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OFDM 水声通信信道估计技术研究
水声信道是一个十分复杂的时-空-频变信道,其主要特征是复杂性、多变性、强多途和
有限带宽。声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制,海洋水声信道中多
径效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干扰,给水声通信系统的设计带来了巨大的
困难,信道中的相位起伏使得载波恢复和相干解调变得十分困难。在常用的高速水声通信技
术中,采用相位相干(PSK/QAM)调制要面对信道起伏时的相干解调问题,而且要适应收发
端相对运动所带来的多普勒频移。作为一种可有效对抗码间干扰、高的高速传输系统,引起
人们广泛关注。作为 OFDM 技术的关键之一,信道估计的好坏直接影响整个系统的性能。
目前常用的信道估计算法主要有导频信道估计和盲信道估计两种。本文主要研究在具有导频
插入情况下常用的 OFDM 信道估计方法,并基于相同的导频图案下,对不同的方法进行分
析比较。
1 OFDM 水声通信系统模型
根据水声信道的特点,以及所传数据的一些参数要求,给出了 OFDM 水声通信系统的
模型,如图 1 所示。
这里有如下假设:已使用了循环前缀;信道冲击响应时间小于循环前缀;发送机和接收机
完全同步;信道噪声是复的加性高斯白噪声。输入的比特序列经过分组,根据采用的调制方
式,完成相应的调制映射,在通过串并变化和插入导频信息后,形成信息序X(k),对 X(k)
进行 IFFT,计算出 OFDM 已调信号的时域抽样序列,加上循环前缀 CP(循环前缀可以使
OFDM 系统消除信号的多径时延造成符号问干扰(ISI)和载波间干扰(ICI),再作 D/A 变换,
得到 OFDM 已调信号的时域波形。接收端先对接收信号进行 A/D 变换,去掉循环前缀 CP,
得到 OFDM 已调信号的抽样序列,对该抽样序列作 DFT 得到原调制信息序列 X(k)。
从接收方的角度看,当循环前缀的时间大于信道冲击响应时间,可以将与信道线性卷积
转化为圆周卷积,可以得出 OFDM 系统的表达式:
其中,Y(k)长度为 N 的接收序列,X(k)是长度为 N 的发送序列,h(n)为信道冲击响应
(不足 N 长的部分添零补足),ω(n)为信道噪声,H(k)为信道的频域响应。
2 OFDM 水声通信信道估计
OFDM 信道估计方法大致分为盲信道估计和非盲(基于导频的)信道估计 2 类,盲信道
估计不需要传送导频信息,因此可以提高有效数据的传送效率,缺点是需要收集大量的数据
作为运算的依据,运算量大,因此在时变信道中较难实现。另一类是基于导频方式的估计,
此类信道估计常用的方法有两种:基于导频信道的估计和基于导频符号的估计。基于导频信
道的方法是在系统中设置专用导频信道来发送导频信号。由于 OFDM 系统具有时频二维结
构,因此采用导频符号辅助信道估计更加灵活。所谓的基于导频符号的信道估计是指在发送
端的信号中的某些位置插入一些接收端已知的符号或序列,接收端根据这些信号或序列受传
输衰落影响的程度利用某些算法来估计信道的衰落性能。这一技术叫做导频信号辅助调制
(PSAM)。
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