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(shí)不需要嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)、成本低等眾多優(yōu)勢(shì)[1-4]，未來(lái)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(kāi)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(huì)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(huì)將其濾除，導(dǎo)致信號(hào)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(hào)時(shí)，基線漂移現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，若直接進(jìn)行信號(hào)判決將會(huì)產(chǎn)生較大誤碼。同時(shí)，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(hào)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(cuò)編碼技術(shù)。

糾錯(cuò)編碼是一種通過(guò)增加冗余來(lái)提高系統(tǒng)抗干擾能力的技術(shù)[6]，用來(lái)保證通信系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?。但面?duì)復(fù)雜的水下環(huán)境，一些干擾或者衰落等都會(huì)引起信號(hào)的突發(fā)錯(cuò)誤或隨機(jī)錯(cuò)誤，使用單一的糾錯(cuò)編碼技術(shù)已經(jīng)很難滿足通信的可靠要求；同時(shí)隨著碼字長(zhǎng)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(jì)算量也會(huì)不斷增加。針對(duì)這類問(wèn)題，為了滿足可靠通信的條件下同時(shí)降低譯碼復(fù)雜度，F(xiàn)ORNEY等人提出了級(jí)聯(lián)碼的概念[7]，通過(guò)組合兩種或多種較短碼字來(lái)獲得長(zhǎng)碼，從而提高糾錯(cuò)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(zhǎng)的串行卷積碼級(jí)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(duì)誤碼擴(kuò)散的問(wèn)題[10]，提出一種噴泉碼與奇偶校驗(yàn)碼級(jí)聯(lián)的級(jí)聯(lián)碼方案，發(fā)現(xiàn)加大傳輸距離后級(jí)聯(lián)碼仍有一定的編碼增益優(yōu)勢(shì)。由此可見(jiàn),級(jí)聯(lián)碼對(duì)于提高碼字糾錯(cuò)能力具有出色的表現(xiàn)，但目前基于級(jí)聯(lián)碼的水下無(wú)線光通信系統(tǒng)性能的相關(guān)報(bào)道還較少，所以本文中引入級(jí)聯(lián)碼來(lái)分析水下LED光通信系統(tǒng)的誤碼性能。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)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(cuò)誤能力較強(qiáng)的碼字方案，但其可糾錯(cuò)的個(gè)數(shù)有限[11-12]；LDPC碼是一種處理隨機(jī)錯(cuò)誤能力較強(qiáng)的碼字方案，可將其應(yīng)用于無(wú)線光通信系統(tǒng)中，用來(lái)提高系統(tǒng)的傳輸距離[13-14]，但處理集中錯(cuò)誤的能力較差。所以本文中設(shè)計(jì)了基于水下LED光通信系統(tǒng)的LDPC-RS級(jí)聯(lián)交織碼方案，充分融合兩種碼的優(yōu)勢(shì)，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(jí)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(jí)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(hào)特性

水下大功率LED光通信系統(tǒng)中的光信號(hào)為單極性正脈沖，碼字序列中會(huì)包含直流分量，在傳輸過(guò)程中，由于被調(diào)制的信號(hào)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(guò)具有高通特性的交流耦合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其中包含的直流分量會(huì)被濾除，導(dǎo)致輸出脈沖出現(xiàn)基線浮動(dòng)。為了更好地分析大功率LED調(diào)制信號(hào)特性，需要建立基線漂移的理論模型。調(diào)制信號(hào)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(gè)數(shù))，t為時(shí)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(hào)。

本文中使用的系統(tǒng)接收端交流耦合網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)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(shí)間常數(shù)，決定了高通濾波器的截止頻率。

計(jì)算得到1階高通濾波器的脈沖信號(hào)v(t)為：

(3)

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

(4)

計(jì)算采樣后的發(fā)送序列經(jīng)過(guò)交流耦合網(wǎng)絡(luò)之后的信號(hào)vs(uT)為：

vs(uT)=au+{bu-1-[1-exp(-T/τ)]×

(au-1+bu-1)}

(5)

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

圖1是接收端交流耦合后的時(shí)域信號(hào)仿真圖。其中實(shí)線部分表示原始發(fā)送信號(hào)，虛線、點(diǎn)線、點(diǎn)劃線部分分別表示經(jīng)過(guò)不同截止頻率下的交流耦合網(wǎng)絡(luò)后的接收信號(hào)。通過(guò)分析可知，交流耦合網(wǎng)絡(luò)的截止頻率越高，接收信號(hào)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(wú)線光信道傳輸模型

由于光束擴(kuò)散和水下粒子等因素對(duì)光信號(hào)的吸收、散射作用[16]，對(duì)光信號(hào)的傳輸有很大影響，以下是水下無(wú)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(hào)光功率和發(fā)射信號(hào)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(guò)水下信道外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在清澈水質(zhì)下測(cè)得的接收光功率符合水下信道傳輸模型[19](見(jiàn)(6)式)，因此,本文中參量將根據(jù)課題組外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)而進(jìn)行設(shè)置。

2 級(jí)聯(lián)交織碼設(shè)計(jì)方案

在實(shí)際應(yīng)用中，隨著碼字長(zhǎng)度的增加，譯碼出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性會(huì)接近于0，但相應(yīng)的復(fù)雜性和計(jì)算量也會(huì)增加。而水下通信需要快速的處理數(shù)據(jù)，不需要過(guò)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(jì)了級(jí)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(cuò)誤的能力。

本文中設(shè)計(jì)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(jí)聯(lián)交織后的交織序列，同時(shí)N也作為L(zhǎng)DPC編碼前的信息序列，N′為L(zhǎng)DPC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(jì)級(jí)聯(lián)交織碼方案時(shí)，首先進(jìn)行RS編碼。為了使內(nèi)碼的信息長(zhǎng)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(cuò)誤能力較強(qiáng)的線性分組碼，其中n為總碼長(zhǎng)，k為信息位長(zhǎng)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(cuò)的個(gè)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(gè)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(jí)聯(lián)碼方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生連串的突發(fā)錯(cuò)誤，所以在級(jí)聯(lián)碼編碼方案中引入交織技術(shù)，增強(qiáng)碼字的糾錯(cuò)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(cuò)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(duì)于二元系統(tǒng)，假定每個(gè)信息位取0或1的概率為1/2，定義長(zhǎng)度為l的兩個(gè)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(duì)于碼字序列來(lái)說(shuō)，交織前后相應(yīng)位置上的不動(dòng)點(diǎn)個(gè)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(duì)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(dòng)點(diǎn)個(gè)數(shù)。本文中采用塊交織技術(shù)，將要傳輸?shù)男畔⑿蛄写鎯?chǔ)在塊交織矩陣中，按特定讀寫規(guī)則來(lái)處理數(shù)據(jù)，不同規(guī)則對(duì)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(shí)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(guò)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(duì)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(dòng)點(diǎn)個(gè)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(dòng)點(diǎn)個(gè)數(shù)為0，由此可見(jiàn),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(zhǎng)，k為信息位長(zhǎng)度，LDPC碼可由校驗(yàn)矩陣H來(lái)唯一確定。本文中采用隨機(jī)法來(lái)生成H矩陣，使用的是規(guī)則LDPC碼。在進(jìn)行LDPC編碼時(shí)，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(guò)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(jí)聯(lián)碼會(huì)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(hào)i解碼為1或0的概率，W表示接收符號(hào)，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(hào)的產(chǎn)生、編碼以及調(diào)制并進(jìn)行傳送，經(jīng)過(guò)海水信道，在接收系統(tǒng)進(jìn)行接收和信號(hào)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(jí)聯(lián)交織碼方案性能分析

為研究級(jí)聯(lián)交織碼方案中不同碼字參量對(duì)系統(tǒng)誤比特率性能的影響，通過(guò)MATLAB搭建水下LED光通信系統(tǒng)模型，考慮水下無(wú)線光信道傳輸中光信號(hào)的衰減以及基線漂移特性，對(duì)比系統(tǒng)BER性能最終確定出級(jí)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(jì)碼字方案時(shí)，級(jí)聯(lián)RS碼會(huì)使級(jí)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(shí)，可能會(huì)使碼字糾錯(cuò)性能下降；其次在級(jí)聯(lián)碼譯碼過(guò)程中，先由LDPC碼處理錯(cuò)誤，若存在LDPC碼處理不了的錯(cuò)誤碼字，RS譯碼器可進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改正，所以在設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)交織碼中的RS碼字方案時(shí)，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(jí)聯(lián)，交織深度為4，得到不同RS碼率下級(jí)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(jí)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(jiàn)，在單獨(dú)使用RS碼糾錯(cuò)時(shí)，碼率越低糾錯(cuò)能力越強(qiáng)，但使用級(jí)聯(lián)交織碼方案時(shí)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(gè)數(shù)也隨之確定，下面研究級(jí)聯(lián)碼中LDPC碼的碼長(zhǎng)對(duì)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(zhǎng)下級(jí)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(duì)比結(jié)果可知RS(240，208)+LDPC(2880，1920)級(jí)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(jì)級(jí)聯(lián)碼方案時(shí)可以增加內(nèi)碼LDPC碼的校驗(yàn)位個(gè)數(shù)。但需注意噪聲會(huì)對(duì)碼字校驗(yàn)位造成影響，使水下LED光通信系統(tǒng)糾錯(cuò)性能變差，同時(shí)碼長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)還會(huì)導(dǎo)致較大時(shí)延，所以要合理設(shè)置LDPC碼長(zhǎng)使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能。

在RS(240，208)+LDPC(2880，1920)級(jí)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(duì)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(duì)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(guò)分析，最終確定采用RS(240，208)+LDPC(2880，1920)級(jí)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(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的時(shí)間變長(zhǎng)，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(jí)聯(lián)交織編碼，下載到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)上，使用FPGA對(duì)發(fā)送序列添加一定信噪比的高斯白噪聲，通過(guò)光發(fā)送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(hào)通過(guò)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(hào)進(jìn)行離線處理。離線處理包括信號(hào)的同步、譯碼等過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中統(tǒng)計(jì)1s內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤的信息個(gè)數(shù)，每組數(shù)據(jù)量為993600bits。

在接收端接收到的未編碼信號(hào)波形如圖8所示?？捎^察到經(jīng)過(guò)直流濾波后連“0”、連“1”信號(hào)引起的基線漂移現(xiàn)象(圓圈標(biāo)識(shí)出的部分)以及水下信道存在的各類干擾對(duì)信號(hào)的衰減，若直接進(jìn)行信號(hào)判決將會(huì)產(chǎn)生較大的誤碼。本文中將采集到的基線漂移信號(hào)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(shí)，與未編碼系統(tǒng)相比，級(jí)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(jí)聯(lián)交織碼系統(tǒng)的增益分別為1.2dB和2dB。

通過(guò)固定系統(tǒng)發(fā)射端，移動(dòng)接收端來(lái)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(duì)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(shí)，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(shí)，使用LDPC碼和RS碼的系統(tǒng)BER均高于3.8×10-3，已無(wú)法滿足可靠通信要求，而LDPC-RS級(jí)聯(lián)交織碼系統(tǒng)BER仍低于3.8×10-3。對(duì)比可知,當(dāng)系統(tǒng)傳輸相同距離時(shí)，與LDPC碼或RS碼系統(tǒng)相比，級(jí)聯(lián)交織碼系統(tǒng)性能更優(yōu)。

通過(guò)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(shí)，使用級(jí)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(shí)，使用級(jí)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(shí)，使用級(jí)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(shí)，使用級(jí)聯(lián)交織碼方案的系統(tǒng)誤比特率為3.03×10-5；對(duì)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(shí)，隨著傳輸速率的增加，每比特對(duì)噪聲的容忍度會(huì)急劇降低，出現(xiàn)誤碼的概率會(huì)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤比特率增加，但是通過(guò)糾錯(cuò)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(hào)調(diào)制特性，分析了基線漂移對(duì)接收信號(hào)的影響；在此基礎(chǔ)上，考慮光束擴(kuò)散和吸收散射對(duì)光信號(hào)的影響，研究了水下無(wú)線光信道傳輸模型，以及LDPC碼、RS碼的編譯碼算法，同時(shí)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(jí)聯(lián)交織碼方案，搭建基于LDPC-RS級(jí)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(tái)進(jìn)行系統(tǒng)性能分析，得到不同RS碼率下級(jí)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(gè)數(shù)，研究了級(jí)聯(lián)碼中不同LDPC碼的碼長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響；最后分析不同的交織深度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，得到級(jí)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(jí)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(cuò)能力；在使用不同的碼字方案時(shí)，研究系統(tǒng)傳輸距離與誤比特率的關(guān)系，對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳輸相同的通信距離時(shí)，該級(jí)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(huì)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(chǔ)讀取困難等問(wèn)題，相對(duì)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(gè)大小相等的方陣，每個(gè)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(chǔ)器的存儲(chǔ)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(jì)中使用了OOK調(diào)制方式，為了進(jìn)一步探究調(diào)制電路對(duì)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(huì)進(jìn)一步提高，這些將在下一步的工作中實(shí)現(xiàn)。