采用相干OFDM技術(shù)的水聲調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)

海麗萍，王宏云

（91388部隊460所，廣東 湛江 524022）

0 引 言

近年來，水聲通信領(lǐng)域取得了兩個主要的技術(shù)性進展：一是20世紀(jì)80年代初引入的數(shù)字通信技術(shù)即非相干頻移鍵控（FSK）；二是20世紀(jì)90年代初相干調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，包括正交幅度調(diào)制（QAM）[1-2]和相移鍵控（PSK）。目前，水下相干通信主要采用均衡技術(shù)和連續(xù)單一載波傳輸技術(shù)來改善水聲通信中遇到的困難。因為基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的多載波調(diào)制技術(shù)在高彌散性信道中對均衡器的復(fù)雜性要求低，所以近年來人們把OFDM技術(shù)引入了水聲通信。

1 寬帶水聲調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 OFDM的基本原理

信道具有很強的頻率選擇性，有可能無法采用有效的信道均衡技術(shù)消除碼間干擾（ISI）。OFDM是一種基于快速傅立葉變換（FFT）的高效多載波技術(shù)。可見，寬帶的應(yīng)用給傳統(tǒng)的單載波傳輸技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過在發(fā)射端應(yīng)用快速傅立葉反變換和在接收端進行FFT（快速傅立葉變換），OFDM將存在ISI（碼間干擾）的信道轉(zhuǎn)化為平行的不受碼間干擾（ISI）的子信道。子信道的增益是信道FFT網(wǎng)格的頻率響應(yīng)值。具體地，在OFDM系統(tǒng)中以K為子載波數(shù)，x(p)為p路徑的子載波發(fā)射信號，y(p)為p路徑的子載波接收信號，則這個信道的等效輸入輸出關(guān)系為：

其中v(p)為加性高斯白噪聲，H(p)為在p路徑上的信道頻率響應(yīng)：

信道均衡意味著標(biāo)量取逆，即：

因此，均衡器的復(fù)雜性與信道長度無關(guān)。

1.2 收發(fā)機的設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)射機先將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制格式，然后對二進制數(shù)據(jù)進行簡單的（3，1）循環(huán)編碼和交織糾錯，并把這個編碼數(shù)據(jù)映射到QPSK（正交相移鍵控）符號。這個字符串被分割成很多塊，每一塊都采用OFDM技術(shù)進行調(diào)制。OFDM調(diào)制期間，每隔四個子載波插入一個引導(dǎo)符號，以便于接收端進行相干解調(diào)時的信道估計。具體地，先在基帶進行調(diào)制，然后上移到通帶進行發(fā)送。發(fā)射期間，同步序列插入到數(shù)據(jù)包的前面。

接收機先對輸入的數(shù)據(jù)串進行帶通濾波，然后通過對同步序列樣本與接收數(shù)據(jù)采取相關(guān)方法以查詢有效數(shù)據(jù)的起始位置。有效數(shù)據(jù)將通頻帶信號變頻下移到基帶，然后估計載波頻率偏移（CFO），以糾正發(fā)射端與接收端之間的載波偏差。進行CFO補償后，依靠引導(dǎo)符估算信道頻率響應(yīng)。對每個OFDM的子載波進行相干解調(diào)，并采用最大比值組合法對（3，1）循環(huán)碼進行編譯。最后，接收機從QPSK（正交相移鍵控）符號中提取二進制碼并生成需要的文本信息。

1.3 數(shù)據(jù)包組成

傳輸?shù)奈谋拘畔⒂胁煌拈L度，但是數(shù)據(jù)包有固定的長度。所以，不同的文本信息需要不同數(shù)目的數(shù)據(jù)包。為了產(chǎn)生一個自動信息發(fā)送器，設(shè)計了數(shù)據(jù)包格式。發(fā)射機產(chǎn)生的二進制序列由文本數(shù)據(jù)和末尾的2個元數(shù)據(jù)位（管理比特位）組成。這些元數(shù)據(jù)位分別為連續(xù)數(shù)據(jù)位和局部數(shù)據(jù)位。局部數(shù)據(jù)位提示接收器文本數(shù)據(jù)不能完全填充整個數(shù)據(jù)包，需要插入其他額外的可在接收端移除的填充數(shù)據(jù)；連續(xù)數(shù)據(jù)位將告知接收器下一個發(fā)射信號是否包含當(dāng)前發(fā)射信號的后續(xù)部分。因此，11位的額外數(shù)據(jù)必須加在局部數(shù)據(jù)的前面，以便于分辨出有效數(shù)據(jù)的長度。

2 實驗結(jié)果

2.1 比較空氣中和水中的信號傳播

離散時間基帶模型中，在空氣信道中截取長度為L1=60的一段信號，在水中信道中截取長度為L2＝350的一段信號。設(shè)信號帶寬為B＝11.25 kHz，占用頻段為10～21.25 kHz，則信號在空氣中傳播的時延為L1/B＝5.3 ms，信號在水中傳播的時延為L2/B＝31.1 ms?？梢姡行诺纻鞑r延比空氣中大得多。信號長度在信號設(shè)計中具有重要影響，所以信號設(shè)計時必須保證信號的設(shè)計能夠適應(yīng)信道傳播延遲的增加。

2.2 采樣率的不匹配

發(fā)射機和接收機之間的采樣率不匹配，可能會使波形產(chǎn)生輕微的縮小或放大。波形縮放比例從周期T到(1+a)T時產(chǎn)生頻率偏移af0，與發(fā)射端和接收端之間相對運動時產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)相似。所以，實驗中注意到，在頻帶內(nèi)存在1～5 Hz的多普勒頻移。

2.3 連續(xù)的接收機設(shè)計

理想的接收機可連續(xù)檢測輸入信號，這樣發(fā)射機也能夠隨時傳輸信號。所以，采用Matlab中的數(shù)據(jù)采集工具箱，可實現(xiàn)連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)檢測。具體地，為數(shù)據(jù)采集工具箱設(shè)定幅值觸發(fā)門限，以便于能在Matlab緩存區(qū)輸入一部分?jǐn)?shù)據(jù)。當(dāng)達到觸發(fā)門限時，接收機運行同步算法來確定輸入數(shù)據(jù)是否包含有效數(shù)據(jù)。如果有，接收機對數(shù)據(jù)進行解調(diào)；如果沒有，將輸入數(shù)據(jù)丟掉，并等待下次觸發(fā)?？梢?，有了數(shù)據(jù)采集工具箱，接收機就能在連續(xù)模式下進行數(shù)據(jù)接收。

2.4 雙向通信的實現(xiàn)

實驗中采用2套揚聲器和麥克風(fēng)，1套用于正向鏈接，1套用于反向鏈接。2臺接收機都運行在連續(xù)工作模式，一旦輸入信息就能夠隨時傳送，成功實現(xiàn)了2臺計算機之間的在線語音聊天。

3 結(jié) 論

實現(xiàn)了一套相干OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計，實現(xiàn)了2臺計算機在空氣中和水中的通信。實驗中，先進行單向通信，只涉及1套揚聲器和麥克風(fēng)，后升級為2套，最終完成了一套相干OFDM調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計，實現(xiàn)了2臺計算機在空氣中和水中的通信。實驗比較了空氣中和水中的試驗結(jié)果，將為更好地了解水中通信信道的特性和OFDM傳輸技術(shù)提供助益。

參考文獻：

[1] Akyildiz I F，Pompili D，Melodia T.Challenges for Efficient Communication in Underwater Acoustic Sensor Networks[J].ACM SIGBED Review，2004，1（1）：3-8.

[2] Kilfoyle D B，Baggeroer A B.The State of the Art in Underwater Acoustic Telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25（1）：4-27.