基于正交频分复用的高速水声通信技术

　　由于水下声信道的复杂性,在水下进行高速可靠的声通信以其特殊的挑战性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途是2个主要的因素[2].迄今为止,解决这些问题的主要途径有:采用较为稳健的调制方式如MFSK,其具有很好的抗多途效果,但是频带利用率很低,因而在带宽有限的前提下传输速率低.近十几年来频带利用率较高的相干通信技术得到广泛研究[3],采用自适应均衡技术来克服码间干扰和相位畸变,各种算法不断涌现,但是计算比较复杂,尤其对于高速通信,计算量很庞大.多载波通信的研究是近年来开始的,还有待进一步的探索,但已经取得了一些令人鼓舞的结果[4-5].

　　正交频分复用( orthogonal frequency divisionmultiplexing, OFDM)技术是一种多载波高速数据调制传输方式,其基本思想就是将要传输的高速数据流分配到多个正交的子载波上进行并行传输,当子载波带宽低于信道相干带宽时,呈现平坦衰落,再加循环前缀,从而克服多途的影响.近十年来该技术在数字广播和xDSL网络中已得到成功应用.该文研究的是把正交频分复用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.

　　1 OFDM基本原理

　　在发射端,假设要发送的一组二进制数据流已映射成为复数序列{d0,,,dN-1},其中dn=an+jbn.对这一复数序列进行IDFT变换,得到N个复数结果组成的新序列{S0,,,SN-1},其中

　　如果令式中Δt是任一时间长度,则式(1)可写作如下形式:

　　显然,这是一个多个载波调制信号和的形式.其各子载波间的频率差为

　　如果把这个序列{S0,,,SN-1}以Δt的时间间隔通过D/A转换器并滤波输出,就会转化为连续信号:

　　这是基带信号形式,实际中需要将该信号再调制到一个合适的较高的载频上.在接收端,对接收到的信号去掉高载频后,再进行时间间隔为Δt的采样,并进行DFT变换,就可以恢复复数序列{d0,,,dN-1}.

　　2 通信系统的实现

　　从第1节的分析可以得到,OFDM的实现是基于一对复序列的FFT/IFFT变换.常用的实现方法是将复序列的实部和虚部分别调制到互相正交的高载频上进行传输,这样在接收端就能够将实部和虚部分别解调出来,从而恢复出原复序列.其结构框图如图1、2所示.

　　这种实现方法由于使用两套调制、解调电路,发射机和接收机结构相对复杂.从式(4)中可以看到,信号的实部和虚部其中任何一个都已经包含有原始的数据信息,因此对原理中的方法进行了改进,只发射待发信号的实部,同时直接将待发序列调制到高载频,简化了发射机和接收机的结构.原理如下.