CN110995281B - 一种适合测井电缆传输的可变码长rs编码方法 - Google Patents

一种适合测井电缆传输的可变码长rs编码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法，包括如下步骤：（1）将MAC层到达的网络数据按照编码器的协议进行打包处理，使用双端口RAM完成，（2）将打包后的数据送入大容量FIFO进行RS编码器的缓存：（3）将该包信息送入RS编码器进行编码：（4）编码器按照编码结构和模2加法运算的化简结果进行编码。本发明所公开的编码方法具有如下优点：编码器运算简单，资源占有率低，编码时延小；RS码字在整数个OFDM符号中传输，编码效率高；RS码字在同一个数据帧中传输，错误不累计，系统可靠性高；系统实现复杂度低，可选用处理器范围广。

Description

一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法
技术领域
本发明属于编码方法领域，特别涉及该领域中的一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法。
背景技术
传统的RS编码器多采用乘加运算，编码较复杂，对处理器要求高。而在测井电缆高速遥测系统中，由于高温(175°)高压(140Mpa)环境的影响，传统的资源丰富的DSP或者FPGA在井下工作异常，所以必须降低井下处理器的编码复杂度。在中国电子科技集团公司第二十二研究所和大庆测井技术服务分公司合作研发的Wiseye1020高速遥测系统中采用化简的RS编码方式，其编码方案如下：
RS编码器采用GF(28)域上(255,223)码的缩短码，RS码本源多项式为：f(x)＝x8+x7+x2+x+1；生成多项式为：根据伽罗华域的对称性可知，取b＝28-1-16＝112时，gi具有对称性。将b＝112带入生成多项式后对本源多项式求余，整理可得：
式中数字为十进制显示。编码器的编码结构见图1所示。编码输入x单位为字节，每个码字原始信息为168个字节，编码后码子长度为200字节，编码效率为84％，每个码子最多可纠16个字节错误。由生成多项式和编码器结构可知，编码器具有对称性，所以计算反馈向量S时只需计算S0到S16即可，计算量减少一半，大大缩短了编码时延。此外，为了进一步优化编码算法，系统将基于GF(2^8)域上的乘法运算换算成基于比特的模2加法运算(异或运算)，进一步提高编码速率。
以S1的计算为例来说明该化简算法。输入信息多项式为：反馈向量多项式为：/>则域上的乘法运算为：
从而可知反馈向量与输入向量每比特的关系式如下：
s10＝x0+x2+x3+x4+x5
s11＝x1+x2+x6
s12＝x0+x4+x5+x7
s13＝x1+x5+x6
s14＝x2+x6+x7
s15＝x3+x7
s16＝x0+x4
s17＝x1+x2+x3+x4
以上将GF(28)域上的乘法转换成了模2加(异或)操作，硬件实现简单。由于RS编码器设计时生成多项式的系数时固定的，所以可以将32个乘法全部转换成加法进行硬件实现。
现有技术通过将GF(28)域上的乘法运算转换成对应的比特运算，并充分考虑了编码器的对称结构，显著减小了处理器的运算量，使得井下处理器可以在更宽的范围内进行选型。但是现有技术采用固定码长，譬如Wiseye1020系统采用RS(200,168)的码长，而通信系统在建立时会根据电缆信道的信噪比自适应调节通信速率，使得每个OFDM符号传输的信息量有很大差别，这样就使得一个RS码可能会分配到多个OFDM符号中进行传输，这样造成如下结果：
(1)1个RS码分配不到整数个OFDM符号，最后几个RS码映射完的数据填充不满一个OFDM符号，OFDM符号需要补多个0来填充。
(2)1个RS码虽然分配到整数个OFDM符号中，但其调制后得信息却被分配到不同的帧中，造成译码时延增大。
(3)前后两帧包含1个RS码的可能性增大，造成错误累计现象，若一帧的信号出现问题，另一帧必定译码出错，系统可靠性降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法。
本发明采用如下技术方案：
一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)将MAC层到达的网络数据按照编码器的协议进行打包处理，使用双端口RAM完成，协议格式如下：
3bit帧号 5bit包号 1个字节RS有效数据长度 有效数据
FNum BNum Len Len个网络数据
一帧网络帧最多1600字节，可以分为多个RS包进行编码；一个OFDM符号传输有效数据长度为LenPO；则RS码的有效长度Len＝LenPO*4-32-2；即保证编码后的数据恰好能分成4个OFDM符号进行传输；网络数据不够整包传输时，在最后一包加0凑够整包；RS采用(255,223)校验位为32位的缩短码进行编码，待编码信息Len+2个字节；
(2)将打包后的数据送入大容量FIFO进行RS编码器的缓存：
FIFO根据编码器状态进行读取操作；一次读出1包待编码信息，长度为RSLen＝LenPO*4-32；
(3)将该包信息送入RS编码器进行编码：
RS编码器采用GF(28)域上(255,223)码的缩短码，32个字节校验位，每个RS符号最多就16个字节错误，RS符号编码长度为RSLen，编码后的长度进行QAM映射后可分成4个OFDM符号进行传输，每帧传输48个OFDM符号，从而保证每帧上传信号为整数倍个RS符号，从而解决上传信号不同步引起的解码积累误差；
(4)编码器按照编码结构和模2加法运算的化简结果进行编码，处理流程如下：
a、RS编码器复位，32个寄存器清0；
b、判断XEN是否为高，为高时：反馈向量S＝X^M31，输出信号Y＝X；为低时：反馈端信号S＝0，输出信号Y＝M31；
c、将S与生成多项式系数进行运算，按上述算法将乘法转化成比特加法进行运算，产生S0……S31；si的各个比特为输入信号各比特的线性组合；
d、判断RSEN是否为高，为高时：mi＝mi-1^si，其中M0＝S0。
进一步的，将反馈向量的比特运算做以下处理：
s10＝(x0+x4)+(x2+x3)+x5
s11＝x1+(x2+x6)
s12＝(x0+x4)+x5+x7
s14＝(x2+x6)+x7
s15＝x3+x7
s16＝(x0+x4)
s17＝x1+(x2+x3)+x4。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的编码方法具有如下优点：编码器运算简单，资源占有率低，编码时延小；RS码字在整数个OFDM符号中传输，编码效率高；RS码字在同一个数据帧中传输，错误不累计，系统可靠性高；系统实现复杂度低，可选用处理器范围广。
附图说明
图1是编码器结构图；
图2是编码器输入输出框图；
图3是编码时序图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例提出一种适合在测井电缆传输系统中高速数据传输的信道编码方式。编码采用RS(255,223)缩短码进行编码，校验位为32个字节，一个码块最多可纠16个字节的随机错误或者突发错误，纠错能量强。编码方式打破传统高速电缆遥测OFDM系统中RS编码长度固定的模式，根据信道环境及信道自适应分配策略自动调整RS编码器的编码长度，保证一个码块的编码长度在整数个OFDM符号中传输，提高系统效率，减少系统的差错累计。本实施例编码器使用FPGA设计，处理流程如下：一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法，包括如下步骤：
(1)将MAC层到达的网络数据按照编码器的协议进行打包处理，使用双端口RAM完成，协议格式如下：
3bit帧号 5bit包号 1个字节RS有效数据长度 有效数据
FNum BNum Len Len个网络数据
一帧网络帧最多1600字节，可以分为多个RS包进行编码；一个OFDM符号传输有效数据长度为LenPO；则RS码的有效长度Len＝LenPO*4-32-2；即保证编码后的数据恰好能分成4个OFDM符号进行传输；网络数据不够整包传输时，在最后一包加0凑够整包；RS采用(255,223)校验位为32位的缩短码进行编码，待编码信息Len+2个字节；
(2)将打包后的数据送入大容量FIFO进行RS编码器的缓存：
FIFO根据编码器状态进行读取操作；一次读出1包待编码信息，长度为RSLen＝LenPO*4-32；
(3)将该包信息送入RS编码器进行编码：
RS编码器采用GF(28)域上(255,223)码的缩短码，32个字节校验位，每个RS符号最多就16个字节错误，RS符号编码长度为RSLen，编码后的长度进行QAM映射后可分成4个OFDM符号进行传输，每帧传输48个OFDM符号，从而保证每帧上传信号为整数倍个RS符号，从而解决上传信号不同步引起的解码积累误差；
(4)编码器按照图1所示的编码结构和模2加法运算的化简结果进行编码，处理流程如下：
a、RS编码器复位，32个寄存器清0；
b、判断XEN是否为高，为高时：反馈向量S＝X^M31，输出信号Y＝X；为低时：反馈端信号S＝0，输出信号Y＝M31；
c、将S与生成多项式系数进行运算，按上述算法将乘法转化成比特加法进行运算，产生S0……S31；si的各个比特为输入信号各比特的线性组合；
d、判断RSEN是否为高，为高时：mi＝mi-1^si，其中M0＝S0。
编码器输入输出框图见图2所示，编码时序图见图3所示。
为了进一步减少处理器的运算量，本实施例将反馈向量的比特运算做以下处理：
s10＝(x0+x4)+(x2+x3)+x5
s11＝x1+(x2+x6)
s12＝(x0+x4)+x5+x7
s14＝(x2+x6)+x7
s15＝x3+x7
s16＝(x0+x4)
s17＝x1+(x2+x3)+x4。
式中括号项只需计算1次，原本的18个模2加法操作变为11个模2操作，优化率达到38.8％，其余31个反馈向量都采用该优化方式，编码器资源占用率缩减40％左右，且进一步缩短了编码时延。
本实施例通过将RS编码器的长度设置为可变码长，根据信道情况确定系统传输速率及每个OFDM符号的信息量之后，将RS编码的长度设置为编码后能够满足在整数个OFDM符号中进行传输的模式，同时建立一帧数据中OFDM符号个数和RS编码长度的关系保证一个RS码字在同一帧信号中传输，减少译码时延和错误累计，提高系统可靠性和鲁棒性。
在本实施例中，测井电缆传输指：测井过程中使用单芯电缆或者七芯电缆传输测井数据；RS编码指：一类纠错能力很强的特殊非二进制BCH码，用于数据传输过程中的前向纠错。此外更换不同类型的处理器或者改变生成多项式也能按照上述思路进行编码。

Claims (1)

1.一种适合测井电缆传输的可变码长RS编码方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将MAC层到达的网络数据按照编码器的协议进行打包处理，使用双端口RAM完成，协议格式如下：
3bit帧号 5bit包号 1个字节RS有效数据长度 有效数据 FNum BNum Len Len个网络数据
一帧网络帧最多1600字节，可以分为多个RS包进行编码；一个OFDM符号传输有效数据长度为LenPO；则RS码的有效长度Len＝LenPO*4-32-2；即保证编码后的数据恰好能分成4个OFDM符号进行传输；网络数据不够整包传输时，在最后一包加0凑够整包；RS采用(255,223)校验位为32位的缩短码进行编码，待编码信息Len+2个字节；
(2)将打包后的数据送入大容量FIFO进行RS编码器的缓存：
FIFO根据编码器状态进行读取操作；一次读出1包待编码信息，长度为RSLen＝LenPO*4-32；
(3)将所述待编码信息送入RS编码器进行编码：
RS编码器采用GF(28)域上(255,223)码的缩短码，32个字节校验位，每个RS符号最多就16个字节错误，RS符号编码长度为RSLen，编码后的长度进行QAM映射后可分成4个OFDM符号进行传输，每帧传输48个OFDM符号，从而保证每帧上传信号为整数倍个RS符号，从而解决上传信号不同步引起的解码积累误差；
(4)编码器按照编码结构和模2加法运算的化简结果进行编码，处理流程如下：
a、RS编码器复位，32个寄存器清0；
b、判断XEN是否为高，为高时：反馈向量S＝X^m31，输出信号Y＝X；为低时：反馈端信号S＝0，输出信号Y＝m31；
c、化简算法：输入信息多项式为：反馈向量多项式为：域上的乘法运算为：
反馈向量与输入向量每比特的关系式如下：
s10＝x0+x2+x3+x4+x5
s11＝x1+x2+x6
s12＝x0+x4+x5+x7
s13＝x1+x5+x6
s14＝x2+x6+x7
s15＝x3+x7
s16＝x0+x4
s17＝x1+x2+x3+x4
将S与生成多项式系数进行运算，按上述化简算法将乘法转化成比特加法进行运算，产生S0……S31；si的各个比特为输入信号各比特的线性组合；
d、判断RSEN是否为高，为高时：mi＝mi-1^si，其中m0＝S0。
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