基于OFDM技术的水下通信研究_詹艳艳

文章编号:1007-1385(2008)05-0081-04

基于O F D M技术的水下通信研究

詹艳艳

(沈阳理工大学信息学院,辽宁沈阳　110168)

摘　要:正交频分复用技术(O F D M)具有良好的抗多途特性和带宽利用率高的特点。由于使用

并行传输使数据传输速率大大提高,并且通过加循环前缀提高了抗多径干扰的能力,经多径时延

信道传输后,接收端通过简单的信道编解码技术即可实现无符号间干扰接收。O F D M技术受到

高速率数据传输系统的青睐,在水下通信中具有很好的应用前景。

关键词:O F D M;R S码;卷积码;水下通信;F F T;Q D P S K

中图分类号:X321文献标识码:A

随着海洋开发和信息产业的发展,利用海洋信道传递信息的需求大为增加。各种数据信息,如遥测数据,水下机器人遥控指令,水下无缆电话,水下电视图象,环境系统中的污染检测数据等,都需要通过水声通信系统进行传送,水声通信系统的商用价值凸现。

与之相应的是水声通信的研究迅速增加。在近10年间,水声通信技术迅速发展,各种通信技术,如扩频技术、相位相干检测、自适应均衡等都在水声通信系统中得到了广泛的应用。然而与无线电通信相比,水声通信仍然处于起步阶段,传统的通信技术已难以满足实际需求[1],所以我们必须针对水下环境的特殊性来开发性能更优良的水下通信技术。

水声通信技术与无线电通信技术有很多相似之处,但在信道带宽、数据速率、系统的可靠性等性能指标以及系统结构和组成等诸多方面,水声通信与无线电通信都有很大不同,其关键在于水声信道可能是自然界最复杂的无线通信介质:在中距离的水平信道中,多途时延可能超过60m s,造成长时间的码间干扰,从而限制了系统的传输速率[2];按传播方向和水文条件的不同,信道会出现或快或慢、平坦性或选择性衰落过程;高频吸收损失和低频舰船噪声使得在浅海中等传播距离的信道中传输带宽不足40k H z[3];由于信道时变,在水声信道进行相位跟踪比较困难,很难采用有较高带宽利用率的相位相干检测技术等,这些因

收稿日期:2008-03-21

作者简介:詹艳艳(1981-),女,辽宁沈阳人,助教,主要研究方向:信号与信息系统。素都对实现高速、大容量和高可靠性的通信提出了挑战。能否针对水声信道的特性,采用合适的无线电通信技术来提高通信速率是现在进行高速水声通信研究的热点。

1　O F D M技术在水声通信中实现原理

该种方法主要根据水下信道信号在低频传输时的特点设计的。这里,我们假设待发送的二进制数据映射成为复数序列{d0,…,d N-1}。在该数列前插入M个零,构成一个新的M+N个元素的序列{0,…,0,d

…,d

N-1

},对其进行M+N点的I D F T变换,得到序列{S0,…,S M+N-1},其中

S m=1

M+N

∑M+N-1

n=M

d n

e j2πn m/(M+N),

m=0,1,…,M+N-1(1)令f n=

n

(M+N)·■t

,　t m=m·■t,■t是任一时间长度,式(1)可以改写成如下形式:

S m=1

M+N

∑M+N-1

n=M

d n

e j2π

f n t m,

m=0,1,…,M+N-1(2)可以看到,序列{d0,…,d N-1}中的元素分别被调制到不同的载频f M至f M+N-1上去。此时将序列{S0,…,S M+N-1}的实部发送出去。在接收端对接收到的信号直接以■t为时间间隔进行采样,进行(M+N)点D F T变换,由D F T共轭对称性质容易得到,当M>N时,得到的结果序列中,第M +1至M+N-1个元素即为恢复的序列,只是差了一个常数系数而已[4]。

这种结构避免了使用本地振荡器进行调制,

2008年10月第25卷第5期

沈阳航空工业学院学报

J o u r n a l o f S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A e r o n a u t i c a l E n g i n e e r i n g

O c t.2008

V o l.25　N o.5

使发射、接收结构更加简单,避免了由于发射和接收本地振荡器频率的差异而引入的频偏误差。其实现的接收和发射框图如图1和图2所示

。

这种方法的优点是结构简单,简化了软硬件的设计。缺点是由于采用调制信号前端补零的方式来实现载波的调制,使的接收端很难对接收信号多普勒频移特性进行信道估计和均衡。所以该种方法不易应用于多普勒频移严重的信道中。

2　硬件系统的设计

本系统是以T M S 320V C 5509作为O F D M 系统解码的核心,外围电路还包括电源系统、接收机模块、A /D 转换电路、检波电路、D S P 与P C 机通信模块等,图3给出了系统的框图。接收机模块和检波电路为模拟部分,一是完成对接收的弱信号进行调理,包括放大、滤波等;另一个主要的功能就是负责监视是否有触发信号。数字部分完成的工作为对接收数据解码,然后解码得到数据传到P C 机,做进一步处理。接收机模块有放大电路、滤波电路、跟随器三部分组成,主要完成的工作是对系统接收到的弱小信号放大到合适的电压范围,滤除带外噪声的干扰,提高接收机输出驱动能力等。

检波电路的作用是对系统进行信号检测,但没有检测到开始信号时,D S P 处于休眠状态,一旦检测到开始信号,D S P 被中断唤醒,设置G P I O 为输入模式,连续读取G P I O 的值,如果在一定的程序时间内,读取的值保持为低,我们就认为开始信号检测完成,下一步D S P 就可以开始信号同步工作。我们发送的开始信号为C W 脉冲信号,二极管检波电路很容易就可以检测出它的包络信号。由于T M S 320V C 5509芯片上未提供通用异步串行收发器(U A R T ),只提供3个同步串行接口,所以如果通过D S P 与P C 机实现异步串行通信,就需要相应的转换器件。本文介绍的S P I 端口转

异步串行接口器件为M A X I M 公司的M A X 3111

异步串行收发器。

图3　O F D M 接收系统硬件平台

3　水下接收机软件流程图

根据前面介绍的内容我们设计了一个水下接收机的软件流程,如图4所示,由图看出,接收端首先对数字信号进行时域同步,同步是在水下通信系统的关键一个环节,只有准确的同步,才能解调出正确的码元。确定完同步点后,对采集到的数据去循环前缀,然后F F T 变换,把变换直接送入信号Q D P S K 解调,去交织,最后对解调信号进行维特比译码和R S 码译码,获得最终的码元信号。

图4　水下通信接收机软件流程图

3.1　同步信号

我们选择L F M 为同步信号,其中心频率10k H z ,B 为4k H z ,T 为20m s ,并且用40k H z 的采样频率对L F M 信号采样,得到800个数字采样点,在发射端与发送数据段之前,先发送同步L F M 信号,接收端对通过A /D 采样得到的数据,以800点在D S P 中以存储方式缓存,然后与已知的发送端L F M 离散信号做相关求和,同步信号到达时,相关求和达到最大值,我们就认为同步完成,这以后直到数据包之前的零值信号都不会使相关峰值取得更大的值。如果相关结果没有达到最大值,就要在每采集一个点后,做与上面相同的相关运算。检测到同步信号后,按信号帧结构,对数据进一步处理。3.2　R S 码

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