简析OFDM在水声通信中的应用

陈瑶 石丛玮 李越

摘  要：20世纪以来，科学技术的迅速发展使OFDM技术在通信及相关领域的应用大幅度提升，OFDM技术在局域网、蓝牙、电视卫星通信等方面的应用已十分普遍，本文从OFDM技术分析、水声通信特点分析这两方面来对比探讨OFDM技术在水声领域的应用。

关键词：水声信道特性;OFDM原理;OFDM特点;OFDM应用于水声通信

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技术至今已有四十多年历史，OFDM技术的出现解决了传输系统中多载波传输和发送的困难，但由于OFDM技术本身的复杂性使其一直没有得到快速发展与应用。二十世纪八十年代，随着大规模集成电路的出现，OFDM技术在通信领域大放异彩，OFDM技术相比于其他传统的通信设备有不可替代的优势，正是因为这些优势，将OFDM技术应用于水下通信领域无疑会产生意想不到的结果。本文从OFDM技术的原理、应用以及特点等方面阐述OFDM技术在水声通信方面的应用。

1  OFDM技术的应用

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple-xing），即正交频分复用技术，该技术是将频谱信号叠加，从而减少频谱资源的使用，同时还能使相互叠加的信号互相之间分离开并且彼此没有干扰，多路信号混合后的混合信号的分离则是通过复用技术来实现的，发送端发送信息并在接收端解复用接收信息。

OFDM技术已广泛运用于多种无线通信中，例如：第四代蜂窝通信、音频和视频、非对称数字用户线、Magic Wand、Wi-Fi等，由于OFDM可以将时域中的长多径信道转换为频域中的多个并行的单抽头信号，这一特点极大程度上简化了接收机的设计，也使得OFDM技术能应用于水声通信领域，同时在海水中应用OFDM技术实现通信也面临着诸多挑战。

2  水声信道特性

电磁波、光波和声波等无线电波的载体，其自身的优缺点决定了声波在海水中作为水声通信媒介的合理性。海水中的导电性使得电磁波传输速度快、工作频率的特点无法充分发揮。

首先，光波虽然在传输速率上有明显的优势，但是光信号在水中会很快被水吸收，还会产生非常大的光散射。

其次，在较浅的水环境下光的照射会对光信号的使用产生较大影响。

最后，声波在水环境中几乎不会被吸收，能在海水中有效传播并达到相当大的距离，这给我们研究复杂环境下的水声通信提供了较为可靠的研究方案。

由于水下声信号的复杂性、声波在水中传输速度的有限性、多径效应和散射效应等等的影响，通常来说，水声通信在海洋环境中会出现有限的宽带信道、明显的多径传播效应以及多普勒的扩展现象等特征，现对这些特征分析如下。

2.1  水声信道中的可用带宽有限

声波在海洋复杂的环境中传播会慢慢消耗损失掉，这些损失主要包括由能量守恒引起的声波传播的本地功率损失、由非理想海面和海底声波相互作用的散射损失和声波能力可能被转换成其他形式并被媒介吸收的损失。不仅如此，海水中的含盐量、温度、深度等也都会影响声信号在此环境中的传播。其中，声波传播的损失主要来源于频率，在频率小于50kHz时，利用Thorps公式构造吸收函数模型：

其中α为吸收系数，f为频率。接收端接收的声信号与在海水中的传输距离成正比，距离越远，通信带宽越窄，水声信号能量衰减越快，接收的能量越小。

相反的，声波频率越高，带宽越大，可利用的传输距离就越近，因此声波的频率不能太大。同时，由于海洋蜂鸣声会在较大程度上影响低频段的声信号，因此通信频率的大小会影响水声传播的通信带宽。

2.2  水声信道的多径传播效应明显

由折射定律我们知道，声速信号会在低速传播的方向上弯曲。海水表面的一些介质会改变声信号的传播路径，海水对声信号反射导致了多径效应的产生。这些效应使来自发射端的信号通过多个不同的路径到达接收端，且接收端接收的声信号是来自多个不同传输路径的信号相互叠加的结果。多径传播和低速声波也可能导致非常严重的大时延扩展。如从两条路径到达距离长度相差15m的接收器会带来10ms的时间差（假设海水中声的传播速度为1500m/s），在浅海中，这种典型的延迟扩散可以达到几十毫秒，而在深海中它将达到几秒的水平。

2.3  水声信道多普勒扩展明显

在海洋环境中，由于介质的不稳定性，不同传播路径会有不同的时间变化，简称时变。例如：无反射的直达路径非常稳定，但是海洋中反射路径会因为介质的不稳定性从而带来时间变化，不同的时间变化会带来不同的多普勒扩展效应。大的多普勒扩展会增加水声信道的不稳定性，引起不同频率声信号之间的严重影响（也称为频率扩展）。

3  OFDM原理及思想

水声通信中的调制技术一般包括调频FSK、直接序列扩展频谱、单载波传输、扫频载波调制和多载波调制，其中OFDM就是一种多载波调制技术。

多载波调制是将所需要的带宽分割成多个子带，并使每个子带都带有其自身的子载波。每个带内，符号速率与符号间隔成反比，符号速率增加而符号间隔减小，所以说符号间的干扰不甚严重。而作为多载波调制的一个相对普遍的例子来说，OFDM技术更好地发挥了多载波调制的优势，使其在无线通信方面应用广泛，同时由于原信道带宽由每个信道带宽组成，所以信道均衡相对来说没有那么复杂。OFDM频域和时域的子载波正交示意图如图1所示。

OFDM将给定信道分成多个较窄的子载波，各子载波之间相互正交，互不干扰，同時OFDM系统中子载波能够消除载波间干扰。在传输过程中子载波主要有放置在频带边缘以防止泄露且可与有效子载波结合起来进行多普勒估计和噪声方差估计的空子载波、用于进行信道估计的导频子载波和携带信息符号的数据子载波。

（a）时域子载波示意图

（b）频域子载波示意图

4  OFDM在水声通信中应用比较

由于OFDM技术自身的技术特性，所以我们在利用OFDM技术进行水声系统的应用过程中要注意以下几个方面的问题：

（1）必须保证发送端和接收端的振荡频率保持同频同相。

（2）必须保证接收端抽样频率和发送端一致。

（3）必须保证调制与解调时的起止时间一致。

（4）多个不同频率、振幅和相位的信号互相叠加所产生的OFDM具有很大的PAPR（峰平均率比），因此OFDM技术在使用过程中一般要进行抑制PAPR处理。

相对于这些挑战，OFDM技术以更加吸引人的优势使其在水声通信领域受到青睐：

（1）OFDM技术能够减少接收端信道之间的相互影响，增强接收信号的能力，同时较大程度地利用频谱资源。

（2）多个子信道可以使OFDM系统具有更强的抵制频率衰减的能力，减少突发错误的产生，增强信号接收的准确度。

（3）OFDM系统能进一步演化成OFDMA（即多址接入技术）系统，用户可以通过OFDMA技术进行信息共享和传输。

（4）OFDM各个子信道中的调制解调可以利用快速傅里叶变换和快速傅里叶反变换处理，减小了该系统的复杂程度。

因此，在海水这种恶劣环境中使用OFDM技术实现通信不失为一个好的选择，虽然OFDM在应用的过程中已经解决了很多难题，但是仍有更多的挑战等待着我们去解决，仍有更好的通信技术等着我们去发现。

5  结  论

最初的OFDM通信系统复杂且成本高昂，多用于一些特定地领域。随着科学技术的迅猛发展，OFDM技术也在不断地改进和发展，其在水声通信中的应用已经十分广泛，如海洋生物学、海洋考古、环境监测、渔业、海洋工业等。在不断的应用过程中，OFDM技术也日益成熟，现在我们应用较多的就是将其与水声通信结合在一起，实现水声通信在海洋工作中的应用。不容置疑，随着各种科学难题的攻克，水声通信在未来的发展会更加迅猛，也会给我们提供更多的技术保障。

参考文献：

[1] 周胜利，王昭辉.OFDM水声通信 [M].胡晓毅，任欢，译.北京：电子工业出版社，2016.

[2] 张海宁，吴介军，段渭军，等.基于OFDM的水声通信系统设计 [J].现代电子技术，2013，36（21）：31-34.

[3] 殷敬伟，王驰，王宇，等.OFDM技术在认知水声通信系统中的应用 [J].声学技术，2012，31（6）：615-618.

[4] 贾宁，黄建纯.水声通信技术综述 [J].物理，2014，43（10）：650-657.

[5] 彭璐.MC-CDMA系统同步问题研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

作者简介：陈瑶（1997-），女，汉族，陕西人，本科在读，研究方向：控制系统;石丛玮（1998-），男，汉族，河北人，本科在读，研究方向：通信;指导老师：李越（1987-），男，汉族，北京人，教师，实验员，本科，研究方向：检测。