采用相干OFDM技术的水声调制解调器的设计与实现

海丽萍，王宏云

（91388部队460所，广东 湛江 524022）

0 引 言

近年来，水声通信领域取得了两个主要的技术性进展：一是20世纪80年代初引入的数字通信技术即非相干频移键控（FSK）；二是20世纪90年代初相干调制技术的应用，包括正交幅度调制（QAM）[1-2]和相移键控（PSK）。目前，水下相干通信主要采用均衡技术和连续单一载波传输技术来改善水声通信中遇到的困难。因为基于正交频分复用（OFDM）的多载波调制技术在高弥散性信道中对均衡器的复杂性要求低，所以近年来人们把OFDM技术引入了水声通信。

1 宽带水声调制解调器的设计与实现

1.1 OFDM的基本原理

信道具有很强的频率选择性，有可能无法采用有效的信道均衡技术消除码间干扰（ISI）。OFDM是一种基于快速傅立叶变换（FFT）的高效多载波技术。可见，宽带的应用给传统的单载波传输技术带来了巨大挑战。通过在发射端应用快速傅立叶反变换和在接收端进行FFT（快速傅立叶变换），OFDM将存在ISI（码间干扰）的信道转化为平行的不受码间干扰（ISI）的子信道。子信道的增益是信道FFT网格的频率响应值。具体地，在OFDM系统中以K为子载波数，x(p)为p路径的子载波发射信号，y(p)为p路径的子载波接收信号，则这个信道的等效输入输出关系为：

其中v(p)为加性高斯白噪声，H(p)为在p路径上的信道频率响应：

信道均衡意味着标量取逆，即：

因此，均衡器的复杂性与信道长度无关。

1.2 收发机的设计与实现

发射机先将文本数据转化为二进制格式，然后对二进制数据进行简单的（3，1）循环编码和交织纠错，并把这个编码数据映射到QPSK（正交相移键控）符号。这个字符串被分割成很多块，每一块都采用OFDM技术进行调制。OFDM调制期间，每隔四个子载波插入一个引导符号，以便于接收端进行相干解调时的信道估计。具体地，先在基带进行调制，然后上移到通带进行发送。发射期间，同步序列插入到数据包的前面。

接收机先对输入的数据串进行带通滤波，然后通过对同步序列样本与接收数据采取相关方法以查询有效数据的起始位置。有效数据将通频带信号变频下移到基带，然后估计载波频率偏移（CFO），以纠正发射端与接收端之间的载波偏差。进行CFO补偿后，依靠引导符估算信道频率响应。对每个OFDM的子载波进行相干解调，并采用最大比值组合法对（3，1）循环码进行编译。最后，接收机从QPSK（正交相移键控）符号中提取二进制码并生成需要的文本信息。

1.3 数据包组成

传输的文本信息有不同的长度，但是数据包有固定的长度。所以，不同的文本信息需要不同数目的数据包。为了产生一个自动信息发送器，设计了数据包格式。发射机产生的二进制序列由文本数据和末尾的2个元数据位（管理比特位）组成。这些元数据位分别为连续数据位和局部数据位。局部数据位提示接收器文本数据不能完全填充整个数据包，需要插入其他额外的可在接收端移除的填充数据；连续数据位将告知接收器下一个发射信号是否包含当前发射信号的后续部分。因此，11位的额外数据必须加在局部数据的前面，以便于分辨出有效数据的长度。

2 实验结果

2.1 比较空气中和水中的信号传播

离散时间基带模型中，在空气信道中截取长度为L1=60的一段信号，在水中信道中截取长度为L2＝350的一段信号。设信号带宽为B＝11.25 kHz，占用频段为10～21.25 kHz，则信号在空气中传播的时延为L1/B＝5.3 ms，信号在水中传播的时延为L2/B＝31.1 ms。可见，水中信道传播时延比空气中大得多。信号长度在信号设计中具有重要影响，所以信号设计时必须保证信号的设计能够适应信道传播延迟的增加。

2.2 采样率的不匹配

发射机和接收机之间的采样率不匹配，可能会使波形产生轻微的缩小或放大。波形缩放比例从周期T到(1+a)T时产生频率偏移af0，与发射端和接收端之间相对运动时产生的多普勒效应相似。所以，实验中注意到，在频带内存在1～5 Hz的多普勒频移。

2.3 连续的接收机设计

理想的接收机可连续检测输入信号，这样发射机也能够随时传输信号。所以，采用Matlab中的数据采集工具箱，可实现连续不间断的数据检测。具体地，为数据采集工具箱设定幅值触发门限，以便于能在Matlab缓存区输入一部分数据。当达到触发门限时，接收机运行同步算法来确定输入数据是否包含有效数据。如果有，接收机对数据进行解调；如果没有，将输入数据丢掉，并等待下次触发。可见，有了数据采集工具箱，接收机就能在连续模式下进行数据接收。

2.4 双向通信的实现

实验中采用2套扬声器和麦克风，1套用于正向链接，1套用于反向链接。2台接收机都运行在连续工作模式，一旦输入信息就能够随时传送，成功实现了2台计算机之间的在线语音聊天。

3 结 论

实现了一套相干OFDM调制解调器的设计，实现了2台计算机在空气中和水中的通信。实验中，先进行单向通信，只涉及1套扬声器和麦克风，后升级为2套，最终完成了一套相干OFDM调制解调器的设计，实现了2台计算机在空气中和水中的通信。实验比较了空气中和水中的试验结果，将为更好地了解水中通信信道的特性和OFDM传输技术提供助益。

参考文献：

[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.