基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

淺海高速水聲通信面臨最困難的就是強(qiáng)多途和由于海洋表面反射，內(nèi)波等引起的快速時(shí)變。其中自多途引起的接收信號(hào)的振幅衰落，多途引起接收信號(hào)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(shí)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(shí)延嚴(yán)重，一般的多載波技術(shù)在接收端需要很好的信道估計(jì)均衡技術(shù)才能達(dá)到很小失真的回復(fù)信號(hào)，正交頻分復(fù)用技術(shù)由于發(fā)射端信號(hào)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(gè)正交子信道，在每個(gè)劃分子信道上進(jìn)行并行傳輸，降低信道上信號(hào)傳輸?shù)乃俾?，信?hào)帶寬小于信道的相干帶寬，從而大大消除符號(hào)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(yīng)用。

1 OFDM 原理

Weinstein 提出了利用DFT(Discrete Fourier Trans-form)實(shí)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(jìn)制數(shù)據(jù)，首先通過對(duì)各子載波調(diào)制將該組數(shù)據(jù)映射成為一組復(fù)數(shù)序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,其中dn = an + jbn,如果對(duì)上面的復(fù)數(shù)序列進(jìn)行IDFT 變換，就會(huì)得到新的復(fù)數(shù)序列{S0 ,S1,-,SN - 1} ,其中：

在接收端，對(duì)收到的信號(hào)以時(shí)間間隔為Δt 進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行DFT 變換，就能恢復(fù)出原來的復(fù)數(shù)序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,然后經(jīng)過解載波逆映射，就能恢復(fù)出原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。對(duì)于IDFT/DFT變換的計(jì)算，通常采用技術(shù)較為成熟的IFFT/FFT算法來實(shí)現(xiàn)[4-5],這樣用快速傅里葉算法可以大幅度減少計(jì)算量，以提高系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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(duì)抗水聲信道由于隨機(jī)性和突發(fā)性產(chǎn)生的錯(cuò)誤，首先對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信道卷積編碼和交織處理，然后通過串/并轉(zhuǎn)換對(duì)每個(gè)子載波上的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行載波映射;然后再插入用于信道特性估計(jì)的導(dǎo)頻信息;進(jìn)而通過IFFT變換形成OFDM調(diào)制信號(hào);為了更好地對(duì)抗水聲信道的多途效應(yīng)，在形成的OFDM符號(hào)后加入大于信道最大時(shí)延的循環(huán)前綴，保證接收到的信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，由射頻調(diào)制后將信號(hào)通過超聲波在水聲信道中進(jìn)行傳輸。在接收端，則要進(jìn)行與發(fā)送端相反的過程，最終恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

2.2 循環(huán)前綴

由于信道會(huì)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(huì)被破壞，無法在接收端通過FFT將各子載波上的信號(hào)分開。雖然通過多載波調(diào)制會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)抗ISI 的能力，但當(dāng)前符號(hào)仍然后于前一符號(hào)的時(shí)延產(chǎn)生重疊，從而產(chǎn)生ISI.為了減少ISI對(duì)信號(hào)的影響，就要在每個(gè)符號(hào)前面加上保護(hù)間隔(Guard Interval,GI)。保護(hù)間隔會(huì)使得先前符號(hào)產(chǎn)生的多途干擾信號(hào)在當(dāng)前符號(hào)到達(dá)接收機(jī)之前消失，從而克服ISI的影響。如果將保護(hù)間隔內(nèi)的信息置為空，則會(huì)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(huì)導(dǎo)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(hào)周期性擴(kuò)展，這種采用采用周期擴(kuò)展信號(hào)的保護(hù)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(gè)OFDM符號(hào)，是把一個(gè)OFDM符號(hào)周期后面長(zhǎng)度Tg 的部分復(fù)制到長(zhǎng)度為Tg 的保護(hù)間隔中。這樣，只要循環(huán)前綴長(zhǎng)度大于信道時(shí)延就不會(huì)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(gè)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(dāng)要優(yōu)先考慮傳輸?shù)目煽啃詴r(shí)，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(shí)，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(shí)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(huì)造成傳輸信號(hào)的比特差錯(cuò)，這都會(huì)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(jìn)行信道編碼。卷積碼由于具有良好的糾錯(cuò)性能成為本方案的首選。目前，在許多通信系統(tǒng)中都有應(yīng)用，(2,1,7)碼是首選的使用Viterbi譯碼的標(biāo)準(zhǔn)卷積碼，具有使相關(guān)通信系統(tǒng)的誤碼率達(dá)到最小，且能克服相位誤差。

2.5 基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)

由于許多信道不能直接傳送基帶信號(hào)，所以為了更好地適應(yīng)信道，大多數(shù)的實(shí)際通信系統(tǒng)都要采用調(diào)制技術(shù)。調(diào)制方式不同，對(duì)應(yīng)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(shí)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(jì)，但對(duì)于多進(jìn)制的高速水聲通信來說，進(jìn)行相干方式解調(diào)時(shí)需要與發(fā)射端同頻同相的載波信息，否則不能正確解調(diào)，因此必須進(jìn)行信道估計(jì)，信道估計(jì)就可以對(duì)有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。本文采用塊狀導(dǎo)頻插入方式進(jìn)行信道的估計(jì)。

2.6 OFDM參數(shù)選擇

在OFDM系統(tǒng)中，需要確定以下參數(shù)：保護(hù)間隔、符號(hào)周期和子載波數(shù)量。這些參數(shù)取決于所需信道的頻帶寬度、時(shí)延擴(kuò)展和要求的信息傳輸速率。一般按照以下方法確定OFDM系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)[7]:

(1)保護(hù)間隔的確定：保護(hù)間隔大于信息的最大時(shí)延擴(kuò)展。

(2)選擇符號(hào)周期：一般選擇符號(hào)周期長(zhǎng)度(不包含保護(hù)間隔長(zhǎng)度)為保護(hù)間隔長(zhǎng)度的4倍。

(3)子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以利用-3 dB帶寬除以子載波間隔(即為去掉保護(hù)間隔后的符號(hào)周期的倒數(shù))得到。還可以利用要求的比特速率除以每個(gè)子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)量。每個(gè)子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率以及符號(hào)速率來確定。

本文選用的OFDM參數(shù)見表1.

3 通信仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證水聲OFDM 通信系統(tǒng)的性能，本文使用Matlab 7.1 軟件進(jìn)行算法仿真。仿真時(shí)參數(shù)如表1 所示。文中OFDM系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)是通過Matlab生成隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)0和1,首先經(jīng)過信號(hào)的編碼和交織，然后對(duì)各子載波進(jìn)行基帶調(diào)制即映射，如圖3所示的星座圖，數(shù)據(jù)被分配在星座空間的固定位置處，與理論值一致。

映射后對(duì)單個(gè)的信號(hào)進(jìn)行IFFT 變換，加入循環(huán)前綴，這樣就生成了OFDM 符號(hào)。信號(hào)經(jīng)過多徑信道，在去掉循環(huán)前綴，并對(duì)各個(gè)符號(hào)進(jìn)行FFT,接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)的星座圖見圖4,圖4(a)和圖4(b)分別是子載波為BPSK和8QAM基帶調(diào)制時(shí)的接收星座圖。由圖可知經(jīng)過水聲信道后的信號(hào)在星座圖中的位置已經(jīng)完全改變了，則需要進(jìn)行信道估計(jì)才能正確解調(diào)出原始數(shù)據(jù)。

FFT變換后，星座圖已經(jīng)完全發(fā)生變化，數(shù)據(jù)不能在星座圖中的準(zhǔn)確位置處，因此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道估計(jì)，圖5是信號(hào)經(jīng)過信道估計(jì)后的星座圖，圖5(a)和圖5(b)分別為為BPSK和8QAM下的信道估計(jì)后的星座圖。

圖6是OFDM系統(tǒng)在8QAM基帶調(diào)制下的誤碼率曲線與單載波在8QAM調(diào)制下的誤碼率曲線比較圖，由圖可知在單載波調(diào)制下誤碼率很高，信號(hào)通過水聲信道的多徑干擾等影響后接收到的信號(hào)的錯(cuò)誤率偏高，而在OFDM通信系統(tǒng)下誤碼率明顯降低，這就可說明OFDM系統(tǒng)具有明顯的抗多徑干擾性能，在增加信噪比后誤碼率會(huì)明顯下降，而單載波系統(tǒng)在增加信噪比時(shí)，誤碼率也不會(huì)降低，可見OFDM系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)有明顯的抗多徑干擾的優(yōu)勢(shì)。

子載波解調(diào)后，進(jìn)行解解交織解碼，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，通信誤碼率如圖7所示。圖7(a)為BPSK調(diào)制方式下的誤碼率，圖7(b)為8QAM 調(diào)制方式下的誤碼率曲線，可以知道BPSK方式下的誤碼率要比8QAM調(diào)制方式下的誤碼率要低。則驗(yàn)證了當(dāng)需要可靠傳輸性能時(shí)選用BPSK調(diào)制方式，而當(dāng)需要高速率時(shí)選用頻譜利用率較高的8QAM調(diào)制方式。

4 結(jié)論

OFDM 是一種適合于多徑衰落和受限帶寬信道中的高速通信技術(shù)，其在無線電領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的用途，而在水聲通信方面應(yīng)用還很少。本文把OFDM通信技術(shù)應(yīng)用于水聲通信中，設(shè)計(jì)了基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)，并通過分析和仿真，驗(yàn)證了基于OFDM 的水聲通信具有較強(qiáng)的抗多徑干擾的能力。