采用相干OFDM技術的水聲調制解調器的設計與實現

海麗萍，王宏云

（91388部隊460所，廣東 湛江 524022）

0 引 言

近年來，水聲通信領域取得了兩個主要的技術性進展：一是20世紀80年代初引入的數字通信技術即非相干頻移鍵控（FSK）；二是20世紀90年代初相干調制技術的應用，包括正交幅度調制（QAM）[1-2]和相移鍵控（PSK）。目前，水下相干通信主要采用均衡技術和連續單一載波傳輸技術來改善水聲通信中遇到的困難。因為基于正交頻分復用（OFDM）的多載波調制技術在高彌散性信道中對均衡器的復雜性要求低，所以近年來人們把OFDM技術引入了水聲通信。

1 寬帶水聲調制解調器的設計與實現

1.1 OFDM的基本原理

信道具有很強的頻率選擇性，有可能無法采用有效的信道均衡技術消除碼間干擾（ISI）。OFDM是一種基于快速傅立葉變換（FFT）的高效多載波技術。可見，寬帶的應用給傳統的單載波傳輸技術帶來了巨大挑戰。通過在發射端應用快速傅立葉反變換和在接收端進行FFT（快速傅立葉變換），OFDM將存在ISI（碼間干擾）的信道轉化為平行的不受碼間干擾（ISI）的子信道。子信道的增益是信道FFT網格的頻率響應值。具體地，在OFDM系統中以K為子載波數，x(p)為p路徑的子載波發射信號，y(p)為p路徑的子載波接收信號，則這個信道的等效輸入輸出關系為：

其中v(p)為加性高斯白噪聲，H(p)為在p路徑上的信道頻率響應：

信道均衡意味著標量取逆，即：

因此，均衡器的復雜性與信道長度無關。

1.2 收發機的設計與實現

發射機先將文本數據轉化為二進制格式，然后對二進制數據進行簡單的（3，1）循環編碼和交織糾錯，并把這個編碼數據映射到QPSK（正交相移鍵控）符號。這個字符串被分割成很多塊，每一塊都采用OFDM技術進行調制。OFDM調制期間，每隔四個子載波插入一個引導符號，以便于接收端進行相干解調時的信道估計。具體地，先在基帶進行調制，然后上移到通帶進行發送。發射期間，同步序列插入到數據包的前面。

接收機先對輸入的數據串進行帶通濾波，然后通過對同步序列樣本與接收數據采取相關方法以查詢有效數據的起始位置。有效數據將通頻帶信號變頻下移到基帶，然后估計載波頻率偏移（CFO），以糾正發射端與接收端之間的載波偏差。進行CFO補償后，依靠引導符估算信道頻率響應。對每個OFDM的子載波進行相干解調，并采用最大比值組合法對（3，1）循環碼進行編譯。最后，接收機從QPSK（正交相移鍵控）符號中提取二進制碼并生成需要的文本信息。

1.3 數據包組成

傳輸的文本信息有不同的長度，但是數據包有固定的長度。所以，不同的文本信息需要不同數目的數據包。為了產生一個自動信息發送器，設計了數據包格式。發射機產生的二進制序列由文本數據和末尾的2個元數據位（管理比特位）組成。這些元數據位分別為連續數據位和局部數據位。局部數據位提示接收器文本數據不能完全填充整個數據包，需要插入其他額外的可在接收端移除的填充數據；連續數據位將告知接收器下一個發射信號是否包含當前發射信號的后續部分。因此，11位的額外數據必須加在局部數據的前面，以便于分辨出有效數據的長度。

2 實驗結果

2.1 比較空氣中和水中的信號傳播

離散時間基帶模型中，在空氣信道中截取長度為L1=60的一段信號，在水中信道中截取長度為L2＝350的一段信號。設信號帶寬為B＝11.25 kHz，占用頻段為10～21.25 kHz，則信號在空氣中傳播的時延為L1/B＝5.3 ms，信號在水中傳播的時延為L2/B＝31.1 ms。可見，水中信道傳播時延比空氣中大得多。信號長度在信號設計中具有重要影響，所以信號設計時必須保證信號的設計能夠適應信道傳播延遲的增加。

2.2 采樣率的不匹配

發射機和接收機之間的采樣率不匹配，可能會使波形產生輕微的縮小或放大。波形縮放比例從周期T到(1+a)T時產生頻率偏移af0，與發射端和接收端之間相對運動時產生的多普勒效應相似。所以，實驗中注意到，在頻帶內存在1～5 Hz的多普勒頻移。

2.3 連續的接收機設計

理想的接收機可連續檢測輸入信號，這樣發射機也能夠隨時傳輸信號。所以，采用Matlab中的數據采集工具箱，可實現連續不間斷的數據檢測。具體地，為數據采集工具箱設定幅值觸發門限，以便于能在Matlab緩存區輸入一部分數據。當達到觸發門限時，接收機運行同步算法來確定輸入數據是否包含有效數據。如果有，接收機對數據進行解調；如果沒有，將輸入數據丟掉，并等待下次觸發。可見，有了數據采集工具箱，接收機就能在連續模式下進行數據接收。

2.4 雙向通信的實現

實驗中采用2套揚聲器和麥克風，1套用于正向鏈接，1套用于反向鏈接。2臺接收機都運行在連續工作模式，一旦輸入信息就能夠隨時傳送，成功實現了2臺計算機之間的在線語音聊天。

3 結 論

實現了一套相干OFDM調制解調器的設計，實現了2臺計算機在空氣中和水中的通信。實驗中，先進行單向通信，只涉及1套揚聲器和麥克風，后升級為2套，最終完成了一套相干OFDM調制解調器的設計，實現了2臺計算機在空氣中和水中的通信。實驗比較了空氣中和水中的試驗結果，將為更好地了解水中通信信道的特性和OFDM傳輸技術提供助益。

參考文獻：

[1] Akyildiz I F，Pompili D，Melodia T.Challenges for Efficient Communication in Underwater Acoustic Sensor Networks[J].ACM SIGBED Review，2004，1（1）：3-8.

[2] Kilfoyle D B，Baggeroer A B.The State of the Art in Underwater Acoustic Telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering，2000，25（1）：4-27.