OFDM水聲通信多普勒頻移采樣率轉換算法

郭鐵梁，趙旦峰，錢晉希

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OFDM水聲通信多普勒頻移采樣率轉換算法

郭鐵梁1,2，趙旦峰1，錢晉希1

(1. 哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱 150001；2. 黑龍江科技學院理學院，哈爾濱 150027)

對于OFDM水聲通信系統，傳統的基于數據輔助多普勒頻移因子估計算法會降低系統的信息傳輸速率，對接收信號進行采樣率轉換通常采用重采樣的方法，計算量較大。針對上述問題，提出基于過采樣技術的多普勒頻移因子估計算法及采樣率轉換算法，通過采用對系統發射信號與接收信號采樣點數進行比較的方法，得到多普勒頻移因子的估值。在此基礎上，利用上述過采樣數據和線性插值算法對接收信號進行采樣率的轉換。理論分析和仿真結果表明，改進算法在保證系統性能的同時，可以大幅減小接收機的計算量，適用于高速實時水聲通信系統。

水聲通信；正交頻分復用；多普勒頻移；過采樣；線性插值；采樣率轉換

1 概述

在水聲(Under Water Acoustic, UWA)通信系統中，多普勒頻移(Doppler Shift, DS)主要是由發射機與接收機之間的相對運動、水體自身的復雜運動及發射機與接收機之間的載波頻率偏差而引起的[1]。另外，水聲信道較窄的帶寬也導致了多普勒頻移對水聲通信系統的影響非常大。正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術在水聲無線通信領域已得到了廣泛的應用，該項技術能夠很好地解決由于多徑效應而引起的頻率選擇性衰落問題。然而由于嚴重的多普勒頻移導致的信號伸縮與載波頻率偏移，使得OFDM水聲通信系統的接收端產生了較大的子載波間的干擾(Inter Carrier Interference, ICI)[2-3]。因而，對于多普勒頻移的準確估計是減小ICI的關鍵問題之一。

然而，多普勒頻移估計首先需要在接收端進行多普勒頻移因子(Doppler Shift Factor, DSF)的估計，再利用DFS對接收信號進行采樣率轉換，進而消除多普勒頻移。所以，對于DSF的估計和采樣率轉換算法是進行多普勒頻移估計的關鍵，傳統的DSF估計算法通常采用插入輔助數據的方法，文獻[4]中主要利用線性調頻信號進行DSF估計，而文獻[5]中則是利用OFDM符號中的循環前綴作為輔助數據估計出DSF，文獻[6-7]利用接收端信號的功率隨信道的變化規律進行多普勒頻移的估計。文獻[8]將水聲信道的多普勒頻移補償分2步，分別是寬帶補償和窄帶補償。另外，對于采樣率轉換的算法，通常的方法是采用重采樣技術，即利用估計出的DSF通過重新采樣對接收信號所產生的多普勒頻移進行補償，進而恢復原始數據。綜上所述，數據輔助方法及其改進算法不但會影響系統的有效性，而且重采樣過程需要較大的計算量。另外，上述多普勒因子的估計算法在多徑傳播情況下還會使系統估計性能急劇下降[9]。

本文利用過采樣技術對多普勒頻移因子進行估計，無需輔助數據，在此基礎上結合線性插值的算法可直接實現接收端的采樣率轉換的過程，同時完成多普勒頻移的初步補償，同樣，此過程也無需進行重采樣，從而避免了大量的運算。與重采樣算法相比，采用過采樣技術和線性插值方法不會過多增加系統的運算復雜性。因此，基于上述算法，本文提出一種DSF估計及多普勒頻移采樣率轉換的改進算法，用以提高正交頻分復用水聲通信系統的信息數據傳輸效率。

2 多普勒頻移理論模型

水聲通信的載波跟蹤和符號同步受多普勒干擾嚴重[10]，對于寬帶水聲信號，多普勒效應將導致接收信號在頻域上產生多普勒頻移，在時域上產生壓縮或伸展，多普勒效應對信號的影響通常建模為：

上述模擬信號在接收端被采樣后可寫成離散時間信號的形式為：

3 多普勒頻移因子的估計算法

再根據式(6)可得：

式(12)即為在接收端采用過采樣的方法得到的DSF的估值，由與式(9)得到的結果相比較可知，由于采樣周期的減小，DSF估值的誤差會相應有所降低，但這種誤差的降低效果并不明顯。所以，這并不是采用過采樣方法估算DSF的優勢，而這種算法的真正意義在于減小了系統利用輔助數據估算DSF所造成的數據率的降低。另外，在接收端采用過采樣方法，主要目的還在于為下面要討論的基于過采樣技術的采樣率轉換的改進算法做準備。

4 基于過采樣技術的采樣率轉換改進算法

設式(13)中各離散數據所對應的采樣時刻為：

分析式(13)~式(16)可知，如果能利用式(13)中的過采樣數據得到式(15)中的數據，便完成了采樣率轉換的任務。要想從式(13)中獲理式(15)中的數據，可以采用對式(13)數據進行線性插值得到對應式(16)中各采樣時刻的數據，即得到式(15)中最終要獲得采樣率轉換后的數據，具體的線性插值過程如圖1所示。

圖1 基于線性插值的采樣率轉換

考慮式(14)及式(16)，整理式(19)得：

其中，rs為過采樣頻率；為信號的頻率。

5 仿真與結果分析

表1 OFDM水聲通信系統仿真參數

圖2 不同過采樣速率的32-QAM星座圖比較

圖3 誤碼率性能比較

6 結束語

本文提出一種解決多普勒頻移問題的改進算法，主要的設計思想是以過采樣技術作為解決問題的基礎，利用過采樣數據結合線性插值的算法，先后完成了多普勒頻移因子的估計和采樣率轉換的工作。通過算法分析和計算機仿真實驗，證明這種算法與傳統算法相比具有較小的運算復雜度，對于OFDM水聲通信系統在高速率狀態下的傳輸性能有較大提升。由于本文算法假設發射機與接收機在一個符號周期內作勻速相對運動，另外還假設不同傳輸路徑具有相同的多普勒頻移，因此算法和現實問題之間還是有一定差距。因而在加速運動的情況下，分別考慮信號在不同路徑下的多普勒頻移是下一步需要研究的問題。

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編輯 索書志

Algorithm of Doppler Shift Sample Rate Conversion in OFDM Underwater Acoustic Communication

GUO Tie-liang1,2, ZHAO Dan-feng1, QIAN Jin-xi1

(1. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Science, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China)

To the Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) Underwater Acoustic(UWA) communication systems, the traditional estimation algorithm based on data aided for Doppler Shift Factor(DSF) can reduce the system transmission rate. In addition, resampling algorithm is often used for the sample rate conversion in the receiving end, but there is a problem of large calculation in the process. Therefore, a novel algorithm about DSF estimation and sample rate conversion are proposed based on oversampling technique. The DSF can be estimated by comparing the sampling points with the transmitting and receiving signals. And the linear interpolation algorithm is adopted to finish the sample rate conversion. Theroy analysis and simulation results show that the algorithm not onlycan guarantee the system performance but also can reduce the receiver calculation amount. So it is applicable to the high-speed real-time UWA com- munication systems.

Underwater Acoustic(UWA) communication; Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM); Doppler Shift(DS); oversampling; linear interpolation; sample rate conversion

1000-3428(2014)03-0147-05

A

TP391

黑龍江省自然科學基金資助項目(F200810)。

郭鐵梁(1971－)，男，副教授、博士研究生，主研方向：水聲通信技術；趙旦峰，教授、博士生導師；錢晉希，博士研 究生。

2013-01-30

2013-04-07 E-mail：guotieliang@hrbeu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.030