的内码。强干扰可能导致内码维特比译码器产生的突发错码数量超出外码译码器的纠错能力，因此在编码过程中需采用交织技术打散成串出现的错码[15]。一方面防止出现超出RS译码器纠错能力的较长突发错码；一方面有利于将维特比译码器未能纠正的突发错码集中到RS码字符号内。RS-CC级联码算法实现的流程如图 2所示。其次，编码器和交织器参数的改变可能会造成译码复杂性的增加，因此，需要在误码率和译码复杂性之间做出平衡。由于数据的处理在船上的接收装置上完成，在译码复杂性可接受的条件下，可以尽可能提高信道编码的纠错能力。卷积码的最大似然译码复杂性随约束长度的增加成倍增加，且误比特率随最小距离的增加呈指数形式下降。在码率为1/2且约束长度不超过10的卷积码中，(7, 1/2)卷积码能够达到最大的最小距离，且约束长度为7的最大似然译码复杂性可接受[16]。通常卷积译码器输出的突发错误长度小于其约束长度的几个倍数，因此RS码的纠错能力应大于卷积码的最大错误序列长度，同时经解交织后能将错误集中到RS码字符号内。(255, 223)RS码的纠错能力为16位、码字符号为8位，能够与约束长度为7的卷积码很好的匹配。交织器的交织宽度不小于RS码的约束长度(255)以打散突发错码，交织深度不小于卷积码的差错序列长度(7)以集中错误到单个RS符号内。综上所述，对XCTD信道来说，选用(255, 223)RS码+(8, 255)交织器+(7, 1/2)卷积码的RS-CC级联码的信道编码方案是一种较为理想的选择。
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图 2 RS-CC级联码算法实现的流程图 Fig. 2 The flow chart of algorithm implementation of RS-CC concatenated code |
对(255, 223)RS码，(7, 1/2)卷积码，(8, 255)交织器来说，将8个223位的码字符号按照外码(255, 223)RS码编码规则进行编码，由其最小汉明距离确定的生成矩阵，得到8个255位的编码输出码字，每个码字符号由8位二进制比特组成；将得到的RS码字送入(8, 255)交织器，数据以行的方式输入，每行一个码字，以列的方式输出，得到255个8位交织码字；将得到的码字送入(7, 1/2)卷积码内码编码器，得到255×8个码长为2，信息位为1的卷积码码字序列；最终得到8个(255×2 223)级联码码字，经过ASK调制之后进行传输。译码是编码的逆过程，将解调后恢复出的8个(255×2 223)级联码字送入内码维特比译码器，由分支度量生成单元计算出各个状态所有转移分支的分支度量，接着进入加比选单元，确定似然度最大的路径并进行纠错，将其度量值与其对应的幸存路径信息存储在路径信息更新单元中，当达到译码深度后，得到255个8位待解交织码字；将得到码字序列，送入解交织器，按列存入，按行读出，得到8个255位的码字；将得到的解交织码字送入外码RS译码器，由伴随多项式求出其关键方程，确定错误图样并进行纠错，得到8个223位的原始码字。
3 仿真结果的比较和分析由于海水介质的导电性差且海域面积宽阔，可将其作地线处理，因此数据信号在深海中传输时，所受噪声干扰的影响较小。当数据信号上传到海面附近时，受船体设备工频50 Hz噪声的影响，噪声量级大大提高，甚至淹没有效信号，因此选用量级范围为-60~40 dB的噪声来模拟XCTD的噪声环境。本文首先针对探测深度、传输频率和噪声量级对ASK频带传输的影响，根据之前选取的频率特征点，具体分析了不同传输条件下ASK解调产生的误码率，如图 3所示。
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图 3 探测深度、传输频率和噪声量级对ASK频带传输的影响 Fig. 3 The investigation depth, transmission frequency and level of noise have influence on ASK band transmission |
从图 3中可以看出，噪声量级的变化是影响ASK频带传输可靠性的主要因素。当噪声量级在-60~10 dB时，随着探测深度和传输频率的增加，误码率接近于0且保持不变；当噪声量级为20 dB时，随着探测深度和传输频率的增加，误码率在0.000 3~0.002范围内波动，且在探测深度为1 800 m时，误码率增加到0.07左右；当噪声量级为30 dB时，随着探测深度和传输频率的增加，误码率在0.06~0.09范围内波动，且在探测深度为1 800 m时，误码率增加到0.2以上；当噪声量级为40 dB时，噪声完全淹没有效信号，误码率在0.2以上，解调失败，因此针对放线中后期过程和大噪声环境，以ASK频带调制为基础，在探测深度为1 000 m时选择噪声量级20和30 dB，在探测深度为1 800 m时选择噪声量级10和20 dB，具体分析传输频率对RS-CC级联码+ASK传输方式结果的影响，并与ASK频带传输方式进行对比，如图 4所示。
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图 4 大深度放线距离和大噪声环境条件下，传输频率对ASK频带传输方式和RS-CC+ASK传输方式的影响的对比图 Fig. 4 The transmission frequency have influence on ASK band transmission and RS-CC + ASK transmission mode under the condition of deep depth and strong noise |
从图 4(a)中可以看出，在探测深度为1 000 m的条件下，当噪声量级为20 dB时，使用RS-CC级联码的编码方式，误码率随着传输频率的增加保持不变且为0，与ASK调制方式相比，误码率整体减小了0.000 8左右；在探测深度为1 800 m的条件下，当噪声量级为10 dB时，使用RS-CC级联码的编码方式，误码率随着传输频率的增加同样保持不变且为0，与ASK调制方式相比，误码率整体减小了0.001左右。从图 4(b)中可以看出，在探测深度为1 000 m的条件下，当噪声量级为30 dB时，使用RS-CC级联码的编码方式，误码率随着传输频率的增加在0~0.015范围内波动，与ASK频带调制方式相比，误码率整体减小了0.065左右；在探测深度为1 800 m的条件下，当噪声量级为20 dB时，使用RS-CC级联码的编码方式，误码率随着传输频率的增加在0.02~0.03范围内波动，与ASK频带调制方式相比，误码率整体减小了0.06左右。为了进一步了解串行级联码在XCTD在整个工作过程中信号传输误码率的变化，具体分析了探测深度、传输频率和大噪声对串行级联码译码结果的影响，如图 5所示。
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((a)传输频率300 Hz; (b)传输频率600 Hz; (c)传输频率800 Hz; (d)传输频率1 200 Hz。(a)results of 300 Hz transmission frequency. (b)results of 600 Hz transmission frequency. (c)results of 800 Hz transmission frequency. (b)results of 1 200 Hz transmission frequency.) 图 5 探测深度、传输频率和大噪声对RS-CC级联码译码结果的影响 Fig. 5 The influence of investigation depth, transmission frequency and strong noise on the error rate of using RS-CC encoding method |
通过对图 5分析可知，噪声量级和传输频率是影响译码结果可靠性的主要因素。从图 5(a)中可以看出，在传输频率为300 Hz的条件下，当噪声量级为10和20 dB时，误码率随着探测深度的增加保持不变且为0，但当噪声量级为20 dB，深度增加到1 800 m时，误码率增加到0.025左右；当噪声量级为30 dB时，误码率随着探测深度的增加在0.012~0.025范围内波动；当噪声量级为40 dB时，误码率随着探测深度的增加在0.5左右波动，译码失败。在图 5(b~d)中，误码率随着探测深度的增加与图 4(a)中有相同曲线走势，区别在于随着传输频率的增加，当噪声量级为30 dB时，误码率的波动范围发生变化。当传输频率为600 Hz时，误码率在0.02上下波动；当传输频率为800 Hz时，误码率在0.03~0.045范围内波动；当传输频率为1 200 Hz时，误码率在0.01~0.02范围内波动。
4 结论ASK频带传输方式适用于10 dB小噪声的测量环境，且噪声是影响其数据传输可靠性的主要因素。为了提高深海投弃式剖面仪ASK频带传输的可靠性，本文在ASK频带调制基础上，设计并实现了一种(255, 223)RS码+(8, 255)交织器+(7, 1/2)卷积码的RS-CC级联码的编码方案，通过以上分析可以得到如下结论：
(1) 在探测深度小于1 800 m的条件下，当噪声量级为20 dB时，采用该编码方式将误码率由10-3降低到0；当探测深度增加到1 800 m时，该编码方式将误码率由0.07左右降低到0.02左右。
(2) 在探测深度小于1 800 m的条件下，当噪声量级为30 dB时，采用该编码方式将误码率由10-2降低到0；当探测深度增加到1 800 m时，该编码方式将误码率由0.2左右降低到0.025左右。
因此，该编码方式能够保证XCTD以高传输频率在大深度、30 dB噪声量级范围内数据传输的可靠性，这对于提高深海投弃式剖面仪信号传输的可靠性提供了一种新的研究思路，对深海水文数据的获取和海洋资源勘探具有重要的现实意义。
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