簡析OFDM在水聲通信中的應用

陳瑤 石叢瑋 李越

摘? 要：20世紀以來，科學技術的迅速發展使OFDM技術在通信及相關領域的應用大幅度提升，OFDM技術在局域網、藍牙、電視衛星通信等方面的應用已十分普遍，本文從OFDM技術分析、水聲通信特點分析這兩方面來對比探討OFDM技術在水聲領域的應用。

關鍵詞：水聲信道特性;OFDM原理;OFDM特點;OFDM應用于水聲通信

Abstract：Since the 20th century，the rapid development of science and technology has greatly enhanced the application of OFDM technology in communication and related fields. The application of OFDM technology in LAN，Bluetooth，TV satellite communication and other fields has been very common. This paper compares and discusses the application of OFDM technology in underwater acoustic field from two aspects：the analysis of OFDM Technology and the analysis of underwater acoustic communication characteristics.

Keywords：underwater acoustic channel characteristics;principle of OFDM;characteristics of OFDM;application of OFDM in underwater acoustic communication

0? 引? 言

OFDM技術至今已有四十多年歷史，OFDM技術的出現解決了傳輸系統中多載波傳輸和發送的困難，但由于OFDM技術本身的復雜性使其一直沒有得到快速發展與應用。二十世紀八十年代，隨著大規模集成電路的出現，OFDM技術在通信領域大放異彩，OFDM技術相比于其他傳統的通信設備有不可替代的優勢，正是因為這些優勢，將OFDM技術應用于水下通信領域無疑會產生意想不到的結果。本文從OFDM技術的原理、應用以及特點等方面闡述OFDM技術在水聲通信方面的應用。

1? OFDM技術的應用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple-xing），即正交頻分復用技術，該技術是將頻譜信號疊加，從而減少頻譜資源的使用，同時還能使相互疊加的信號互相之間分離開并且彼此沒有干擾，多路信號混合后的混合信號的分離則是通過復用技術來實現的，發送端發送信息并在接收端解復用接收信息。

OFDM技術已廣泛運用于多種無線通信中，例如：第四代蜂窩通信、音頻和視頻、非對稱數字用戶線、Magic Wand、Wi-Fi等，由于OFDM可以將時域中的長多徑信道轉換為頻域中的多個并行的單抽頭信號，這一特點極大程度上簡化了接收機的設計，也使得OFDM技術能應用于水聲通信領域，同時在海水中應用OFDM技術實現通信也面臨著諸多挑戰。

2? 水聲信道特性

電磁波、光波和聲波等無線電波的載體，其自身的優缺點決定了聲波在海水中作為水聲通信媒介的合理性。海水中的導電性使得電磁波傳輸速度快、工作頻率的特點無法充分發揮。

首先，光波雖然在傳輸速率上有明顯的優勢，但是光信號在水中會很快被水吸收，還會產生非常大的光散射。

其次，在較淺的水環境下光的照射會對光信號的使用產生較大影響。

最后，聲波在水環境中幾乎不會被吸收，能在海水中有效傳播并達到相當大的距離，這給我們研究復雜環境下的水聲通信提供了較為可靠的研究方案。

由于水下聲信號的復雜性、聲波在水中傳輸速度的有限性、多徑效應和散射效應等等的影響，通常來說，水聲通信在海洋環境中會出現有限的寬帶信道、明顯的多徑傳播效應以及多普勒的擴展現象等特征，現對這些特征分析如下。

2.1? 水聲信道中的可用帶寬有限

聲波在海洋復雜的環境中傳播會慢慢消耗損失掉，這些損失主要包括由能量守恒引起的聲波傳播的本地功率損失、由非理想海面和海底聲波相互作用的散射損失和聲波能力可能被轉換成其他形式并被媒介吸收的損失。不僅如此，海水中的含鹽量、溫度、深度等也都會影響聲信號在此環境中的傳播。其中，聲波傳播的損失主要來源于頻率，在頻率小于50kHz時，利用Thorps公式構造吸收函數模型：

其中α為吸收系數，f為頻率。接收端接收的聲信號與在海水中的傳輸距離成正比，距離越遠，通信帶寬越窄，水聲信號能量衰減越快，接收的能量越小。

相反的，聲波頻率越高，帶寬越大，可利用的傳輸距離就越近，因此聲波的頻率不能太大。同時，由于海洋蜂鳴聲會在較大程度上影響低頻段的聲信號，因此通信頻率的大小會影響水聲傳播的通信帶寬。

2.2? 水聲信道的多徑傳播效應明顯

由折射定律我們知道，聲速信號會在低速傳播的方向上彎曲。海水表面的一些介質會改變聲信號的傳播路徑，海水對聲信號反射導致了多徑效應的產生。這些效應使來自發射端的信號通過多個不同的路徑到達接收端，且接收端接收的聲信號是來自多個不同傳輸路徑的信號相互疊加的結果。多徑傳播和低速聲波也可能導致非常嚴重的大時延擴展。如從兩條路徑到達距離長度相差15m的接收器會帶來10ms的時間差（假設海水中聲的傳播速度為1500m/s），在淺海中，這種典型的延遲擴散可以達到幾十毫秒，而在深海中它將達到幾秒的水平。

2.3? 水聲信道多普勒擴展明顯

在海洋環境中，由于介質的不穩定性，不同傳播路徑會有不同的時間變化，簡稱時變。例如：無反射的直達路徑非常穩定，但是海洋中反射路徑會因為介質的不穩定性從而帶來時間變化，不同的時間變化會帶來不同的多普勒擴展效應。大的多普勒擴展會增加水聲信道的不穩定性，引起不同頻率聲信號之間的嚴重影響（也稱為頻率擴展）。

3? OFDM原理及思想

水聲通信中的調制技術一般包括調頻FSK、直接序列擴展頻譜、單載波傳輸、掃頻載波調制和多載波調制，其中OFDM就是一種多載波調制技術。

多載波調制是將所需要的帶寬分割成多個子帶，并使每個子帶都帶有其自身的子載波。每個帶內，符號速率與符號間隔成反比，符號速率增加而符號間隔減小，所以說符號間的干擾不甚嚴重。而作為多載波調制的一個相對普遍的例子來說，OFDM技術更好地發揮了多載波調制的優勢，使其在無線通信方面應用廣泛，同時由于原信道帶寬由每個信道帶寬組成，所以信道均衡相對來說沒有那么復雜。OFDM頻域和時域的子載波正交示意圖如圖1所示。

OFDM將給定信道分成多個較窄的子載波，各子載波之間相互正交，互不干擾，同時OFDM系統中子載波能夠消除載波間干擾。在傳輸過程中子載波主要有放置在頻帶邊緣以防止泄露且可與有效子載波結合起來進行多普勒估計和噪聲方差估計的空子載波、用于進行信道估計的導頻子載波和攜帶信息符號的數據子載波。

（a）時域子載波示意圖

（b）頻域子載波示意圖

4? OFDM在水聲通信中應用比較

由于OFDM技術自身的技術特性，所以我們在利用OFDM技術進行水聲系統的應用過程中要注意以下幾個方面的問題：

（1）必須保證發送端和接收端的振蕩頻率保持同頻同相。

（2）必須保證接收端抽樣頻率和發送端一致。

（3）必須保證調制與解調時的起止時間一致。

（4）多個不同頻率、振幅和相位的信號互相疊加所產生的OFDM具有很大的PAPR（峰平均率比），因此OFDM技術在使用過程中一般要進行抑制PAPR處理。

相對于這些挑戰，OFDM技術以更加吸引人的優勢使其在水聲通信領域受到青睞：

（1）OFDM技術能夠減少接收端信道之間的相互影響，增強接收信號的能力，同時較大程度地利用頻譜資源。

（2）多個子信道可以使OFDM系統具有更強的抵制頻率衰減的能力，減少突發錯誤的產生，增強信號接收的準確度。

（3）OFDM系統能進一步演化成OFDMA（即多址接入技術）系統，用戶可以通過OFDMA技術進行信息共享和傳輸。

（4）OFDM各個子信道中的調制解調可以利用快速傅里葉變換和快速傅里葉反變換處理，減小了該系統的復雜程度。

因此，在海水這種惡劣環境中使用OFDM技術實現通信不失為一個好的選擇，雖然OFDM在應用的過程中已經解決了很多難題，但是仍有更多的挑戰等待著我們去解決，仍有更好的通信技術等著我們去發現。

5? 結? 論

最初的OFDM通信系統復雜且成本高昂，多用于一些特定地領域。隨著科學技術的迅猛發展，OFDM技術也在不斷地改進和發展，其在水聲通信中的應用已經十分廣泛，如海洋生物學、海洋考古、環境監測、漁業、海洋工業等。在不斷的應用過程中，OFDM技術也日益成熟，現在我們應用較多的就是將其與水聲通信結合在一起，實現水聲通信在海洋工作中的應用。不容置疑，隨著各種科學難題的攻克，水聲通信在未來的發展會更加迅猛，也會給我們提供更多的技術保障。

參考文獻：

[1] 周勝利，王昭輝.OFDM水聲通信 [M].胡曉毅，任歡，譯.北京：電子工業出版社，2016.

[2] 張海寧，吳介軍，段渭軍，等.基于OFDM的水聲通信系統設計 [J].現代電子技術，2013，36（21）：31-34.

[3] 殷敬偉，王馳，王宇，等.OFDM技術在認知水聲通信系統中的應用 [J].聲學技術，2012，31（6）：615-618.

[4] 賈寧，黃建純.水聲通信技術綜述 [J].物理，2014，43（10）：650-657.

[5] 彭璐.MC-CDMA系統同步問題研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

作者簡介：陳瑤（1997-），女，漢族，陜西人，本科在讀，研究方向：控制系統;石叢瑋（1998-），男，漢族，河北人，本科在讀，研究方向：通信;指導老師：李越（1987-），男，漢族，北京人，教師，實驗員，本科，研究方向：檢測。