基於OFDM的水聲通信系統設計

2021-01-10 電子產品世界

淺海高速水聲通信面臨最困難的就是強多途和由於海洋表面反射，內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幹擾，再加上海洋環境噪聲、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，一般的多載波技術在接收端需要很好的信道估計均衡技術才能達到很小失真的回覆信號，正交頻分復用技術由於發射端信號中加入了循環前綴使得抗多徑特性大大提高。該技術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並行傳輸，降低信道上信號傳輸的速率，信號帶寬小於信道的相干帶寬，從而大大消除符號間幹擾，並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。這種技術在水下通信中得到廣泛應用。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/226786.htm

1 OFDM 原理

Weinstein 提出了利用DFT(Discrete Fourier Trans-form)實現OFDM(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing)系統的調製和解調[3].在發射端傳送二進位數據，首先通過對各子載波調製將該組數據映射成為一組複數序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,其中dn = an + jbn,如果對上面的複數序列進行IDFT 變換，就會得到新的複數序列{S0 ,S1,-,SN - 1} ,其中：

在接收端，對收到的信號以時間間隔為Δt 進行採樣，然後進行DFT 變換，就能恢復出原來的複數序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,然後經過解載波逆映射，就能恢復出原始的二進位數據。對於IDFT/DFT變換的計算，通常採用技術較為成熟的IFFT/FFT算法來實現[4-5],這樣用快速傅立葉算法可以大幅度減少計算量，以提高系統運行效率。

2 基於OFDM 的高速水聲通信

2.1 系統框圖

OFDM水聲通信系統的實現過程如圖1所示。在水聲通信系統的發射端，為了對抗水聲信道由於隨機性和突發性產生的錯誤，首先對輸入的二進位數位訊號進行信道卷積編碼和交織處理，然後通過串/並轉換對每個子載波上的數位訊號進行載波映射;然後再插入用於信道特性估計的導頻信息;進而通過IFFT變換形成OFDM調製信號;為了更好地對抗水聲信道的多途效應，在形成的OFDM符號後加入大於信道最大時延的循環前綴，保證接收到的信號不受碼間幹擾，保證各子載波之間的正交性;最後通過D/A 轉換將數位訊號轉換為模擬信號，由射頻調製後將信號通過超聲波在水聲信道中進行傳輸。在接收端，則要進行與發送端相反的過程，最終恢復出原始數據。

2.2 循環前綴

由於信道會引起碼間幹擾(Intersymbol Interfer-ence,ISI)和信道之間幹擾的存在，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。雖然通過多載波調製會增強系統抗ISI 的能力，但當前符號仍然後於前一符號的時延產生重疊，從而產生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生的多途幹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。如果將保護間隔內的信息置為空，則會由於多途傳播的影響，使得各子載波之間失去正交性，從而會導致子載波間幹擾(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，這種採用採用周期擴展信號的保護間隔稱之為循環前綴(Cyclic Prefix,CP)。圖2 為加了循環前綴的一個OFDM符號，是把一個OFDM符號周期後面長度Tg 的部分複製到長度為Tg 的保護間隔中。這樣，只要循環前綴長度大於信道時延就不會造成ISI.

2.3 調製解調方式

OFDM是一種多載波調製方式，每個子載波都可以根據信道的狀況選擇不同的調製方式，當要優先考慮傳輸的可靠性時，就選擇誤碼率較低的調製方式MPSK,如BPSK和QPSK;而要考慮系統傳輸速率時，可以選用頻譜利用率較高的調製方式MQAM,如8QAM和16QAM.

2.4 信道編碼技術

OFDM 技術可以克服多徑時延造成的碼間幹擾和頻率性衰減，但是不能解決幅度的平坦型衰落。且在水聲信道上，由於噪聲環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。為了改善通信質量，在系統前端要進行信道編碼。卷積碼由於具有良好的糾錯性能成為本方案的首選。目前，在許多通信系統中都有應用，(2,1,7)碼是首選的使用Viterbi解碼的標準卷積碼，具有使相關通信系統的誤碼率達到最小，且能克服相位誤差。

2.5 基於導頻的信道估計

由於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，大多數的實際通信系統都要採用調製技術。調製方式不同，對應的解調方式也就不同。主要的解調方式有非相干方式、相干方式及差分編碼時常用的差分相干方式。採用差分相干方式和非相干方式可以避免信道估計，但對於多進位的高速水聲通信來說，進行相干方式解調時需要與發射端同頻同相

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