基于OFDM的水聲通信系統設計

正交頻分複用技術（OFDM）具有抗頻率選擇性衰減和提高頻帶使用率的良好特點。本文設計了基于OFDM技術的水聲通信系統，此系統通過IFFT/FFT算法來實作，利用保護間隔的循環字首來克服碼間幹擾，并通過Matlab仿真說明OFDM系統在水聲通信中有抗多徑幹擾性能。OFDM技術受到高速率資料傳輸系統的青睐，在水下通信中具有很好的應用前景。

引言

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，内波等引起的快速時變。其中自多途引起的接收信号的振幅衰落，多途引起接收信号的碼間幹擾，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。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複信号，正交頻分複用技術由于發射端信号中加入了循環字首使得抗多徑特性大大提高。該技術的主要思想是将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，降低信道上信号傳輸的速率，信号帶寬小于信道的相幹帶寬，進而大大消除符号間幹擾，并且子信道上的載波間有部分重疊而使頻帶的使用率得到提高。這種技術在水下通信中得到廣泛應用。

OFDM 原理

Weinstein 提出了利用DFT（Discrete Fourier Trans-form）實作OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing）系統的調制和解調在發射端傳送二進制資料，首先通過對各子載波調制将該組資料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，對收到的信号以時間間隔為Δt 進行采樣，然後進行DFT 變換，就能恢複出原來的複數序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,然後經過解載波逆映射，就能恢複出原始的二進制資料。對于IDFT/DFT變換的計算，通常采用技術較為成熟的IFFT/FFT算法來實作,這樣用快速傅裡葉算法可以大幅度減少計算量，以提高系統運作效率。

基于OFDM 的高速水聲通信

系統框圖

OFDM水聲通信系統的實作過程如圖1所示。在水聲通信系統的發射端，為了對抗水聲信道由于随機性和突發性産生的錯誤，首先對輸入的二進制數字信号進行信道卷積編碼和交織處理，然後通過串/并轉換對每個子載波上的數字信号進行載波映射；然後再插入用于信道特性估計的導頻資訊；進而通過IFFT變換形成OFDM調制信号；為了更好地對抗水聲信道的多途效應，在形成的OFDM符号後加入大于信道最大時延的循環字首，保證接收到的信号不受碼間幹擾，保證各子載波之間的正交性；最後通過D/A轉換将數字信号轉換為模拟信号，由射頻調制後将信号通過超音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，最終恢複出原始資料。

循環字首

由于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 将各子載波上的信号分開。雖然通過多載波調制會增強系統抗ISI的能力，但目前符号仍然後于前一符号的時延産生重疊，進而産生ISI。為了減少ISI對信号的影響，就要在每個符号前面加上保護間隔（Guard Interval,GI）。保護間隔會使得先前符号産生的多途幹擾信号在目前符号到達接收機之前消失，進而克服ISI的影響。如果将保護間隔内的資訊置為空，則會由于多途傳播的影響，使得各子載波之間失去正交性，進而會導緻子載波間幹擾（Intercarrier Interference,ICI）。為了消除多途傳播造成的ICI,通過将原來寬度為T 的OFDM 符号周期性擴充，這種采用采用周期擴充信号的保護間隔稱之為循環字首（Cyclic Prefix,CP）。圖2 為加了循環字首的一個OFDM符号，是把一個OFDM符号周期後面長度Tg 的部分複制到長度為Tg 的保護間隔中。這樣，隻要循環字首長度大于信道時延就不會造成ISI。

調制解調方式

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

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，由于噪聲環境的影響會造成傳輸信号的比特差錯，這都會造成通信的可靠性降低。為了改善通信品質，在系統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，在許多通信系統中都有應用，（2,1,7）碼是首選的使用Viterbi譯碼的标準卷積碼，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。

基于導頻的信道估計

由于許多信道不能直接傳送基帶信号，是以為了更好地适應信道，大多數的實際通信系統都要采用調制技術。調制方式不同，對應的解調 方式也就不同。主要的解調方式有非相幹方式、相幹方式及差分編碼時常用的差分相幹方式。采用差分相幹方式和非相幹方式可以避免信 道估計，但對于多進制的高速水聲通信來說，進行相幹方式解調時需要與發射端同頻同相的載波資訊，否則不能正确解調，是以必須進行信道估計，信道估計就可以對有用的資料進行校正。本文采用塊狀導頻插入方式進行信道的估計。

OFDM參數選擇

在OFDM系統中，需要确定以下參數：保護間隔、符号周期和子載波數量。這些參數取決于所需信道的頻帶寬度、時延擴充和要求的資訊傳輸速率。一般按照以下方法确定OFDM系統的各個參數:

（1）保護間隔的确定：保護間隔大于資訊的最大時延擴充。

（2）選擇符号周期：一般選擇符号周期長度（不包含保護間隔長度）為保護間隔長度的4倍。

（3）子載波的數量：子載波的數量可以利用-3dB帶寬除以子載波間隔（即為去掉保護間隔後的符号周期的倒數）得到。還可以利用要求的比特速率除以每個子信道中的比特速率來确定子載波的數量。每個子信道中傳輸的比特速率由調制類型、編碼速率以及符号速率來确定。

本文選用的OFDM參數見表1.

通信仿真實驗

為了驗證水聲OFDM 通信系統的性能，本文使用Matlab 7.1 軟體進行算法仿真。仿真時參數如表1 所示。文中OFDM系統傳輸的信号是通過Matlab生成随機的二進制資料0和1,首先經過信号的編碼和交織，然後對各子載波進行基帶調制即映射，如圖3所示的星座圖，資料被分 配在星座空間的固定位置處，與理論值一緻。

映射後對單個的信号進行IFFT 變換，加入循環字首，這樣就生成了OFDM 符号。信号經過多徑信道，在去掉循環字首，并對各個符号進行FFT,接收到的資料符号的星座圖見圖4,圖4(a)和圖4(b)分别是子載波為BPSK和8QAM基帶調制時的接收星座圖。由圖可知經過水 聲信道後的信号在星座圖中的位置已經完全改變了，則需要進行信道估計才能正确解調出原始資料。

FFT變換後，星座圖已經完全發生變化，資料不能在星座圖中的準确位置處，是以要對資料進行信道估計，圖5是信号經過信道估計後的星座圖，圖5(a)和圖5(b)分别為為BPSK和8QAM下的信道估計後的星座圖。

圖6是OFDM系統在8QAM基帶調制下的誤碼率曲線與單載波在8QAM調制下的誤碼率曲線比較圖，由圖可知在單載波調制下誤碼率很高，信号通過水聲信道的多徑幹擾等影響後接收到的信号的錯誤率偏高，而在OFDM通信系統下誤碼率明顯降低，這就可說明OFDM系統具有明顯的抗多徑幹擾性能，在增加信噪比後誤碼率會明顯下降，而單載波系統在增加信噪比時，誤碼率也不會降低，可見OFDM系統比單載波系統有明顯的抗多徑幹擾的優勢。

子載波解調後，進行解解交織解碼，恢複原始資料，通信誤碼率如圖7所示。圖7(a)為BPSK調制方式下的誤碼率，圖7(b)為8QAM調制方式下的誤碼率曲線，可以知道PSK方式下的誤碼率要比8QAM調制方式下的誤碼率要低。則驗證了當需要可靠傳輸性能時選用BPSK調制方式，而當需要高速率時選用頻譜使用率較高的8QAM調制方式。

結論

OFDM是一種适合于多徑衰落和受限帶寬信道中的高速通信技術，其在無線電領域已經得到了非常廣泛的用途，而在水聲通信方面應用還很少。本文把OFDM通信技術應用于水聲通信中，設計了基于OFDM的水聲通信系統，并通過分析和仿真，驗證了基于OFDM的水聲通信具有較強的抗多徑幹擾的能力。