纠错编码在遥控起爆器中的应用.pdf

1 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第6 期 纠错编码在遥控起爆器中的应用’ 郭天天杜耀志尹江健 国防科技大学指挥军官基础教育学院 湖南长沙，4 1 0 0 7 2 [ 摘要] 介绍了通信信道的差错类型、差错控制原理、控制方式，并以遥控起爆器为例设计了一种8 位变形汉明 码纠错编码，对提高遥控起爆的成功率，降低误码率具有较大的实用价值。 [ 关键词] 遥控起爆器差错控制纠错编码 [ 分类号] T J 5 1 0 ．2T N 9 1 9 ．3 引言 遥控起爆具有距离远、安全性高、隐蔽性好、机 动性强等特点，被广泛应用于矿山开采、工程爆破、 军事等领域。遥控距离是遥控起爆器的主要技术指 标之一，它主要受发射频率、功率、天线增益、空间传 播损耗、地形地物等因素的影响，目前的研究也主要 集中在这些方面⋯。遥控起爆使用无线信道进行 数据传输，根据通信理论，在给定的信道条件下，传 输距离与误码率有关，误码率越小，传输距离越远； 误码率越高，传输距离越近[ 2 】。目前，在遥控起爆 器中大部分都使用不具纠错能力的简单编码方式， 误码率较高，影响了遥控距离。因此有必要研究遥 控起爆器无线信道的差错控制，对指令进行纠错编 码，提高传输可靠性，增加遥控距离。 1 ．差错控制 1 ．1 差错类型 1 随机差错。随机差错是指某个码元的出错 主要由白噪声引起，与前后码元无关。由于在一般 信道中都能够保证足够大的信噪比 信号／白噪声 比值 ，一般来说随机差错较少出现。 2 突发差错。突发差错主要由短暂的突发噪 声引起，其幅度可以很大，持续时间也是不定的，通 常突发差错是成群产生的。一群有错码的第一个码 元到最后一个码元之间的码元个数称为突发长度， 是衡量突发差错的一个重要参数。 虽然在利用信道进行数据传输时通常都会采取 某些降噪措施，如滤波、信号增强、屏蔽等，但不能完 全避免差错。这些差错大部分为突发差错，小部分 为突发差错和随机差错的混合。 1 ．2 差错控制原理 为了避免差错，可以进行差错控制。其作用是 在传输数据出现差错之后，使用某些手段发现差错， 并加以纠正。目前，差错控制的最好办法是对要传 送的信息或数据进行抗干扰编码，即在信息 或数 据 码元上加上按一定关系产生的冗余码元 即所 谓监督码 。发送时将这些数据码元和冗余码元 称为纠错码 一起发送出去，在接收端对接收到的 数据码元和冗余码元检查它们之间的关系是否正 确，从而可发现错误，进而自动纠正错误H 1 。其过 程可由图1 简要表示。 图1差错控制原理 1 ．3 差错控制方式 在数字通信中，利用纠错码进行差错控制的方 式主要有以下3 种 1 重发纠错方式 A R Q 。发 送端将要发送的码元编成具有检错和纠错能力的码 字并发送出去，接收端对收到的码字进行译码，若发 现误码，则利用反向信道要求重新发送，直至接收端 认为正确无误为止。 2 前向纠错方式 F E C 。发 送端将要发送的码元编成具有检错和纠错能力的码 字并发送出去，接收端对收到的码字进行译码，译码 时不但能发现错误，而且能自动进行错误纠正，并且 将已纠正的信息送给接收器。这种方式不需要反向 信道。 3 混合纠错方式 H E C 。混合纠错方式综 合了上述两种纠错方式，其基本思想是发送端发送 ‘具有一定纠错能力的码字，接收端对所收到的数据 进行检测。若发现错误，就对少量的能纠错的错误 进行纠正，而对于超出纠错能力的差错通过反馈重 发方式予以纠正。 2 遥控起爆器指令的纠错编码设计 收稿日期2 0 1 0 - 0 8 - 0 9 作者简介郭天天 1 9 7 4 一 ，男，讲师，主要从事地雷爆破与破障工程方面的研究。E m a i l t t g u o _ m a i l 1 2 6 ．e o m 万方数据 2 0 1 0 年1 2 月纠错编码在遥控起爆器中的应用郭天天等 1 5 H ㈠1 011 1 1 00 0 1 01 1010 01 ] I IJ 子S r H R 7 可确定这个差错的位置。在本例中，设 则S 7 H R 7 展开后可得 s 7 [ 三卜t [ { ] 眨 [ 三卜s [ i ] 瓯 [ 墨] B r ，0 1r ，o ] 1 0 j【、1j 月’ ll O1 lO ll ll l1 11 Ol l1 lO O1 0 0 l1 0 O O O IO 由上式可见，监督子增加到4 位，相应码长也增 加到8 位，根据任一列都不相同的原则，取第8 列为 1 0 0 0 T 。 根据以上分析总结编码原则为 1 采用F E C 汉明纠错码进行编码； 2 将一个字节分开编码，即 高4 位和低4 位分别编码； 3 编码后的每个码字 长度为8 位，前4 位为信息位，后4 位为监督字。 根据上述原则得到的编码完全可以满足检2 纠 1 的要求，并符合单片机的体系结构。 2 ．2编码实现 为了实现所要求的编码，必须首先求得其生成 矩阵。具体做法如下 将一致监督矩阵记为H Q ，1 ，其中1 为单 位矩阵；Q 为剩余部分矩阵，则生成矩阵为G 1 ， P ，其中P Q 7 。 已知4 位信息为C ”G 、c 3 、c 4 ，则相应的8 位 码字可通过下式求得 C 。C ⋯C 8 C 1c 2 c 3 G G 本例中，将日’通过矩阵等效行变换化为标准 形式 万方数据 1 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第6 期 ／- ／’ 其中Q 0llll 0 00 。10 1 1 10 00 1 。1 。0I - Q ，1 ， I、‘7，， 110 0 0 01J 0l1 Ol lO llO ，则P Q 7 生成矩阵G 1 ，P f 吕三0 ，，l 10 0 则 C 。C 2 ⋯C 。 C 。C C 3 c 4 0ll O l 1O l1 0 0 Oll O Ol 01 lOllO Ol111 甜 甜 三] 由上式可见，码字的前4 位为信息位，后4 位为 监督位，且 C 5 c 2 ①C 3 0 C 4 C 7 C 。e c o c 4 3 发射成功率计算 C 6 C 。o C 3 0 c 4 C 8 C 1 0 C 2 0 C 3 遥控起爆器发射时，以帧为单位，每帧8 个码 字，重复发射数据帧6 次。下面通过计算发射成功 概率，来验证上述纠错编码是否有效。 设每个码元的误码率为P ，发射成功概率为q l 一尸。每个码字长度为8 位，可纠正一个错误，所 以必须7 位以上正确才算发射成功，故每个码字的 发射成功概率为只 ∑c ∥ 1 一g 卜‘，每帧的发 射成功概率为R t ，指令发射成功概率为P 。 l 一 1 一P b 。o 设P 1 0 ～，计算得到P 。 0 ．9 9 7 3 1 ，P 6 0 ．9 7 8 6 8 ，P 。 0 ．9 9 9 9 9 ，可以看出，当误码率为O ．O l 时，发射成功率为0 ．9 9 9 9 9 ，而通常在工程设计中， 随机信道的误码率P 可以控制在1 0 。4 以下，所以可 以认为采用上述纠错编码的发射成功率为1 。 4 结束语 上述纠错编码已应用在自制的远程多路遥控起 爆器中 信道频率为4 3 3 M H z ，发射端采用A T 8 9 C 5 2 单片机，接收端采用A T 8 9 C 2 0 5 1 单片机 ，增加了有 效遥控距离 开阔处遥控距离增加了1 5 ％ ，提高了 遥控起爆成功率 发射成功率由9 8 ％提高到 1 0 0 ％ 。 参考文献 [ 1 ] 段美霞，郭勇，鲁长江．远程多路遥控起爆器的设计与 实现[ J ] ．电子器件，2 0 0 5 ，2 8 Z 3 8 7 - 3 8 9 ． [ 2 ] 樊昌信，詹道庸，徐炳祥，等．通信原理[ M ] ．北京国 防工业出版社，1 9 9 5 2 7 9 - 2 8 0 ． [ 3 ] 刘建军，南海卿．编码技术在单片机通信中的研究与 应用[ J ] ．河北工业大学学报，2 0 0 5 ，3 4 3 1 1 0 1 1 4 ． [ 4 ]薛保菊．通信技术中的编码方式及差错控制[ J ] ．机械 管理开发，2 0 0 5 5 8 3 - 8 5 ． [ 5 ] 王新梅，肖国镇．纠错码一原理与方法[ M ] ．西安西 安电子科技大学出版社，1 9 9 6 5 6 - 9 8 ． A p p l i c a t i o no fE r r o rC o r r e c t i n gC o d i n gi nR e m o t eD e t o n a t o r G U OT i a n t i a n ，D UY a o z h i ，Y I NJ i a n g i i a n S c h o o l0 f B a s l eE d u c a t i o nf o rC o m m a n d i n gO t 五e e r s ，I V U D T ／- ／u ’脚C h a n g s h a 。4 1 0 0 7 2 [ A B S T R A C T ] T h ee r r o rt y p eo fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，t h ep r i n c i p l eo fe l T o rc o r r e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gi si n t r o d u c e d ． T a k i n gr e m o t ed e t o n a t o ra Sa l le x a m p l e ．ab n do fe i g h t b i td e f o r m i n gH a m m i n ge l t “ r o l t “ c o r r e c t i n gc o d eW a Sp r o r , , 龇lt oi m - p r o v et h e8 u c 懒8r a t eo fr e m o t ed e t o n a t i n g ．a n dr e d u c et h eB E R ． [ K E YW O R D S ] r e m o t ed e t o n a t o r ，e l T O l rc o n t r o l ，e r r o rc o r r e c t i o nc o d i n g 上接第1 3 页 L o wS p e e dD e t o n a t i v eT u b ef o rA r t i f i c i a lS u b t r a c tT r a n s m i s s i o nL i n e sI c i n g J I NW e i p i n g ①，Y A N GR o n g i i e o ，Y A OJ i n h u a o ，S O N GT i n g l u 口 i N a t i o n a l9 3 9 4F n e t o r y J i a n g x iX i n y u 。3 3 8 0 0 1 馐 S e h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dV ．蟛．e e r h l go fB e i j i n gI n s t i t u t eo fl “ e e h n o l o g y B e i j i n g ，1 0 0 0 8 1 [ A B 泓c T ] T h ／sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s i g n ，r e s e a r c h ，p e r f o r m a n c e8 r i da p p l i c a t i o no fal o ws p e e dd e t o n a t l v et u b e f o ra r t i f i c i a ls u b t r a c tt r a n s m i s s i o nl i n e si c i n g ．a n di ta l s op r o p o s e aa n dd i s c u s s e dal t l e ww a yt or e d u e et r a n s m i s s i o nl i n e si e - i n g ．F i e l ds i m u l a t i n gd e i c i n ge x p e r i m e n tr e s u l tW l E I Sv e r i f i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ．I ti sb e n e f i c i a le x p l o r a t i o n i l It h ef i e l do fa r t i f i c i a ls u b t I a e tg l a z ei e i , l g ． [ K E YW O R O S ] d e t o n a f i v en 曲，i c i n g ，d e l e i n g ，g I a ∞i ci n g ，t r a m m i s s i o nl i n e s 1 l 0 l l O 1 1 0 1 1 1 0 O O l O 0 l O O 1 O O l O 0 O ，，-．．。．．．．．．．．．．．．。．．．．．一／ ● 万方数据