重要指令遙測信號(hào)防誤碼技術(shù)

李曉斐　劉俊濤　任　寧（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京　100076）

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重要指令遙測信號(hào)防誤碼技術(shù)

李曉斐劉俊濤任寧
（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

摘要指令遙測信號(hào)錯(cuò)誤可能引起嚴(yán)重的后果，提出了一種在指令遙測信號(hào)傳輸過程中的防誤碼技術(shù)，在不改動(dòng)原有遙測信號(hào)傳輸方式的基礎(chǔ)上，采用移動(dòng)通信領(lǐng)域常用的信道編碼技術(shù)，利用現(xiàn)有空余信道資源，單獨(dú)對(duì)指令遙測信號(hào)通過信道編碼進(jìn)行糾錯(cuò)，避免了數(shù)據(jù)質(zhì)量下降和數(shù)據(jù)丟失等問題的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞指令遙測，糾錯(cuò)碼，信道

1　概述

以往遙測系統(tǒng)中大多采集的是模擬信號(hào)，一般沒有采用信道編碼技術(shù)，信道傳輸中的個(gè)別誤碼可以根據(jù)信號(hào)特性發(fā)現(xiàn)并作為野點(diǎn)剔除。隨著遙測技術(shù)日益向數(shù)字化方向發(fā)展，遙測系統(tǒng)需要傳輸大量的數(shù)字信號(hào)，而不再是連續(xù)信號(hào)，信道誤碼對(duì)判斷目標(biāo)工作狀態(tài)會(huì)造成一定影響。特別是在遙測信號(hào)被干擾時(shí)，一些錯(cuò)誤的指令信號(hào)會(huì)被提取出來，出現(xiàn)很多誤指令信號(hào)，給數(shù)據(jù)分析和判讀帶來諸多困難，因此，在對(duì)目標(biāo)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀時(shí)需要確定遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而在民用通信領(lǐng)域，移動(dòng)通信中的信道干擾和誤碼是比較嚴(yán)重的，將移動(dòng)通信領(lǐng)域使用的信道編碼技術(shù)應(yīng)用到遙測信號(hào)傳輸過程中，能夠有效地發(fā)現(xiàn)誤碼并進(jìn)行糾正，從而提高判讀的準(zhǔn)確性和有效性[1]。

2　指令信號(hào)單獨(dú)防誤碼

信道的編碼方式需要占用額外的信道資源，編碼方式越復(fù)雜，占用資源越多，則糾錯(cuò)的數(shù)據(jù)位越多，因此，是否采用糾錯(cuò)碼和采用多長的碼字是根據(jù)信道好壞、信號(hào)重要性和信道容量綜合考慮的結(jié)果。編譯碼系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　編譯碼系統(tǒng)框圖

遙測數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室測試、工廠測試、飛行器飛行過程中不可避免地會(huì)發(fā)生誤碼。如果將現(xiàn)行所有信號(hào)進(jìn)行信道編碼，需要對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行較大改動(dòng)，同時(shí)也會(huì)帶來冗余信息占用波道、誤碼擴(kuò)散等問題，因此，可以根據(jù)信號(hào)的重要性來綜合選擇。指令信號(hào)在數(shù)據(jù)分析和結(jié)果判讀過程中占據(jù)著重要的地位，也是管控部門現(xiàn)場指揮決策的重要依據(jù)，傳輸錯(cuò)誤可能會(huì)帶來重大影響，進(jìn)行糾錯(cuò)編碼十分必要[2]。同時(shí)，指令信號(hào)在遙測幀中占用一個(gè)固定的位置，除信號(hào)作用時(shí)刻外，其它時(shí)間這個(gè)信道均為閑置。因此，可以利用這個(gè)現(xiàn)有的信道資源，采用糾錯(cuò)碼技術(shù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)因干擾產(chǎn)生的誤碼并糾正過來。

3　糾錯(cuò)碼方式

本文在遙測系統(tǒng)中采用里德 索羅蒙[3]（Reed Solomon，RS）碼編碼技術(shù)，通過對(duì)接收遙測數(shù)據(jù)的解碼運(yùn)算，可以發(fā)現(xiàn)信道傳輸造成的錯(cuò)誤并對(duì)其中的部分錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，對(duì)超出糾錯(cuò)能力的誤碼生成報(bào)告，從而保證遙測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為判斷設(shè)備真正狀態(tài)提供依據(jù)。

RS編碼是目前最有效、應(yīng)用最廣的糾錯(cuò)編碼之一，是一類具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制BCH編碼。其可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤、隨機(jī)錯(cuò)誤，特別適用于糾正指令信號(hào)的突發(fā)錯(cuò)誤。RS碼屬于分組碼，其在編碼和譯碼的過程中對(duì)數(shù)據(jù)都是按幀（組）處理的。常規(guī)的RS碼型的幀長N=2m-1，所能選用的幀長為N=3、7、15、31、63、127、255等特殊數(shù)值，對(duì)應(yīng)的每個(gè)符號(hào)代表的二進(jìn)制位（bit）數(shù)為m=2、3、4、5、6、7、8。RS編碼框圖如圖2所示。

對(duì)于一個(gè)（n，k，t）RS碼，表示此生成碼長n=2m-1個(gè)符號(hào)或m（2m-1）比特，且RS編碼碼字中有k個(gè)數(shù)據(jù)信息符號(hào)或km比特?cái)?shù)據(jù)，能監(jiān)督n-k=2t個(gè)符號(hào)或m（n-k）比特?cái)?shù)據(jù)或者糾正數(shù)據(jù)傳輸和處理中產(chǎn)生的t個(gè)符號(hào)錯(cuò)誤或mt比特?cái)?shù)據(jù)錯(cuò)誤，最小碼距d=2t+1個(gè)符號(hào)或m（2t+1）比特，每個(gè)符號(hào)是m比特。

圖2　RS編碼框圖

本文對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)選RS（15，8，3.5），編碼器將每接收8bit的串行字符數(shù)據(jù)信息塊，編碼為15bit的碼字信息。碼字信息由8bit長度的數(shù)據(jù)塊和7bit長度的編碼校驗(yàn)信息塊組成，能夠檢測和糾錯(cuò)3bit長度的連續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤信息。

一般指令信號(hào)有起飛信號(hào)、轉(zhuǎn)電信號(hào)等，假設(shè)全部指令信號(hào)為8bit，經(jīng)過RS（15，8，3.5）編碼器編為15bit長度RS碼，接收端通過RS譯碼器既可實(shí)現(xiàn)譯碼恢復(fù)重要指令信號(hào)，同時(shí)，還可檢測和糾錯(cuò)3bit長度的連續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤信息[4]。RS譯碼框圖如圖3所示。

圖3　RS譯碼框圖

4　仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

利用仿真軟件對(duì)RS（15，8）碼進(jìn)行FPGA仿真實(shí)驗(yàn)。將8個(gè)十六進(jìn)制數(shù)零作為編碼輸入，然后得到7個(gè)校驗(yàn)位，因此，經(jīng)過編碼后，8個(gè)信息位再加上7個(gè)校驗(yàn)位構(gòu)成15個(gè)比特，從而組成一幀的發(fā)送數(shù)據(jù)。RS（15，8）碼最多能糾正3B的錯(cuò)誤，即錯(cuò)誤容限為3，所以，下面分3種情況進(jìn)行仿真。

4.1誤碼個(gè)數(shù)小于錯(cuò)誤容限

設(shè)定受到干擾影響時(shí)，經(jīng)過編碼后，原來的15個(gè)比特中有2個(gè)錯(cuò)誤比特，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　RS譯碼仿真結(jié)果

由圖4可知，經(jīng)過譯碼后，在錯(cuò)誤字節(jié)的地方correct_fail為低電平（correct_fail為糾錯(cuò)指示，糾錯(cuò)成功為低電平，糾錯(cuò)失敗為高電平），譯碼輸出都為低電平，這說明：小于錯(cuò)誤容限的誤碼是可以糾正的，誤碼得到了全部糾正。

4.2誤碼個(gè)數(shù)等于錯(cuò)誤容限

設(shè)定受到干擾的影響時(shí)，經(jīng)過編碼后，原來的15個(gè)比特中有3個(gè)錯(cuò)誤，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　RS譯碼仿真結(jié)果

由圖5可知，經(jīng)過譯碼后，輸出都為零，在錯(cuò)誤字節(jié)的位置correct_fail為低電平，這說明：錯(cuò)誤容限是能夠達(dá)到的，誤碼得到了全部糾正。

4.3誤碼個(gè)數(shù)大于錯(cuò)誤容限

設(shè)定受到干擾的影響時(shí)，經(jīng)過編碼后，15個(gè)比特中有5個(gè)錯(cuò)誤比特，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　RS譯碼仿真結(jié)果

由圖6可以看出，經(jīng)過譯碼后，譯碼輸出不為零，在錯(cuò)誤字節(jié)的位置correct_fail為高電平，由于誤碼個(gè)數(shù)大于錯(cuò)誤容限，誤碼沒有得到糾正。

5　結(jié)束語

本文通過利用RS信道編碼和空閑波道，有效地實(shí)現(xiàn)了重要指令遙測信號(hào)的防誤碼傳輸。遙測系統(tǒng)采用該方法進(jìn)行了2次試驗(yàn)，各記錄有效數(shù)據(jù)5000余幀并進(jìn)行了人為干擾，起始幀計(jì)數(shù)分別為7和13，接收站在數(shù)據(jù)發(fā)送到第7幀和13幀時(shí)已經(jīng)正常捕獲信號(hào)。經(jīng)糾錯(cuò)編碼技術(shù)糾錯(cuò)后，發(fā)現(xiàn)在10000余幀所有數(shù)據(jù)中，發(fā)生誤碼的數(shù)據(jù)共有15幀，其中通過糾錯(cuò)恢復(fù)數(shù)據(jù)10幀，有5幀超出糾錯(cuò)能力，且全部位于記錄數(shù)據(jù)的尾部。由于在尾段時(shí)目標(biāo)與接收天線仰角已經(jīng)小于接收閾值，部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)誤碼超過了糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)能力。在仰角正常范圍內(nèi)，所有遙測數(shù)據(jù)全部正確。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠防止重要遙測數(shù)據(jù)的誤碼。

參考文獻(xiàn)

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文章編號(hào)：1009-8119（2016）05（1）-0048-02