一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究

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:OF DM (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O F DM

技术应用于高速水声通信中,设计了一套基于OF DM 的高速水声通信系统,阐述了O FDM 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:OF DM ;同步;导频;信道估计

中图分类号:P 733.2 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(O FD M ,O rt ho go nal fr equency -division mult iplex ing )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O FDM 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

O FDM 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O FDM 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W einst ein 和Eber t 在1971年提出了OF DM 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(ID FT )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(I FF T 、FF T )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,OF DM 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OCEAN T ECHNOLOGY

Vol.26,No.3

Sept,2007

3　高速水声通信系统设计方案

3.1　O FD M 高速水声通信系统总体方案框图(图2)3.2　O FD M 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、QP SK 调制并加入导频信息,而后

经I FF T 调制到各发射子载波上成为O FD M 的数据帧。加入

长、短训练序列主要用于系统同步。

O F DM 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(Sho rt preamble),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　O F DM 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。O FD M 传输信号帧中短训练序列后面跟随的长训练序列(L ong pr eamble ),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O FD M 中,通过在时域内把O FD M 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(I CI )。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OF DM 符

号的前T g 秒是最后T g 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T g 秒中有M 个采样值)如下式所示:

=1M

A rg (

∑M

i =1

d (i )

d ′(i )*)

式中:A r g 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d q

进行频率补偿

d ′q =d q *e

-2 q -f /!f N

=d q *e q

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。

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　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