一种基于正交频分复用的高速水声通信技术的研究

　　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(OFDM, Orthogonal frequency-division multiplexing )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OFDM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

　　OFDM是一种高速传输技术,该技术的主要思想是:将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OFDM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Weinstein和Ebert在1971年提出了OFDM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(IDFT)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(IFFT、FFT)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,OFDM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。

　　3　高速水声通信系统设计方案