通信与网络中的基于OFDM的水声通信系统设计
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2020-10-20
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通信与网络中的基于通信与网络中的基于OFDM的水声通信系统设计的水声通信系统设计
摘要：正交频分复用技术（OFDM）具有抗频率选择性衰减和提高频带利用率的良好特点。本文设计了基于OFDM技术的
水声通信系统，此系统通过IFFT/FFT算法来实现，利用保护间隔的循环前缀来克服码间干扰，并通过Matlab仿真说明
OFDM系统在水声通信中有抗多径干扰性能。OFDM技术受到高速率数据传输系统的青睐，在水下通信中具有很好的应用
前景。 0 引言 浅海高速水声通信面临最困难的就是强多途和由于海洋表面反射，内波等引起的快速时变。其中自
多途引起的接收信号的振幅衰落，多途引起接收信号的码间干扰，再加上海洋环境噪声、低的载波频率、极为有限的带宽
以及传输条件的时间-空间-频率变化特性，使
摘要：正交频分复用技术（ 摘要：正交频分复用技术（OFDM）具有抗频率选择性衰减和提高频带利用率的良好特点。本文设计了基于）具有抗频率选择性衰减和提高频带利用率的良好特点。本文设计了基于OFDM技术的水声通信系技术的水声通信系
统，此系统通过统，此系统通过IFFT/FFT算法来实现，利用保护间隔的循环前缀来克服码间干扰，并通过算法来实现，利用保护间隔的循环前缀来克服码间干扰，并通过Matlab仿真说明仿真说明OFDM系统在水声通信中有抗多系统在水声通信中有抗多
径干扰性能。径干扰性能。OFDM技术受到高速率数据传输系统的青睐，在水下通信中具有很好的应用前景。技术受到高速率数据传输系统的青睐，在水下通信中具有很好的应用前景。
0 引言
浅海高速水声通信面临最困难的就是强多途和由于海洋表面反射，内波等引起的快速时变。其中自多途引起的接收信号的振幅衰落，
多途引起接收信号的码间干扰，再加上海洋环境噪声、低的载波频率、极为有限的带宽以及传输条件的时间-空间-频率变化特性，使得水
声信道成为迄今为止最困难的无线通信信道[1-2].水声信道多径时延严重，一般的多载波技术在接收端需要很好的信道估计均衡技术才能达
到很小失真的回复信号，正交频分复用技术由于发射端信号中加入了循环前缀使得抗多径特性大大提高。该技术的主要思想是将所能利用
的频带信道划分成多个正交子信道，在每个划分子信道上进行并行传输，降低信道上信号传输的速率，信号带宽小于信道的相干带宽，从
而大大消除符号间干扰，并且子信道上的载波间有部分重叠而使频带的利用率得到提高。这种技术在水下通信中得到广泛应用。
1 OFDM 原理
Weinstein 提出了利用DFT（Discrete Fourier Trans-form）实现OFDM（Orthogonal Frequency Division Multi-plexing）系统的调制和
解调[3].在发射端传送二进制数据，首先通过对各子载波调制将该组数据映射成为一组复数序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,其中dn = an + jbn,如果对
上面的复数序列进行IDFT 变换，就会得到新的复数序列{S0 ,S1,-,SN - 1} ,其中：
在接收端，对收到的信号以时间间隔为Δt 进行采样，然后进行DFT 变换，就能恢复出原来的复数序列{d0 ,d1,-,dN - 1} ,然后经过解载
波逆映射，就能恢复出原始的二进制数据。对于IDFT/DFT变换的计算，通常采用技术较为成熟的IFFT/FFT算法来实现[4-5],这样用快速傅
里叶算法可以大幅度减少计算量，以提高系统运行效率。
2 基于OFDM 的高速水声通信
2.1 系统框图
OFDM水声通信系统的实现过程如图1所示。在水声通信系统的发射端，为了对抗水声信道由于随机性和突发性产生的错误，首先对
输入的二进制数字信号进行信道卷积编码和交织处理，然后通过串/并转换对每个子载波上的数字信号进行载波映射；然后再插入用于信道
特性估计的导频信息；进而通过IFFT变换形成OFDM调制信号；为了更好地对抗水声信道的多途效应，在形成的OFDM符号后加入大于信
道最大时延的循环前缀，保证接收到的信号不受码间干扰，保证各子载波之间的正交性；最后通过D/A 转换将数字信号转换为模拟信号，
由射频调制后将信号通过超声波在水声信道中进行传输。在接收端，则要进行与发送端相反的过程，最终恢复出原始数据。
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