遥控起爆器的汉明码纠错应用研究.pdf

2 0 1 2 年6 月遥控起爆器的汉明码纠错应用研究郭天天等 2 9 遥控起爆器的汉明码纠错应用研究 郭天天杜耀志尹江健沈青 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] 8 ，4 汉明码易于遥控起爆器实现纠错功能，文章给出了其编译码算法，并采用C C l l 0 0 无线模块对其 性能进行了测试。澍试结果表明，采用 8 ，4 汉明码，误码率最大降低了8 0 ％，遥控距离最大增加了近5 0 ％。 8 ， 4 汉明码能有效降低遥控起爆的误码率，增加遥控距离，在遥控起爆器中具有很强的实用价值。 [ 关键词] 遥控起爆器汉明码误码率 [ 分类号] T J 5 1 0 ．2T N 9 1 9 ．3 引言 遥控起爆器对数据传输的准确性有着极高的要 求。然而电磁波在传输过程中能量会损耗，传播距 离越远，损耗越大；并且受多普勒频移、阴影效应和 多径效应等影响，会产生码间干扰和信号失真。这 些现象会极大地影响通信质量，为了保证遥控起爆 器可靠工作，应使用纠错编码【】“。 目前常用的纠错编码方式包括自动请求重发、 正反码、汉明码、循环码、B C H 码、卷积码等。其中 汉明码比较简单直观，既有检错能力，又有纠错能 力，而且软硬件实现起来也较为简单旧“。对于遥控 起爆器来说，传输的数据量不大，并且一般都采用成 本低廉的单片机，所以应该采用汉明码1 。 1 汉明码算法 汉明码是一种线性分组码，编码时首先将待发 送的数据进行分组，每组分成n 位，然后附加r 位监 督码元，构成一组位码元k k n r ，形成 k ，，1 码。在遥控起爆器中通常使用8 位单片机，数据收、 发通信及处理都以字节为单位进行，所以采用 8 ， 4 汉明码，可以很方便地对高、低4 位信息分别编 译码。 1 ．1 编码 设m ； m 4 ，呐，啦，m ． 为信息位，C 为编码后 的码字，则C m o G C 8 ，C 7 ，C 6 ，C 5 ，m 4 ，m ，，m 2 ， m ． ，G 为生成矩阵，本文采用的G 如式 1 所示忙1 C 1O 0l O O O O O 0 O0 1O Ol 01 lO l1 l1 1l 1l O1 1O 生成的监督码元如式 2 所示 c 5 m 2 0 m 3 0 m 4 c 6 m 1 0 ／ ／l , 3 0 m 4⋯ c 7 m I o ％0 m 4 C 8 m l o m 2 0 m 3 1 ．2 译码 设发送端发送的码字序列为C Q ，c 7 ，c 6 ， c 5 ，m ．，，，1 3 ，m ，m 。 ，由于干扰可能产生错码，假设 接收端接收到矢量Y C e ，称e 为信道的错误图 案。 对汉明码来说，G ⅣT H G 。 O ，其中日为一致监 督矩阵【”，从而有C H T m 删 0 。接收端在收到 码字后计算伴随式s y H “ e 矿。若错误图案e 0 ，则s 0 ；若e 0 ，则5 ≠O 。显然，伴随式5 只取决 于错误图案e 。当s ≠0 时，译码器的工作就是根据5 找到错误图案e ，并将接收到的矢量译码为； Y e 。如果将所有2 8 个可能的接收矢量Y 进行陪集分 解，可以得到1 6 个陪集，则对应的1 6 个陪集首就是 可纠正图案集。编写译码程序时，首先在内存中建 立一个陪集首表，然后通过查表完成从伴随式s 到 错误图案e 的映射悼⋯。 2 系统测试 遥控起爆器分发射单元和接收单元两部 分n 0 1 ，一般采用单片机作为控制和运算器件，其 原理框图如图1 所示。 匹耍} 屯巫叮一医卿 ii} ●●t 图1 遥控起爆器原理框图 十收藕日期2 0 1 2 - 0 3 - 1 1 7 作者简介郭天天 1 9 7 4 一 ，男，博士，剐教授，主要从事地雷爆破与破碎工程方面的研究。g - n u t i l 岵u o ．m a l 1 2 6 ．啪 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 1 卷第3 期 为了测试汉明码的有效性，根据遥控起爆器的 原理搭建了一个简单的测试系统．其结构如图2 所 示。 匝剖 图2 测试系统结构圈 测试系统的发射端使用S T C 8 9 C 5 2 单片机进行 田 编码，编码完成后由S P I 接1 2 1 传给4 3 3 M H z 的无线 模块C C l l 0 0 发射，发射数据速率为9 6 0 0b i t ／ s 。 C C l l 0 0 是_ n 公司生产的一种多波段U H F 收发器． 成本低，功耗小，编程方便，应用非常广泛，最大传输 距离可达数百米”2 。”1 。发射端如图3 所示。在接 收端，使用同样的无线模块接收，接收的数据通过串 1 2 1 传给P c 机，进行解码和结果分析。 圈3无线模块与单片机开发板 上述测试系统只要稍加改造。在发射端加上人 机接口，在接收端加上执行电路就是一个实际的遥 控起爆器。 测试过程中，发射端和接收端间隔不同的距离， 发射端循环发射从0 x 0 0 一O x O f 这1 6 个字节组成的 数据包；接收端实时接收解码，并计算误码率。每次 测试都分不编码和汉明码编码两个阶段，以便对比。 发送端和接收端的软件流程分别如图4 和图5 所 示。 3 测试结果 使用上述测试系统．在开阔地进行了两项测试 I 无线数据传输的误码率测试； 2 无线数据传输的最大遥控距离测试。 测试过程中发射端采用电池供电，距离地面 1 ．5m 左右；接收端使用笔记本电脑，距离地面0 ．5 图5接收端软件漉程图 m 左右。误码率测试结果如表1 所示。 袁1 误码率测试 表1 中的B E R l 为未进行汉明码编码时的误码 率，B E R 2 为加入汉明码时的误码率。可以看出，加 入纠错编码后，系统误码率有了较大的改善，尤其是 随着距离的增加，改善幅度增大，最高下降了近 8 0 ％。 最大遥控距离的测试方法是，在误码率不超过 2 ％的条件下，所能达到的最大无线传输距离。测试 结果如表2 所示。 表2最大遥控距离洲试 一一荤垂 万方数据 2 0 1 2 年6 月遥控起爆器的汉明码纠错应用研究郭天天等 3 l 从表2 可以看出。在2 ％误码率条件下，加入纠 错编码后，最大遥控距离增加了近5 0 ％。 在测试过程中，使用的是低增益天线，遥控距离 有限。在实际使用中，可以使用高增益天线以增加 遥控距离。 4 结语 本文根据遥控起爆器广泛采用8 位单片机，以 及遥控起爆数据量小，但可靠性要求高的特点，提出 在遥控起爆器中采用 8 ，4 汉明码，以牺牲码长为 代价，保证数据的可靠性。 本文研究了 8 ，4 汉明码的编译码实现，并进 行了测试。测试结果表明，在4 3 3 M H z 波段， 8 ，4 汉明码能有效降低误码率，增加遥控距离。说明这 种方式实现纠错功能简单，减少了对硬件电路的依 赖，充分发挥了系统的灵活性，具有良好的实用性， 在遥控起爆器中具有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 】杨静，陈钟荣，叶晶晶．纠错编码技术在无线模块中的 应用[ J ] ．自动化仪表，2 0 0 9 ，3 0 1 2 1 9 - 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