基于OFDM的水聲通信算法①

韓文斌, 劉建明(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院, 桂林 541004)

基于OFDM的水聲通信算法①

韓文斌, 劉建明
(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院, 桂林 541004)

在水聲通信領(lǐng)域, 基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)的通信技術(shù)是最直接和最有效的手段之一. 但是水聲通信信道是多變的和復(fù)雜的, 在傳輸?shù)倪^程中可能會(huì)受到多途擴(kuò)展嚴(yán)重、可用帶寬有限和高噪聲等不理想因素的影響, 導(dǎo)致無法恢復(fù)出原始數(shù)據(jù), 所以保證數(shù)據(jù)的可靠性傳輸是極其重要的. 本文在原有的OFDM通信基礎(chǔ)上加入了交織技術(shù)、chirp擴(kuò)頻技術(shù)、加窗以及chirp同步技術(shù), 并通過對(duì)MATLAB的仿真和實(shí)驗(yàn)分析, 驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性, 最后通過對(duì)比加入噪聲、多徑和多普勒效應(yīng)的誤碼率曲線圖, 說明了該系統(tǒng)的性能和抗干擾能力.

OFDM; 水聲通信; 交織; chirp擴(kuò)頻; 加窗

1 引言

海洋環(huán)境中多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)以及海洋環(huán)境噪聲的存在注定了水聲信道是一個(gè)復(fù)雜的和時(shí)變的信道. 因此, 如何保證數(shù)據(jù)的可靠性傳輸成為了水聲通信中最難以突破的瓶頸. 傳統(tǒng)的單載波通信技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)的可靠性問題, 但是單載波通信技術(shù)卻造成了有限帶寬的嚴(yán)重浪費(fèi), 限制了發(fā)送速率, 只適合于低速率的數(shù)據(jù)傳輸, 難以滿足人們的需求. 21世紀(jì)以來, OFDM通信系統(tǒng)開始越來越收到了科研人員的注意, 這正是由于正交頻分復(fù)用技術(shù)把高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為并行低速的數(shù)據(jù)流, 解決了高速數(shù)據(jù)流的傳輸問題, 還可以根據(jù)需求對(duì)通信系統(tǒng)的帶寬進(jìn)行靈活的調(diào)整, 設(shè)定頻帶的分配問題. 但是, 因?yàn)镺FDM的發(fā)送信號(hào)是由許多相互正交子載波上的發(fā)送信號(hào)的疊加而成的, 所以O(shè)FDM系統(tǒng)容易受到多普勒頻偏的干擾[1].

本文針對(duì)這一問題提出了基于頻域Chirp擴(kuò)頻的OFDM水聲通信系統(tǒng). 該通信系統(tǒng)加入了交織技術(shù),以及結(jié)合OFDM和Chirp擴(kuò)頻技術(shù)來克服它們的不足,在復(fù)雜水聲通信信道中, 具有防止突發(fā)性錯(cuò)誤、強(qiáng)抗多徑干擾、抗多普勒效應(yīng)和抗噪聲的特性, 從而一并解決可靠性和高數(shù)據(jù)流的傳輸問題.

2 理論依據(jù)

正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換, 使得每個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)符號(hào)持續(xù)時(shí)間相對(duì)增加, 可以減輕水聲信道的時(shí)間彌漫, 信號(hào)的帶寬小于信道的相干帶寬, 從而消除符號(hào)間干擾(ISI). OFDM系統(tǒng)在滿足子載波正交的情況下, 允許子載波的頻譜部分重疊, 并且可以從重疊的子載波中獲得數(shù)據(jù)信息, 頻譜的利用率可以得到顯著提高. 從發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候, 經(jīng)過子載波上的調(diào)制, 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一組復(fù)數(shù)序列, 將映射后的數(shù)據(jù)經(jīng)過IFFT變換得到一組新的數(shù)據(jù). 因此, OFDM是一種高效的傳輸方式[2],它的優(yōu)點(diǎn)有很多, 將其關(guān)鍵技術(shù)引入水聲通信系統(tǒng)中是很有必要的, 但是需要特別注意的是, 水聲環(huán)境的復(fù)雜性和多變性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響.

其中k=0,1…, N-1, Ts是符號(hào)的周期, fΔ是子載波的帶寬, N是子載波的個(gè)數(shù). 為了保證各個(gè)子載波之間的正交性, 符號(hào)周期必須滿足足夠的長(zhǎng)度. 在數(shù)據(jù)的接收端可以通過下面公式獲得:

然后經(jīng)過數(shù)據(jù)逆映射, 就可以得到原始的發(fā)射數(shù)據(jù)了. 可以看出子載波的調(diào)制其實(shí)就傅里葉的正逆變換,對(duì)于變換采用的是IFFT/FFT算法是實(shí)現(xiàn)的, 這是因?yàn)榭焖俑道锶~變換可以減少計(jì)算量, 提高運(yùn)算效率[3].

3 改進(jìn)后的OFDM通信系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的整體框圖

基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)框圖如圖1所示. 在整個(gè)水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射端, 首先將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過信道編碼器進(jìn)行卷積編碼和交織[4], 其目的是為防止突發(fā)性錯(cuò)誤和隨機(jī)性錯(cuò)誤, 然后通過串并轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到每個(gè)子載波上進(jìn)行載波調(diào)制, 調(diào)制以后的信號(hào)就是OFDM的調(diào)制信號(hào)了, 為了克服多徑效應(yīng)帶來的碼間干擾(ISI), 可以在OFDM信號(hào)的后面加入保護(hù)間隔, 保護(hù)間隔可以從信號(hào)本身的截取(保護(hù)間隔的長(zhǎng)度理論上應(yīng)該大于最大時(shí)延的長(zhǎng)度), 即循環(huán)前綴(CP), 加循環(huán)前綴的目的是為了克服接收端接受到的信號(hào)之間的干擾[5]. 將加入CP以后的OFDM信號(hào)進(jìn)行加窗處理以后, 可以使的頻譜能量更加集中, 為了區(qū)分噪聲和有用信號(hào), 可以在信號(hào)的前端加入同步信號(hào).最后, 將處理以后的信號(hào)經(jīng)過上變頻后與換能器相匹配, 接收端是發(fā)送端的逆過程.

圖1 基于OFDM水聲通信系統(tǒng)的總體框架

3.2 交織技術(shù)

交織是指通信系統(tǒng)在通信的過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一種技術(shù)[5]. 交織的主要目的是防止信號(hào)在信道傳輸時(shí)發(fā)生連續(xù)性錯(cuò)誤, 通過解交織把突發(fā)性的錯(cuò)誤隨機(jī)化, 再通過解碼達(dá)到糾錯(cuò)的效果. 交織有規(guī)則交織、不規(guī)則交織和隨機(jī)交織三種方式. 本文采用的是5×6規(guī)則交織, 這種交織的基本原理是把送入交織器的數(shù)據(jù)按行存入到5×6的矩陣中, 解交織時(shí)按列從5×6矩陣中取出再送出交織器, 即交織時(shí)對(duì)5×6矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)置處理, 解交織時(shí)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)置處理. 圖2為交織的順序圖.

圖2 交織順序

根據(jù)圖2所示, 按行存入到5×6交織器中的比特?cái)?shù)據(jù)順序?yàn)?、2、3、4、5、6……29、30, 按列從5×6交織器中取出的比特?cái)?shù)據(jù)順序?yàn)?、7、13、19、25、2……24、30.

圖3 解交織順序

圖3 為解交織的順序圖. 根據(jù)圖3所示, 解交織與交織器的順序相反, 按列存入到5×6解交織器中的比特?cái)?shù)據(jù)順序?yàn)?、7、13、19、25、2……24、30, 而按行從5×6解交織器中取出的比特?cái)?shù)據(jù)順序?yàn)?、2、3、4、5、6……29、30.

3.3 Chirp擴(kuò)頻技術(shù)

所謂的擴(kuò)頻技術(shù)就是用高速的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜, 而接收端用同一種序列進(jìn)行解擴(kuò),把原始信號(hào)恢復(fù)出來. 本文引入了chirp信號(hào)擴(kuò)頻技術(shù), chirp信號(hào)不但具有抗干擾[6]、抗頻率選擇性衰落及低功耗的特性, 而且還具有很好的抗多普勒頻偏的能力[7].由于在水聲通信系統(tǒng)中, 信道的多普勒頻偏是不可忽略的, 因此, 在通信系統(tǒng)中引入擴(kuò)頻技術(shù)是必不可少的. 目前的通信系統(tǒng)中引用較多的是直接擴(kuò)頻技術(shù),雖然直接擴(kuò)頻技術(shù)可以滿足需求, 但是卻存在這一定的缺陷, 如頻道數(shù)減少、帶寬增大和信息量增大的不足. 而本文引入的chirp擴(kuò)頻技術(shù)不但可以克服以上缺點(diǎn), 而且可以極大地提高通信系統(tǒng)的可靠性, 所以,在通信系統(tǒng)中引入chirp擴(kuò)頻技術(shù)是很有必要的[8].

數(shù)據(jù)經(jīng)過交織以后, 將處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行chirp映射.首先, 初始化頻域的上調(diào)頻信號(hào)和頻域 下調(diào)頻信號(hào),本文選用的chirp信號(hào)的長(zhǎng)度是16, 可以達(dá)到16倍擴(kuò)頻的效果. 當(dāng)接收到的比特?cái)?shù)為1時(shí), 那么輸出保存的是輸出的16個(gè)上調(diào)頻數(shù)據(jù), 如果接收到的數(shù)據(jù)是0,那么輸出保存的是輸出的16個(gè)下調(diào)頻數(shù)據(jù), 將所有的比特?cái)?shù)據(jù)按照上面的方式輸出.

圖4 chirp頻域映射

3.4 加窗技術(shù)

通常情況下, 在OFDM系統(tǒng)中, 在加入CP以后,并沒有再對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行處理. 對(duì)于矩形OFDM符號(hào)來說, 其功率密度的帶外功率密度衰減很慢, 帶外的輻射功率會(huì)很大. 本文提出了一種可以使功率譜密度衰減很快的方法, 即加窗技術(shù). 對(duì)于OFDM信號(hào)來說, 加窗就會(huì)使得周期邊緣的幅度慢慢過渡成0. 在本文中加窗函數(shù)選用的是余弦窗函數(shù):

其中(t)w表示余弦窗函數(shù),ST表示加入循環(huán)前綴以后的數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)度, (1)STα+表示加窗以后的符號(hào)周期長(zhǎng)度. 如果只是加循環(huán)前綴, 沒有加窗的話, 那么帶外功率得不到抑制. 經(jīng)過處理以后的信號(hào)乘以窗函數(shù), 相當(dāng)于頻域就是離散信號(hào)的頻譜和窗函數(shù)頻譜的卷積. 加窗以后的的數(shù)據(jù):

其中是S代表的是加窗以后的數(shù)據(jù), win代表的是窗函數(shù), L表示加了CP以后的數(shù)據(jù). 從圖中我們可以明顯看出加窗以后, 帶外功率得到抑制.

圖 5 加CP未加窗的頻譜

圖 6 加CP加窗的頻譜

圖7 加入同步信號(hào)頻譜

圖8 相關(guān)峰值檢測(cè)

3.5 chirp同步信號(hào)

在OFDM系統(tǒng)中, 由于該系統(tǒng)發(fā)送的是有多個(gè)嚴(yán)格相互正交的子載波疊加而成的信號(hào), 所以具有較高的峰均比, 對(duì)同步的要求也比較高[9]. 其中傳統(tǒng)的串性捕獲、并行捕獲雖然各自都有優(yōu)點(diǎn), 但是相關(guān)程度的明顯和總的運(yùn)算復(fù)雜度并沒有發(fā)生變化. 本文提出了基于chirp的同步信號(hào), 在非線性信號(hào)中, chirp信號(hào)的相關(guān)性最好, 所以在接收端做相關(guān)時(shí), 會(huì)有很明顯的峰值, 從而檢測(cè)出峰值定位數(shù)據(jù)的起始位置. 加入同步信號(hào)是因?yàn)楫?dāng)接收端開始接受數(shù)據(jù)時(shí), 由于水聲信道存在噪聲的影響, 所以接收端開始接收到的數(shù)據(jù)是包含噪聲數(shù)據(jù)的, 加入同步信號(hào)的目的就是為了把噪聲信號(hào)和有用數(shù)據(jù)區(qū)分開來[1], 程序中所用的chirp信號(hào)是由MATLAB生成的, 在非線性信號(hào)中, chirp信號(hào)的相關(guān)性最好, 所以選用chirp信號(hào)做同步信號(hào), 加入同步信號(hào)后的頻譜圖如下所示, 右圖為峰值檢測(cè)圖,接收端從峰值以后開始接收并處理數(shù)據(jù).

本文選用的OFDM參數(shù)如表1所示.

表1 OFDM水聲通信系統(tǒng)參數(shù)

4 通信系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該OFDM系統(tǒng)的性能, 在程序加入了高斯噪聲, 多徑以及多普勒的干擾[10], 并通過MATLAB仿真與OFDM系統(tǒng)相比較. 圖9為高斯噪聲和多徑效應(yīng)下的誤碼率曲線圖. 其中黑色曲線為在高斯環(huán)境下不加入多徑干擾的誤碼率曲線圖, 其余3條曲線分別表示在不同信噪比時(shí)2、3和4徑對(duì)應(yīng)的誤碼率, 其延時(shí)分別為0.2ms、0.6ms和1ms. 綠線為2徑是對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線圖, 紅線為3徑時(shí)對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線圖,藍(lán)線為4徑時(shí)對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線圖. 從此圖中可以看出, 系統(tǒng)受干擾的程度較小, 這是由于OFDM系統(tǒng)自身具有抗多徑干擾的特性. 但是, 該系統(tǒng)在信噪比等于-17dB時(shí), 誤碼率接近10-6. 而傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng),在信噪比為-8dB時(shí), 誤碼率才接近為0. 所以該系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的抗多徑干擾的能力.

圖 9 高斯噪聲和多徑干擾下的誤碼率曲線圖

圖10 為高斯和多普勒環(huán)境下該通信系統(tǒng)的誤碼率曲線圖. 其中黑色曲線為高斯環(huán)境下不加入多普勒頻偏的誤碼率曲線圖, 綠線為頻偏0.5個(gè)子載波時(shí)的誤碼率曲線圖, 紅線為頻偏0.75個(gè)子載波帶寬的誤碼率曲線圖, 藍(lán)線為頻偏1個(gè)子載波的誤碼率曲線圖.傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng), 在通信過程中發(fā)生頻偏后, 接收端幾乎是不可能解調(diào)出來原始數(shù)據(jù)的, 因?yàn)镺FDM系統(tǒng)對(duì)頻偏很敏感. 從圖中可以看出當(dāng)信噪比大于-12dB時(shí), 不同頻偏下的誤碼率都為0. 所以通過該誤碼率曲線圖可以表明該通信系統(tǒng)具有比較好的抗多普勒頻移的特性.

圖 10 高斯噪聲和多普勒頻偏下的誤碼率曲線圖

圖11 水槽實(shí)驗(yàn), 測(cè)試的環(huán)境選擇的是長(zhǎng)150cm、寬70cm、高70cm的透明玻璃水槽中. 將裝有調(diào)試軟件的PC與采集卡用專用USB連線相連; 其次將采集卡的輸出與功率放大器的輸入相連; 最后將功率放大器的輸出與水聲換能器相連. 接收端的步驟為: 首先將水聲換能器與采集的輸入相連; 其次將采集卡與裝有調(diào)試軟件的PC用專用USB連線相連. 為了便于觀察隨機(jī)生成100比特的數(shù)據(jù)作為比較, 通過比較可以看出發(fā)送和接收的比特?cái)?shù)據(jù)完全相同, 從結(jié)果可以看出解調(diào)出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤. 因此, 從仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出, 在高斯噪聲、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)的影響下, 該系統(tǒng)仍然有較好的抗干擾特性.

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)的OFDM通信系統(tǒng)相比, 具有很好的抗干擾能力. 其關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在無線電中, 但是由于水聲信道比較復(fù)雜,因此, OFDM的通信技術(shù)很少應(yīng)用在水聲領(lǐng)域中. 本文設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)中, 在原有的OFDM系統(tǒng)中加入了交織技術(shù)、chirp擴(kuò)頻和加循環(huán)前綴以及加窗等關(guān)鍵技術(shù), 使得通信變得更加穩(wěn)定. 并通過MATLAB仿真和分析, 驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能以及抗干擾能力.

圖11 水槽實(shí)驗(yàn)

1 程恩,袁飛,蘇為,等.水聲通信研究進(jìn)展.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,50(2):271–275.

2 Stojanovic M. Underwater acoustic communication. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronice Engineering, John Wiley & Sons, Inc., 2015: 98–101.

3 卜文強(qiáng),程恩.基于TMS320C67X的水聲語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[碩士學(xué)位論文].廈門:廈門大學(xué),2014.

4 Giacoumidis E, Le ST, Phillips ID, et al. Duai_polarization multi-band OFDM signals for next generation core networks. Magnetic Resonance in Medicine, 2014, 52(4): 699–703.

5 Guwenkaya E, Arslan H. Orthogonal frequency division multiplexing(OFDM) transmitter and receiver windowing for adjacent channel (ACI) suppression and rejection. N+g+2mN, 2014.

6 林曉陽.線性調(diào)頻信號(hào)水聲調(diào)制技術(shù)的研究[碩士學(xué)位論文].廈門:廈門大學(xué),2015.

7 孫嘉.Chirp超帶寬通信的調(diào)制和時(shí)間同步技術(shù)研究[碩士學(xué)位論文].成都:電子科技大學(xué),2009.

8 Wang J, Chen LY, et al. Implementation of the OFDM chirp waveform on MIMO SAP system. IEEE Trans. on Geoscience & Remote Sensing, 2015, 53(9): 1–11.

9 魯亞麗.OFDM水聲系統(tǒng)同步技術(shù)的研究[碩士學(xué)位論文].武漢:華中科技大學(xué),2012.

10 魏莉,許芳,孫海信.水聲信道的研究與仿真.聲學(xué)技術(shù),2008, (1):25–29.

Underwater Acoustic Communication System Based on OFDM

HAN Wen-Bin, LIU Jian-Ming
(School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

In the field of underwater acoustic communication, communication technology based on OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is one of the most direct and effective means. But the underwater acoustic communication channel is changeable and complicated. In the process of transmission, it may be affected by the multipath propagation, the limited available bandwidth and the high noise, which cause the original data not been recovered. So it is very important to ensure the reliability of data transmission. On the basis of the original OFDM communication, this paper adds the weaving technology, chirp spread spectrum technology, the window and the chirp synchronization technology. And through the simulation and analysis of MATLAB, the feasibility of the system is verified. At last, the performance of the system and the ability of anti-jamming are illustrated by comparing the error rate curves of adding noise, multipath and Doppler effects.

OFDM; underwater acoustic communication; interweave; chirp spread spectrum; windowed

2016-07-21;收到修改稿時(shí)間:2016-09-02

10.15888/j.cnki.csa.005708