劉蘭軍+張永磊+張鵬程+李建芬

摘要：正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）是水聲高速通信的研究熱點(diǎn)，針對高速實(shí)時(shí)水聲移動通信需求，設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)幀體兩部分，前導(dǎo)序列采用恒包絡(luò)零自相關(guān)（CAZAC）序列，數(shù)據(jù)幀體采用循環(huán)前綴OFDM（CP-OFDM）結(jié)構(gòu)，每個OFDM符號內(nèi)含梳狀導(dǎo)頻和空載波。該系統(tǒng)利用前導(dǎo)序列估計(jì)多普勒因子，利用空載波估計(jì)載波頻率偏差（CFO），利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)?；贛atlab搭建了仿真系統(tǒng)，對多普勒估計(jì)與補(bǔ)償效果和系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：水聲通信；OFDM；前導(dǎo)序列；多普勒估計(jì)；空載波

中圖分類號：TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0281-04

Abstract： Orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） is a research hotspot for high-speed underwater acoustic communication （UWAC）. Aiming at the requirements of high-speed and real time underwater acoustic mobile communication， a preamble-based UWA OFDM communication system is designed， and the data frame structure contains preamble sequence and data frame body. The preamble sequence adopts the constant amplitude zero auto correlation （CAZAC） sequence， the data frame body adopts OFDM structure with cyclic prefix （CP-OFDM） and each OFDM symbol contains comb pilots and null subcarriers. This system utilizes preamble sequence to estimate Doppler factor， calculates the carrier frequency offset （CFO） by utilizing null subcarriers， and utilizes comb pilots for channel estimation. Simulation system is built based on Matlab. The effect of Doppler compensation and system bit error rate is simulated， and the simulation result shows the effectiveness of the designed system.

Key words： underwater acoustic communication； OFDM； preamble sequence； Doppler estimation； null subcarrier

1 概述

由于水聲信道的復(fù)雜時(shí)變性，高速、高可靠的水聲通信成為巨大挑戰(zhàn)。正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）具有頻帶利用率高和抗多徑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)研究得到廣泛關(guān)注[1]。針對水聲通信中存在的強(qiáng)多普勒及強(qiáng)多徑問題，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于前后同步信號的水聲OFDM通信系統(tǒng)，利用塊估計(jì)法進(jìn)行多普勒估計(jì)與補(bǔ)償，利用空載波估計(jì)多普勒頻偏，利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)與均衡，淺海實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)在存在較大相對運(yùn)動速度時(shí)仍具有較好的性能，該方案需要接收整個數(shù)據(jù)幀才能進(jìn)行后續(xù)信號處理，不利于實(shí)時(shí)通信且計(jì)算量較大。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，利用前導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀檢測、同步及多普勒估計(jì)，該方案不需要緩存整個數(shù)據(jù)幀，提高了水聲通信的實(shí)時(shí)性。

恒包絡(luò)零自相關(guān)（CAZAC）序列具有幅值恒定、較低峰均比、理想的周期自相關(guān)特性及互相關(guān)特性、傅里葉正反變換后仍為CAZAC序列等特點(diǎn)，是無線通信中性能優(yōu)良的相關(guān)檢測用正交序列[4]。

本文針對高速實(shí)時(shí)水聲移動通信需求，將CAZAC序列引入水聲通信，設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)幀體兩部分，前導(dǎo)序列采用恒包絡(luò)零自相關(guān)（CAZAC）序列，數(shù)據(jù)幀體采用循環(huán)前綴OFDM（CP-OFDM）結(jié)構(gòu)，每個OFDM符號內(nèi)含梳狀導(dǎo)頻和空載波。利用前導(dǎo)序列同步數(shù)據(jù)幀和估計(jì)多普勒因子，有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；利用空載波估計(jì)載波頻率偏差（CFO），以進(jìn)一步提高多普勒補(bǔ)償效果；利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)。基于Matlab搭建了仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼后采用QPSK調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換操作中插入用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號和用于頻偏估計(jì)及頻譜成型的空載波，經(jīng)IFFT、并串轉(zhuǎn)換后，利用一定長度的循環(huán)前綴（CP）填充保護(hù)間隔以減少OFDM符號間干擾（ISI），與前導(dǎo)序列組成完整的信號幀，經(jīng)過上變頻完成載波頻帶調(diào)制通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)射到水聲信道。接收端A/D采集到的信號先經(jīng)過數(shù)據(jù)幀同步、多普勒因子估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的多普勒因子重采樣后經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換成基帶信號，利用載波頻偏估計(jì)消除載波頻移殘差，經(jīng)過去除循環(huán)前綴、串并轉(zhuǎn)換、FFT及信道估計(jì)和信道均衡，通過并串轉(zhuǎn)換、QPSK解調(diào)、信道譯碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。信道編碼模塊采用低密度校驗(yàn)碼（LDPC）。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一個前導(dǎo)序列和若干個OFDM符號組成。前導(dǎo)序列采用CAZAC序列實(shí)現(xiàn)，利用CAZAC序列良好的自相關(guān)特性可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的檢測、同步，根據(jù)特殊設(shè)計(jì)的前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)可估計(jì)多普勒因子。OFDM符號采用CP-OFDM結(jié)構(gòu)，OFDM符號包括有效數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻和空載波，利用導(dǎo)頻符號進(jìn)行信道估計(jì)，利用空載波進(jìn)行頻偏估計(jì)及頻譜成型。

利用估計(jì)的[Hp]結(jié)合插值方法可求取其它子載波位置的信道頻域響應(yīng)。常用的插值方法有最近鄰插值法、線性插值法、三次樣條插值法（Spline）、二階插值法等，由式（19）可知信道頻域響應(yīng)估計(jì)值含有噪聲誤差，當(dāng)采用高階的插值法時(shí)可有效降低由插值方法引入的噪聲門限，但是采用更高階的插值方法時(shí)算法的復(fù)雜度增大且估計(jì)效果不再提升[5]，本文插值方法采用Spline插值法。通過插值得到所有子載波位置的信道估計(jì)值，并利用估計(jì)值進(jìn)行信道均衡。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的水聲OFDM通信系統(tǒng)的性能，基于Matlab搭建了仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真研究，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

除主要系統(tǒng)參數(shù)，其他系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含8個OFDM符號；用于CFO估計(jì)的空載波采用隨機(jī)插入方式，用于頻譜成型的空載波放置在OFDM子載波兩側(cè)；前導(dǎo)序列采用長度為512的CAZAC序列，IFFT變換后的前導(dǎo)序列長度為1024，占用一個OFDM符號長度。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的多普勒補(bǔ)償?shù)男Ч?，假設(shè)水聲信道中只存在主徑和加性高斯白噪聲，接收端進(jìn)行信道估計(jì)與均衡，其中水聲信道SNR為10dB，收發(fā)雙方相對運(yùn)動速度[v]=5m/s。多普勒補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的星座圖分別如圖4和圖5所示。圖4可以看出，沒有多普勒補(bǔ)償?shù)腝PSK相位十分模糊且幅值嚴(yán)重失真，這是由于多普勒效應(yīng)破壞了OFDM子載波之間的正交性，導(dǎo)致解調(diào)失??；圖5 為經(jīng)過重采樣及CFO補(bǔ)償后的星座圖，相位和幅值明顯收斂，數(shù)據(jù)符號得以正確解調(diào)，證明了多普勒補(bǔ)償算法的有效性。

系統(tǒng)誤碼性能仿真結(jié)果如圖6所示。仿真條件為：路徑數(shù)為7，每條路徑衰減系數(shù)分別為1、0.8、-0.5、0.6、0.3、-0.2、0.15且初始時(shí)延為0、3.12、5.42、8.54、15.6、18.75、21.04ms；噪聲為加性高斯白噪聲，對信道影響進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償；假設(shè)收發(fā)雙方相對運(yùn)動速度為[v]=5m/s；LDPC譯碼迭代6次；仿真1000個數(shù)據(jù)幀信號。分別仿真研究了未經(jīng)CFO補(bǔ)償和經(jīng)過CFO補(bǔ)償?shù)恼`碼率性能。從仿真結(jié)果可以看出，LDPC碼具有較強(qiáng)的糾錯能力，系統(tǒng)性能得到明顯提升；進(jìn)行CFO補(bǔ)償后的系統(tǒng)性能較優(yōu)，當(dāng)采用LDPC編碼且誤碼率為[10-5]數(shù)量級時(shí)，CFO補(bǔ)償后較補(bǔ)償前可以獲得約2dB的性能增益。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)架構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于CAZAC序列的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，建立分析了OFDM信號及水聲信道對其影響的模型，針對水聲信道中存在的多普勒、多徑效應(yīng)等問題，給出了相應(yīng)的多普勒補(bǔ)償和信道均衡解決方案。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的方法可以有效地補(bǔ)償水聲信道中存在的多普勒及多徑時(shí)延拓展對接收信號的影響，初步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的水聲OFDM通信系統(tǒng)的有效性。

參考文獻(xiàn)：

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