CN105049063A - 一种网格状脉冲间隔编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种网格状脉冲间隔编码方法，所述方法是通过对N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特进行卷积编码而将N比特的脉冲间隔编码数据转换成N+1比特的脉冲间隔编码数据；并且将N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为若干码元子集，使若干码元子集与N+1比特的脉冲间隔编码数据形成一定的映射关系，并根据该映射关系，将N比特的脉冲间隔编码数据转换成N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据；从而最大化脉冲信号间的时间距离，获得显著的编码增益，并提高对信道带宽的利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲间隔编码方法，特别涉及一种融合卷积码和脉冲间隔编码的网格状脉冲间隔编码方法。
背景技术
脉冲间隔编码是利用两个脉冲之间的间隔时间表示信息的一种编码方法。脉冲间隔编码已在多个领域得到了广泛的应用，例如钻井液随钻数据传输、光通信等。为了提高脉冲间隔编码的数据传输性能，可在保持数据传输速率不变的情况下，引入前向纠错编码来适当增加冗余信息，从而获得编码增益。
通常使用卷积编码作为前向纠错码，将卷积编码和脉冲间隔编码直接级联起来而获得编码增益，但卷积编码最大化编码序列之间的是汉明距离，并且在译码时，采用Viterbi算法搜索与接收序列最有可能的编码序列来进行译码，从而获得尽可能大的编码增益。由于卷积编码的优化作用是在汉明距离上，而脉冲间隔编码在译码时，是通过脉冲间的时间间隔做判决，而且影响判决结果的直接因素是脉冲间隔时间。同时，脉冲间的时间间隔与汉明距离并不是简单对应关系，因此直接将卷积编码与脉冲间隔编码级联，并不能获得显著的编码增益。
因此，存在一种可充分地利用信道带宽进行数据传输且可获得显著的编码增益的脉冲间隔编码方法的需要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种可充分地利用信道带宽进行数据传输且可获得显著的编码增益的网格状脉冲间隔编码方法。
本发明的所述方法的步骤包括：对位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特进行卷积编码而将所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据，其中
将位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为若干码元子集，并且若干所述码元子集与所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据形成一定的映射关系；
根据所述映射关系，将所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据，从而将所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成所述位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
根据一种优选的实施方式，所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合中的码元之间的最小时间距离小于其划分的所述码元子集中的码元之间的最小时间距离；其中，
所述码元子集进一步地划分码元子集，并且划分后的码元子集中的码元之间的最小时间距离大于划分前的码元子集中的码元之间的最小时间距离，所述码元子集的最小码元数量为至少两个。
根据一种优选的实施方式，所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为个码元子集，且所述码元子集的码元数量均为个。
根据一种优选的实施方式，所述码元子集与所述位宽N+1比特的脉冲间隔编码数据形成的所述映射关系为：
所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特经卷积编码转换成的比特的脉冲间隔编码数据用于对应选择所述码元子集；
所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中未经卷积编码的比特的脉冲间隔编码数据用于对应选择所述码元子集中的码元。
根据一种优选的实施方式，对所述网格状脉冲间隔编码数据进行译码，具体为：将所述位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据的脉冲信号序列转化为时间序列，并采用软判决的Viterbi算法根据所述时间序列搜索出一个时间距离最小的时间序列而完成译码。
本发明的有益效果在于：将卷积编码和脉冲间隔编码融合起来构成网格状脉冲间隔编码，可充分地利用信道带宽进行数据传输，最大化脉冲间的时间间隔，获得显著的编码增益，使译码时产生的混淆的可能性降低。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明方法的N＝2的码元子集划分示意图；
图3是本发明方法的工作原理示意图；
图4是本发明方法的N＝2的实施例；
图5是本发明方法的Viterbi算法译码流程图；
图6是本发明方法应用在随钻测量系统的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
结合图1所示的本发明方法的流程图，设原始脉冲间隔编码数据位宽为N比特。本发明的网格状脉冲编码方法的步骤包括：
步骤一、对位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特编码数据进行卷积编码而将位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据，其中
具体的，在位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中，抽取比特的编码数据进行的卷积编码，其中，原始脉冲间隔编码数据中的比特可按照一定规律抽取，也可随机抽取。经过的卷积编码，将该比特的编码数据变换成位宽为比特的脉冲间隔编码数据，其中N和为正整数。
将该经卷积编码转换而成的比特的脉冲间隔编码数据与位宽为N比特的脉冲间隔编码数据中未经卷积编码的比特的脉冲间隔编码数据合并，构成位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据。
步骤二、将位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为若干码元子集，并且若干码元子集与位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据形成一定的映射关系。
具体的，将位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为若干码元子集，其中，位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合是包括2N+1种不同的脉冲间隔构成的脉冲信号集合，将该码元集合中的不同的脉冲间隔的脉冲信号按照一定规律划分到若干码元子集中，并使若干码元子集与位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据形成一定的映射关系。
步骤三、根据若干码元子集与位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据形成的映射关系，将位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据，从而将位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
具体的，位宽同为N比特的不同脉冲间隔编码数据经卷积编码后，对应地变换为位宽为N+1比特的不同脉冲间隔编码数据，按照由码元子集与N+1比特的脉冲间隔编码数据所形成的映射关系，不同的N+1比特的脉冲间隔编码数据对应着不同的码元子集和该对应码元子集中的不同码元，从而输出N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据，即相当于将N比特的原始脉冲间隔编码数据变换成N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
本发明的网格状脉冲间隔编码方法通过融合卷积编码，最大化脉冲信号间的时间距离，从而获得显著的编码增益，并提高对信道带宽的利用。
结合图2所示的本发明方法的N＝2的码元子集划分示意图；由于原始脉冲间隔编码数据的位宽为2比特，因此，对该原始脉冲间隔编码数据中的1比特编码数据进行卷积编码后得到2比特的脉冲间隔编码数据，再与未经卷积编码的1比特的脉冲间隔编码数据合并得到3比特的脉冲间隔编码数据。
3比特的脉冲间隔编码的码元集合为{Dk＝[d2d1d0]b；Dk＝0,1,...,7}，其中，[d2d1d0]b表示3比特二进制数，集合中的任意两个码元之间的距离为：d(m,n)＝|Dm-Dn|TD，TD为码元集合中的码元间的最小时间距离。
3比特的脉冲间隔编的码元集合为A0{0,1,2,3,4,5,6,7}，其最小时间距离为TD；第一次划分码元子集为B0{0,2,4,6}和B1{1,3,5,7}，其最小时间距离为2TD；第二次划分码元子集，B0{0,2,4,6}划分为C0{0,4}和C1{2,6}，B1{1,3,5,7}划分为C3{1,5}和C4{3,7}，其最小时间距离为4TD。
具体的，在划分码元子集时，按照每个码元子集中码元数量相同的，并且每个码元子集中码元之间的最小时间距离也是相等的条件来划分码元子集。
并且，若在划分码元子集后，得到的码元子集还能够在满足规律继续划分码元子集，为最大化码元之间的最小时间距离，则在这些码元子集的基础上进一步地划分码元子集。同时，在划分码元子集时应当满足，划分后的码元子集的码元之间的最小时间距离大于划分前的码元子集的码元之间的最小时间距离，这样每划分一次码元子集可增大码元之间的最小时间距离。
由于需要形成脉冲信号的脉冲间隔的时间距离，因此码元子集的最小码元数量为至少两个。
本发明的网格状脉冲间隔编码方法通过对位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分码元子集，使码元子集中的不同脉冲信号的脉冲间隔之间的时间距离最大化，从而提高编码增益。
结合图3所示的本发明方法的工作原理示意图；其中，设位宽为N比特的脉冲编码数据为Dk＝[dN-1...d1d0]b，其中dn＝0,1；n＝0,1,...,N-1。
该N比特的脉冲编码数据Dk＝[dN-1...d1d0]b包含原始脉冲编码数据，通过对其进行网格状脉冲间隔编码，而将N比特的原始脉冲编码数据转换为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
将该N比特的原始脉冲间隔编码Dk＝[dN-1...d1d0]b中的比特进行卷积编码，转换成比特的脉冲间隔编码数据，其中，N比特的脉冲间隔编码数据中未经卷积编码的比特保持不变，而最终得到N+1比特的状脉冲间隔编码数据Dk′＝[d′N...d1′d0′]b。
其中，将N+1比特的状脉冲间隔编码的码元集合划分成个码元子集，并且每个码元子集的包含个码元。
N+1比特的状脉冲间隔编码数据Dk′＝[d′N...d1′d0′]b中经卷积编码转换成的比特的脉冲间隔编码数据用于选择个码元子集，其中，比特的脉冲间隔编码数据包含的编码信息与个码元子集一一对应；
N+1比特的状脉冲间隔编码数据Dk′＝[d′N...d1′d0′]b中未经卷积编码的比特的脉冲间隔编码数据用于选择码元子集中的个码元,其中，该比特的脉冲间隔编码数据包含的编码信息与个码元一一对应。
通过这样的映射关系，最终将将N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
结合图4所示的本发明方法的N＝2的实施例；其中，z-1为延迟单元，2比特的脉冲间隔编码数据Dk＝[d1d0]b包含原始数据，3比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为四个包括两个码元的码元子集，其最小时间距离为4TD。
具体的，d1对应d2′，d0经过第一延迟单元后得到d0′，d0′再经过第二延迟单元后得到d1′。从而得到3比特的脉冲间隔编码数据Dk′＝[d2′d1′d0′]b，并且其中的d1′和d0′用于选择对应子集，d2′用于选择子集中的对应码元。
映射关系具体为：Dk′＝[000]b对应表示0；Dk′＝[100]b对应表示4；Dk′＝[001]b对应表示1；Dk′＝[101]b对应表示5；Dk′＝[010]b对应表示2；Dk′＝[110]b对应表示6；Dk′＝[011]b对应表示3；Dk′＝[111]b对应表示7。
因此，按照本发明的网格状脉冲间隔编码方法，将N比特的脉冲间隔编码数据变换成N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据，最大化脉冲信号间的时间距离，从而获得显著的编码增益，并提高对信道带宽的利用。
结合图5所示的本发明方法的Viterbi算法译码流程图；其中，N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据中所包含的脉冲信号序列通过脉冲间隔计算转换成对应的时间序列，通过软判决的Viterbi算法在该时间序列中搜索出一个时间距离最小的时间序列而完成译码，即相当于在该时间序列中提取出与N比特的脉冲间隔编码序列对应的时间序列相比，时间距离最小的时间序列；从而避免译码过程中脉冲信号间噪声的影响，减小误码率。
结合图6所示的本发明方法应用在随钻测量系统的流程图；其中，由数据编码模块对随钻测量仪器采集到的数据编码后，将数据编码送入脉冲器驱动模块，脉冲器驱动模块则根据输入数据编码产生控制钻井液脉冲发生器的电信号，以控制脉冲器产生钻井液压力脉冲。
钻井液压力脉冲经过一系列信号预处理(信号预处理包括：压力波动消除、高斯噪声消除、泵冲干扰消除、信道均衡等模块)后进入数据解码模块，由数据解码模块解出井下所发送的数据。
其中，网格状脉冲间隔编码的编码端是随钻测量系统的井下数据传输部分的数据编码模块，网格状脉冲间隔编码的译码端则是位于地面的接收系统中的数据解码模块。
由于随钻测量仪器采集到的数据，不仅包含井下传来的有用信号，还含有与泵冲特性相关的周期性脉冲和宽带白噪声等，而与泵冲特性相关的周期性脉冲和宽带白噪声的幅度大于有用信号幅度，因此，采用本发明的网格状脉冲间隔编码对进行随钻测量仪器采集到的数据编码，获得编码增益，提高了信号的准确度，并可保持在同一传输速率的条件下，大幅减小误码率。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种网格状脉冲间隔编码方法，其特征在于，所述方法的步骤包括，
对位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特进行卷积编码而将所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据，其中
将位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为若干码元子集，并且若干所述码元子集与所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据形成一定的映射关系；
根据所述映射关系，将所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码数据转换成位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据，从而将所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据转换成所述位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据。
2.如权利要求1所述的网格状脉冲间隔编码方法，其特征在于，所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合中的码元之间的最小时间距离小于其划分的所述码元子集中的码元之间的最小时间距离；其中，
所述码元子集进一步地划分码元子集，并且划分后的码元子集中的码元之间的最小时间距离大于划分前的码元子集中的码元之间的最小时间距离，所述码元子集的最小码元数量为至少两个。
3.如权利要求1或2之一所述的网格状脉冲间隔编码方法，其特征在于，所述位宽为N+1比特的脉冲间隔编码的码元集合划分为个码元子集，且所述码元子集的码元数量均为个。
4.如权利要求3所述的网格状脉冲间隔编码方法，其特征在于，所述码元子集与所述位宽N+1比特的脉冲间隔编码数据形成的所述映射关系为：
所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中的比特经卷积编码转换成的比特的脉冲间隔编码数据用于对应选择所述码元子集；
所述位宽为N比特的原始脉冲间隔编码数据中未经卷积编码的比特的脉冲间隔编码数据用于对应选择所述码元子集中的码元。
5.如权利要求1或2之一所述的网格状脉冲间隔编码方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对所述网格状脉冲间隔编码数据进行译码，具体为：将所述位宽为N+1比特的网格状脉冲间隔编码数据的脉冲信号序列转化为时间序列，并采用软判决的Viterbi算法根据所述时间序列搜索出一个时间距离最小的时间序列而完成译码。
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