基于同步导频复用技术的OFDM水声通信

　　水声信道十分复杂,其多径干扰严重、时变快频分复用(OFDM)[1-2]由于抗多径干扰的能力强,传输速率高,在水声通信中受到越来越多的关注[3-4].同步技术是保证OFDM通信系统可靠传输的前提.基于数据辅助的算法由于计算量小而且精度较高,适用于实时性和可靠性要求较高的系统,是通信中常用的算法.在水声通信中,定时同步通常将线性调频信号作为训练序列[3],利用线性调频信号的相关来估计接收信号的长度,对比收发信号的长度可以得到多普勒系数,然后通过时域插值进行多普勒补偿.基于导频的信道估计具有复杂度低和时延小等特点,被广泛应用于OFDM系统.通常的块状导频结构[5-7]是将连续多个符号分组,每组中的第一个符号为导频信号,其余的符号为数据信息,导频符号将所有的频率覆盖,因而可以有效对抗频率选择性衰落.由于水声信道的快衰落,同时发射端和接收端的运动存在任意性,使信道的多途和多普勒效应也可能是快速时变的,为了保证实时帧同步检测和多普勒补偿,以准确解调信号,通常发射信号会频繁地加入同步训练序列和导频符号,但是这种结构降低了数据传输效率.本研究提出将线性调频信号转变为首尾相位连续的形式,既作为同步训练序列又作为导频符号,这样可以进行同步检测及信道估计,从而提高了通信效率.

　　1 理论分析

　　1.1 OFDM基本原理

　　OFDM是一种特殊的多载波传输方案,系统中各个子信道的载波相互正交,子载波频谱相互重叠,在提高频谱利用率的同时还减少了子载波间的相互干扰.它是通过串并变换将高速的数据分解成很多低速的子数据流,使多个子载波并行传输,虽然信道具有频率选择性,但是每个子载波可看作一个平坦衰落的子信道,这也提高了系统抗多径衰落等恶劣条件的性能.由于调制和解调方式用快速傅里叶反变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT),因此系统的实现比较简单.OFDM中的关键技术有同步、信道估计和降低峰均功率等.为了防止因多径传输导致的正交性的破坏,在每个OFDM符号前加入循环前缀,只要多径时延不超过保护间隔,就可以保证正交性不被破坏,进一步消除载波间干扰.由于水声信道的时变性,导致接收的信号的幅度、频率和相位失真,因此为了准确解调出信号,必须对接收的信号进行信道估计.

　　1.2 同步与导频复用

　　水声信道中,多径效应导致信号不会在一条固定的直达波通道中传播,而多普勒效应导致信号时间上的伸缩,因此选择合适的信号进行定时同步和多普勒估计是信息可靠传输的前提.文献[8]提出利用线性调频信号做定时同步和多普勒估计,利用此方法进行时间同步和多普勒估计简单而稳健,但是额外的辅助信号降低了通信效率,且信号多普勒变化越快,加入线性调频辅助信号越频繁,通信效率就越低.OFDM系统中通常采用相干解调,只有进行信道估计[9-10],才能准确解调信号.块状导频结构不仅可以有效对抗频率选择性衰落,而且复杂度低、时延小.结合块状导频的信道均衡与文献[11]中的定时同步和多普勒估计方法,OFDM帧结构通常是在帧的首尾加入同步训练序列,然后是导频和码元依次排列,但是为实时地定时同步和多普勒估计以及信道估计,系统中须要多次加入同步训练序列和导频符号.为此提出将导频与同步复用,设置导频的幅度和相位使之成为首尾连续的线性调频信号,或者用首尾连续的线性调频信号作导频,结构变为同步导频复用部分与码元依次排列,这样就可以减少因同步所占用的时间,提高系统的通信效率.下面讨论如何将同步和导频复用.