一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究蔡　慧1,2,蔡惠智1,刘云涛1,邓红超1(1.中国科学院声学研究所,北京　100080;2.中国科学院研究生院,北京　100039)摘　要:OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。论文把OFDM

技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。海上试验证明了系统的有效性。关键词:OFDM;同步;导频;信道估计中图分类号:P733.2 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2007)03-0044-04

1　引言水声是迄今为止,唯一可以进行水下远程信息传输的载体。因而水声通信排他地占据着水下信息传输领域的主导地位。研究高数据率信息传输技术,主要解决向母舰或其他水下作战平台传输获取的战场信息问题,如图像、战场态势、情报信息等。因此,强调高的传输数据率,在此前题下尽可能将信息传输距离增大。在存在随机时变的多途传播的水下声信道中,如何达到可靠通信一直是对通信和信号处理技术的挑战。由于水下声信道的复杂性,在水下进行高速可靠的声通信一直是近年来研究的热点[1]。在制约水下高速声通信的诸多因素中,受限的信道带宽和多径是两个主要的因素[2]。正交频分复用技术(OFDM,Orthogonalfrequency-divisionmultiplexing)是适合多径衰落信道环境的一种高速传输技术。由于其具有对抗窄带干扰和多径衰落、传输速率高、频谱利用率高等优点,近年来引起了人们的极大关注,在高速无线通信中得到越来越多的应用。该文研究的是把OFDM技术应用到水下高速通信中,设计一套适于水下声信道环境的通信试验系统,从而探索出一种高速、可靠、易实现的,具有广泛应用前景的水声通信方法。2　OFDM基本原理OFDM是一种高速传输技术,该技术的主要思想是:将收稿日期:2007-03-21作者简介:蔡慧(1980-),中国科学院声学研究所研究生,研究方向:阵列信号处理。信道分成若干正交子信道,将高速数据信号转换成并行的低速子数据流,调制到每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开,这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落,再加循环前缀,从而克服多途的影响[3]。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度,提高了抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的,需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器,这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时,为了减小各个子载波间的相互串扰,各子载波间必须保持足够的频率间隔,这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术,各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成,特别是Weinstein和Ebert在1971年提出了OFDM各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅里叶逆变换(IDFT)和离散傅里叶变换(DFT)的方法来完成,在子载波数很大的系统中,可以采用快速算法(IFFT、FFT)来实现[4],极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率,OFDM中各子载波上的频谱相互重叠(如图1所示),但这些频谱在整个符号周期内满足正交性,从而保证接收端能够不失真地复原信号。

图1　正交频分复用信号的频谱示意图

第26卷　第3期2007年9月 海　洋　技　术OCEANTECHNOLOGY Vol.26,No.3Sept,20073　高速水声通信系统设计方案3.1　OFDM高速水声通信系统总体方案框图(图2)3.2　OFDM传输信号的帧结构在发射端将待传输的数字信号经信道编码和交织保护后,先进行串/并变换、QPSK调制并加入导频信息,而后经IFFT调制到各发射子载波上成为OFDM的数据帧。加入长、短训练序列主要用于系统同步。OFDM传输信号帧结构如图3所示。传输信号起始位置是一组短训练序列(Shortpreamble),用于实现粗定时同步的功能。该组短训练序列为一组自相关性良好的伪随机序列在时间上的周期性重复(设定周期为N),在某一相关

图2　系统总体方案框图图3　OFDM传输信号帧结构窗长范围内,将接收信号与位移重复周期(N)的接收信号求相关,以实现系统的粗定时同步。OFDM传输信号帧中短训练序列后面跟随的长训练序列(Longpreamble),本系统选用的是线性调频,用于实现细定时同步的功能。

图4　数据帧的循环前缀3.3　实时的频率补偿在OFDM中,通过在时域内把OFDM符号的后部若干数据复制后添加在数据码元前面构成(阴影部分图4),用以克服多途的影响,从而有效地对抗由多径时延带来的符号间干扰(ISI)和信道间干扰(ICI)。循环前缀的长度决定了克服多径的能力[5]。由于循环前缀的存在,每个OFDM符号的前Tg秒是最后Tg秒的复制,本系统把这一特性应用于时间和频率的同步中。由于频率的偏移会引起接收到的信号相位的偏移,而相位的偏移我们可以利用循环前缀进行估计。(假设最后Tg秒中有M个采样值)如下式所示:󰀁=1MArg(∑Mi=1d(i)󰀁d′(i)*)式中:Arg表示取相角,*表示取共扼。利用循环前缀对相位偏移进行估计,间接的获得对频率偏移的估计。每个子载波的频率偏移量实际上是不一样的,所以这种方法实际上是估计出数据帧中每个子载波的平均频率偏移量。这里假设所有子载波平均频率偏移量为󰀂-f,则间隔一个码元周期子载波的平均相位偏移󰀁和平均频率偏移的关系为:󰀂-f=󰀁2 N!t因此,可以利用求出的平均频率偏移量󰀂-f对码元周期内所有的采样值进行频率补偿。例如,对码元中第q个采样值dq进行频率补偿d′q=dq*e-2 q󰀂-f/!fN=dq*eq󰀁N 由于利用循环前缀对频率偏移的估计和补偿是针对每一帧数据分别进行的,所以它是一种针对时变的信道的实时的频率补偿的方法。但此时,每一帧的数据不能过长,否则每帧数据的传播时间就会较长,对时变性比较强的信道,这种估计就会不准确。

45　第3期 蔡　慧等:一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究 3.4　梳状导频进行信道估计系统中利用数据帧中插入的梳妆导频信号进行信道估计。导频设计既要满足系统的相关时间约束又要满足相关带宽的约束。相关时间与信道的最大多普勒扩展fd互为倒数关系,而相关带宽则与信道的最大多径时延∀max互为倒数关系。相邻的导频要放置得足够近,从而能够准确反映信道传递函数的变化,保证信道估计的可靠性;又要放置得尽可能的远,以节省不必要的系统带宽和时间开销,提高传输速率,保证通信的有效性。实际系统中的导频方案就是根据信道具体信道情况对有效性和可靠性的折衷。梳状导频在时域是连续分布的,首先从接收到的信号Y(k)中提取出导频信息Yp(k),由于发送的导频符号Xp(k)是已知的,可以据此估计得到导频子信道上的信道响应H󰀂p(k),然后再做信道内插得到所有子信道的信道响应H󰀂(k)[6]。梳状导频适用于信道变化较快而多径时延相对较小的系统。在导频间隔相同的情况下,其对信道估计的性能由信道的最大多径时延即相干带宽决定。图5　利用梳妆导频进行信道估计 本实验系统的梳状导频方案中,导频符号与数据符号占用的子信道的比例分别为1∶1,1∶3和1∶4。4　试验结果高速水下声通信系统的最终应用环境是海洋,本OFDM高速水声通信系统与2005年12月在南中国海进行了海洋水下试验,试验海区为典型的浅海大陆架结构,水深大于100m,利用水面舰声纳作为发射设备,潜艇声纳作为接收设备,3级海况条件下收、发端在2～3nmele距离上利用表面声道进行通信。水面舰抛锚悬停,潜艇以3～5kn的航速向不同方向巡航,并不断改变航行方向,使其航行方向与信号传输方向的夹角󰀁在0°～180°之间变化,发射声源级190dB。系统采用QPSK调制方式,传送信号为黑白图像。中心频率7.5kHz,带宽5kHz。传送数据速率为R=10Kbit,图6和图7是黑白图像接收后的处理效果,误码率为0。

图6　信号解析后的星座图图7　接收后解析的图像5　结论OFDM(正交频分复用)是一种适合于在多径衰落和受限带宽信道中进行高速传输的技术。本文把OFDM技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OFDM的高速水声通信系统,阐述了OFDM水声通信系统中同步和信道估计的方法。通过海上试验证明了系统的有效性。

46 海　洋　技　术 第26卷参考文献:[1]　KILFOYLEDB,BAGGEROERAB.Thestateoftheartinunderwateracoustictelemetry[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2000,25,4-27.[2]　ZIELINSKIA,YOONYHWUL.Performanceanalysisofdigitalacousticcommunicationinashallowwaterchannel[J].IEEEJournal

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ResearchonHighSpeedUnderwaterAcousticCommunicationBasedonOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing

CAIHui1,2,CAIHui-zhi1,LIUYun-tao1,DENGHongchao1(1.InstituteofAcoustic,ChineseAcademyofScience,Beijing100080;China;2.GraduateSchoolofChineseAcademyofScience,Beijing100039,China)