基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)設計

淺海高速水聲通信面臨最困難的就是強多途和由于海洋表面反射，內(nèi)波等引起的快速時變。其中自多途引起的接收信號的振幅衰落，多途引起接收信號的碼間干擾，再加上海洋環(huán)境噪聲、低的載波頻率、極為有限的帶寬以及傳輸條件的時間-空間-頻率變化特性，使得水聲信道成為迄今為止最困難的無線通信信道[1-2].水聲信道多徑時延嚴重，一般的多載波技術(shù)在接收端需要很好的信道估計均衡技術(shù)才能達到很小失真的回復信號，正交頻分復用技術(shù)由于發(fā)射端信號中加入了循環(huán)前綴使得抗多徑特性大大提高。該技術(shù)的主要思想是將所能利用的頻帶信道劃分成多個正交子信道，在每個劃分子信道上進行并行傳輸，降低信道上信號傳輸?shù)乃俾?，信號帶寬小于信道的相干帶寬，從而大大消除符號間干擾，并且子信道上的載波間有部分重疊而使頻帶的利用率得到提高。這種技術(shù)在水下通信中得到廣泛應用。

1 OFDM 原理

Weinstein 提出了利用DFT(Discrete Fourier Trans-form)實現(xiàn)OFDM(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing)系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)[3].在發(fā)射端傳送二進制數(shù)據(jù)，首先通過對各子載波調(diào)制將該組數(shù)據(jù)映射成為一組復數(shù)序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,其中dn = an + jbn,如果對上面的復數(shù)序列進行IDFT 變換，就會得到新的復數(shù)序列{S0 ,S1,-,SN - 1} ,其中：

在接收端，對收到的信號以時間間隔為Δt 進行采樣，然后進行DFT 變換，就能恢復出原來的復數(shù)序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,然后經(jīng)過解載波逆映射，就能恢復出原始的二進制數(shù)據(jù)。對于IDFT/DFT變換的計算，通常采用技術(shù)較為成熟的IFFT/FFT算法來實現(xiàn)[4-5],這樣用快速傅里葉算法可以大幅度減少計算量，以提高系統(tǒng)運行效率。

2 基于OFDM 的高速水聲通信

2.1 系統(tǒng)框圖

OFDM水聲通信系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如圖1所示。在水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射端，為了對抗水聲信道由于隨機性和突發(fā)性產(chǎn)生的錯誤，首先對輸入的二進制數(shù)字信號進行信道卷積編碼和交織處理，然后通過串/并轉(zhuǎn)換對每個子載波上的數(shù)字信號進行載波映射;然后再插入用于信道特性估計的導頻信息;進而通過IFFT變換形成OFDM調(diào)制信號;為了更好地對抗水聲信道的多途效應，在形成的OFDM符號后加入大于信道最大時延的循環(huán)前綴，保證接收到的信號不受碼間干擾，保證各子載波之間的正交性;最后通過D/A 轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，由射頻調(diào)制后將信號通過超聲波在水聲信道中進行傳輸。在接收端，則要進行與發(fā)送端相反的過程，最終恢復出原始數(shù)據(jù)。

2.2 循環(huán)前綴

由于信道會引起碼間干擾(Intersymbol Interfer-ence,ISI)和信道之間干擾的存在，子載波之間正交性就會被破壞，無法在接收端通過FFT將各子載波上的信號分開。雖然通過多載波調(diào)制會增強系統(tǒng)抗ISI 的能力，但當前符號仍然后于前一符號的時延產(chǎn)生重疊，從而產(chǎn)生ISI.為了減少ISI對信號的影響，就要在每個符號前面加上保護間隔(Guard Interval,GI)。保護間隔會使得先前符號產(chǎn)生的多途干擾信號在當前符號到達接收機之前消失，從而克服ISI的影響。如果將保護間隔內(nèi)的信息置為空，則會由于多途傳播的影響，使得各子載波之間失去正交性，從而會導致子載波間干擾(Intercarrier Interference,ICI)。為了消除多途傳播造成的ICI,通過將原來寬度為T 的OFDM 符號周期性擴展，這種采用采用周期擴展信號的保護間隔稱之為循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)。圖2 為加了循環(huán)前綴的一個OFDM符號，是把一個OFDM符號周期后面長度Tg 的部分復制到長度為Tg 的保護間隔中。這樣，只要循環(huán)前綴長度大于信道時延就不會造成ISI.

2.3 調(diào)制解調(diào)方式

OFDM是一種多載波調(diào)制方式，每個子載波都可以根據(jù)信道的狀況選擇不同的調(diào)制方式，當要優(yōu)先考慮傳輸?shù)目煽啃詴r，就選擇誤碼率較低的調(diào)制方式MPSK,如BPSK和QPSK;而要考慮系統(tǒng)傳輸速率時，可以選用頻譜利用率較高的調(diào)制方式MQAM,如8QAM和16QAM.

2.4 信道編碼技術(shù)

OFDM 技術(shù)可以克服多徑時延造成的碼間干擾和頻率性衰減，但是不能解決幅度的平坦型衰落。且在水聲信道上，由于噪聲環(huán)境的影響會造成傳輸信號的比特差錯，這都會造成通信的可靠性降低。為了改善通信質(zhì)量，在系統(tǒng)前端要進行信道編碼。卷積碼由于具有良好的糾錯性能成為本方案的首選。目前，在許多通信系統(tǒng)中都有應用，(2,1,7)碼是首選的使用Viterbi譯碼的標準卷積碼，具有使相關(guān)通信系統(tǒng)的誤碼率達到最小，且能克服相位誤差。

2.5 基于導頻的信道估計

由于許多信道不能直接傳送基帶信號，所以為了更好地適應信道，大多數(shù)的實際通信系統(tǒng)都要采用調(diào)制技術(shù)。調(diào)制方式不同，對應的解調(diào)方式也就不同。主要的解調(diào)方式有非相干方式、相干方式及差分編碼時常用的差分相干方式。采用差分相干方式和非相干方式可以避免信道估計，但對于多進制的高速水聲通信來說，進行相干方式解調(diào)時需要與發(fā)射端同頻同相