簡(jiǎn)析OFDM在水聲通信中的應(yīng)用

陳瑤 石叢瑋 李越

摘? 要：20世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展使OFDM技術(shù)在通信及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用大幅度提升，OFDM技術(shù)在局域網(wǎng)、藍(lán)牙、電視衛(wèi)星通信等方面的應(yīng)用已十分普遍，本文從OFDM技術(shù)分析、水聲通信特點(diǎn)分析這兩方面來對(duì)比探討OFDM技術(shù)在水聲領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水聲信道特性;OFDM原理;OFDM特點(diǎn);OFDM應(yīng)用于水聲通信

Abstract：Since the 20th century，the rapid development of science and technology has greatly enhanced the application of OFDM technology in communication and related fields. The application of OFDM technology in LAN，Bluetooth，TV satellite communication and other fields has been very common. This paper compares and discusses the application of OFDM technology in underwater acoustic field from two aspects：the analysis of OFDM Technology and the analysis of underwater acoustic communication characteristics.

Keywords：underwater acoustic channel characteristics;principle of OFDM;characteristics of OFDM;application of OFDM in underwater acoustic communication

0? 引? 言

OFDM技術(shù)至今已有四十多年歷史，OFDM技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳輸系統(tǒng)中多載波傳輸和發(fā)送的困難，但由于OFDM技術(shù)本身的復(fù)雜性使其一直沒有得到快速發(fā)展與應(yīng)用。二十世紀(jì)八十年代，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，OFDM技術(shù)在通信領(lǐng)域大放異彩，OFDM技術(shù)相比于其他傳統(tǒng)的通信設(shè)備有不可替代的優(yōu)勢(shì)，正是因?yàn)檫@些優(yōu)勢(shì)，將OFDM技術(shù)應(yīng)用于水下通信領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果。本文從OFDM技術(shù)的原理、應(yīng)用以及特點(diǎn)等方面闡述OFDM技術(shù)在水聲通信方面的應(yīng)用。

1? OFDM技術(shù)的應(yīng)用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple-xing），即正交頻分復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)是將頻譜信號(hào)疊加，從而減少頻譜資源的使用，同時(shí)還能使相互疊加的信號(hào)互相之間分離開并且彼此沒有干擾，多路信號(hào)混合后的混合信號(hào)的分離則是通過復(fù)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，發(fā)送端發(fā)送信息并在接收端解復(fù)用接收信息。

OFDM技術(shù)已廣泛運(yùn)用于多種無(wú)線通信中，例如：第四代蜂窩通信、音頻和視頻、非對(duì)稱數(shù)字用戶線、Magic Wand、Wi-Fi等，由于OFDM可以將時(shí)域中的長(zhǎng)多徑信道轉(zhuǎn)換為頻域中的多個(gè)并行的單抽頭信號(hào)，這一特點(diǎn)極大程度上簡(jiǎn)化了接收機(jī)的設(shè)計(jì)，也使得OFDM技術(shù)能應(yīng)用于水聲通信領(lǐng)域，同時(shí)在海水中應(yīng)用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

2? 水聲信道特性

電磁波、光波和聲波等無(wú)線電波的載體，其自身的優(yōu)缺點(diǎn)決定了聲波在海水中作為水聲通信媒介的合理性。海水中的導(dǎo)電性使得電磁波傳輸速度快、工作頻率的特點(diǎn)無(wú)法充分發(fā)揮。

首先，光波雖然在傳輸速率上有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是光信號(hào)在水中會(huì)很快被水吸收，還會(huì)產(chǎn)生非常大的光散射。

其次，在較淺的水環(huán)境下光的照射會(huì)對(duì)光信號(hào)的使用產(chǎn)生較大影響。

最后，聲波在水環(huán)境中幾乎不會(huì)被吸收，能在海水中有效傳播并達(dá)到相當(dāng)大的距離，這給我們研究復(fù)雜環(huán)境下的水聲通信提供了較為可靠的研究方案。

由于水下聲信號(hào)的復(fù)雜性、聲波在水中傳輸速度的有限性、多徑效應(yīng)和散射效應(yīng)等等的影響，通常來說，水聲通信在海洋環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)有限的寬帶信道、明顯的多徑傳播效應(yīng)以及多普勒的擴(kuò)展現(xiàn)象等特征，現(xiàn)對(duì)這些特征分析如下。

2.1? 水聲信道中的可用帶寬有限

聲波在海洋復(fù)雜的環(huán)境中傳播會(huì)慢慢消耗損失掉，這些損失主要包括由能量守恒引起的聲波傳播的本地功率損失、由非理想海面和海底聲波相互作用的散射損失和聲波能力可能被轉(zhuǎn)換成其他形式并被媒介吸收的損失。不僅如此，海水中的含鹽量、溫度、深度等也都會(huì)影響聲信號(hào)在此環(huán)境中的傳播。其中，聲波傳播的損失主要來源于頻率，在頻率小于50kHz時(shí)，利用Thorps公式構(gòu)造吸收函數(shù)模型：

其中α為吸收系數(shù)，f為頻率。接收端接收的聲信號(hào)與在海水中的傳輸距離成正比，距離越遠(yuǎn)，通信帶寬越窄，水聲信號(hào)能量衰減越快，接收的能量越小。

相反的，聲波頻率越高，帶寬越大，可利用的傳輸距離就越近，因此聲波的頻率不能太大。同時(shí)，由于海洋蜂鳴聲會(huì)在較大程度上影響低頻段的聲信號(hào)，因此通信頻率的大小會(huì)影響水聲傳播的通信帶寬。

2.2? 水聲信道的多徑傳播效應(yīng)明顯

由折射定律我們知道，聲速信號(hào)會(huì)在低速傳播的方向上彎曲。海水表面的一些介質(zhì)會(huì)改變聲信號(hào)的傳播路徑，海水對(duì)聲信號(hào)反射導(dǎo)致了多徑效應(yīng)的產(chǎn)生。這些效應(yīng)使來自發(fā)射端的信號(hào)通過多個(gè)不同的路徑到達(dá)接收端，且接收端接收的聲信號(hào)是來自多個(gè)不同傳輸路徑的信號(hào)相互疊加的結(jié)果。多徑傳播和低速聲波也可能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的大時(shí)延擴(kuò)展。如從兩條路徑到達(dá)距離長(zhǎng)度相差15m的接收器會(huì)帶來10ms的時(shí)間差（假設(shè)海水中聲的傳播速度為1500m/s），在淺海中，這種典型的延遲擴(kuò)散可以達(dá)到幾十毫秒，而在深海中它將達(dá)到幾秒的水平。

2.3? 水聲信道多普勒擴(kuò)展明顯

在海洋環(huán)境中，由于介質(zhì)的不穩(wěn)定性，不同傳播路徑會(huì)有不同的時(shí)間變化，簡(jiǎn)稱時(shí)變。例如：無(wú)反射的直達(dá)路徑非常穩(wěn)定，但是海洋中反射路徑會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的不穩(wěn)定性從而帶來時(shí)間變化，不同的時(shí)間變化會(huì)帶來不同的多普勒擴(kuò)展效應(yīng)。大的多普勒擴(kuò)展會(huì)增加水聲信道的不穩(wěn)定性，引起不同頻率聲信號(hào)之間的嚴(yán)重影響（也稱為頻率擴(kuò)展）。

3? OFDM原理及思想

水聲通信中的調(diào)制技術(shù)一般包括調(diào)頻FSK、直接序列擴(kuò)展頻譜、單載波傳輸、掃頻載波調(diào)制和多載波調(diào)制，其中OFDM就是一種多載波調(diào)制技術(shù)。

多載波調(diào)制是將所需要的帶寬分割成多個(gè)子帶，并使每個(gè)子帶都帶有其自身的子載波。每個(gè)帶內(nèi)，符號(hào)速率與符號(hào)間隔成反比，符號(hào)速率增加而符號(hào)間隔減小，所以說符號(hào)間的干擾不甚嚴(yán)重。而作為多載波調(diào)制的一個(gè)相對(duì)普遍的例子來說，OFDM技術(shù)更好地發(fā)揮了多載波調(diào)制的優(yōu)勢(shì)，使其在無(wú)線通信方面應(yīng)用廣泛，同時(shí)由于原信道帶寬由每個(gè)信道帶寬組成，所以信道均衡相對(duì)來說沒有那么復(fù)雜。OFDM頻域和時(shí)域的子載波正交示意圖如圖1所示。

OFDM將給定信道分成多個(gè)較窄的子載波，各子載波之間相互正交，互不干擾，同時(shí)OFDM系統(tǒng)中子載波能夠消除載波間干擾。在傳輸過程中子載波主要有放置在頻帶邊緣以防止泄露且可與有效子載波結(jié)合起來進(jìn)行多普勒估計(jì)和噪聲方差估計(jì)的空子載波、用于進(jìn)行信道估計(jì)的導(dǎo)頻子載波和攜帶信息符號(hào)的數(shù)據(jù)子載波。

（a）時(shí)域子載波示意圖

（b）頻域子載波示意圖

4? OFDM在水聲通信中應(yīng)用比較

由于OFDM技術(shù)自身的技術(shù)特性，所以我們?cè)诶肙FDM技術(shù)進(jìn)行水聲系統(tǒng)的應(yīng)用過程中要注意以下幾個(gè)方面的問題：

（1）必須保證發(fā)送端和接收端的振蕩頻率保持同頻同相。

（2）必須保證接收端抽樣頻率和發(fā)送端一致。

（3）必須保證調(diào)制與解調(diào)時(shí)的起止時(shí)間一致。

（4）多個(gè)不同頻率、振幅和相位的信號(hào)互相疊加所產(chǎn)生的OFDM具有很大的PAPR（峰平均率比），因此OFDM技術(shù)在使用過程中一般要進(jìn)行抑制PAPR處理。

相對(duì)于這些挑戰(zhàn)，OFDM技術(shù)以更加吸引人的優(yōu)勢(shì)使其在水聲通信領(lǐng)域受到青睞：

（1）OFDM技術(shù)能夠減少接收端信道之間的相互影響，增強(qiáng)接收信號(hào)的能力，同時(shí)較大程度地利用頻譜資源。

（2）多個(gè)子信道可以使OFDM系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抵制頻率衰減的能力，減少突發(fā)錯(cuò)誤的產(chǎn)生，增強(qiáng)信號(hào)接收的準(zhǔn)確度。

（3）OFDM系統(tǒng)能進(jìn)一步演化成OFDMA（即多址接入技術(shù)）系統(tǒng)，用戶可以通過OFDMA技術(shù)進(jìn)行信息共享和傳輸。

（4）OFDM各個(gè)子信道中的調(diào)制解調(diào)可以利用快速傅里葉變換和快速傅里葉反變換處理，減小了該系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

因此，在海水這種惡劣環(huán)境中使用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信不失為一個(gè)好的選擇，雖然OFDM在應(yīng)用的過程中已經(jīng)解決了很多難題，但是仍有更多的挑戰(zhàn)等待著我們?nèi)ソ鉀Q，仍有更好的通信技術(shù)等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

5? 結(jié)? 論

最初的OFDM通信系統(tǒng)復(fù)雜且成本高昂，多用于一些特定地領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，OFDM技術(shù)也在不斷地改進(jìn)和發(fā)展，其在水聲通信中的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，如海洋生物學(xué)、海洋考古、環(huán)境監(jiān)測(cè)、漁業(yè)、海洋工業(yè)等。在不斷的應(yīng)用過程中，OFDM技術(shù)也日益成熟，現(xiàn)在我們應(yīng)用較多的就是將其與水聲通信結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)水聲通信在海洋工作中的應(yīng)用。不容置疑，隨著各種科學(xué)難題的攻克，水聲通信在未來的發(fā)展會(huì)更加迅猛，也會(huì)給我們提供更多的技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周勝利，王昭輝.OFDM水聲通信 [M].胡曉毅，任歡，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[2] 張海寧，吳介軍，段渭軍，等.基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（21）：31-34.

[3] 殷敬偉，王馳，王宇，等.OFDM技術(shù)在認(rèn)知水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].聲學(xué)技術(shù)，2012，31（6）：615-618.

[4] 賈寧，黃建純.水聲通信技術(shù)綜述 [J].物理，2014，43（10）：650-657.

[5] 彭璐.MC-CDMA系統(tǒng)同步問題研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

作者簡(jiǎn)介：陳瑤（1997-），女，漢族，陜西人，本科在讀，研究方向：控制系統(tǒng);石叢瑋（1998-），男，漢族，河北人，本科在讀，研究方向：通信;指導(dǎo)老師：李越（1987-），男，漢族，北京人，教師，實(shí)驗(yàn)員，本科，研究方向：檢測(cè)。