【摘 要】水聲信道是多徑衰落比較嚴(yán)重的信道，而且信道帶寬窄。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，能夠有效抵抗信道頻率選擇性衰落，且提高了信號(hào)傳輸速率和頻帶利用率。本文構(gòu)造STBC-OFDM傳輸系統(tǒng)，并應(yīng)用于水聲信道，仿真研究了其在水聲信道下的性能及可行性。

【關(guān)鍵詞】水聲信道 OFDM STBC-OFDM

一、 STBC-OFDM系統(tǒng)構(gòu)建

（一）OFDM系統(tǒng)簡(jiǎn)介

OFDM的技術(shù)的主要思想是將時(shí)域內(nèi)信道分成許多正交的子信道，在每個(gè)子載波上分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，而且可以并行傳輸。這樣可以將總的頻率選擇性衰落信道在每個(gè)子載波上實(shí)現(xiàn)相對(duì)平坦。

如OFDM信號(hào)在理想同步假設(shè)下的傳輸系統(tǒng)可以分為發(fā)射和接收兩個(gè)部分，而且每部分的功能模塊都一一對(duì)應(yīng)，下面分別對(duì)每對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)和功能作簡(jiǎn)單介紹。

1.編譯碼和塊交織、解交織

交織作用在于將信號(hào)傳輸過程中出現(xiàn)的較長(zhǎng)的突發(fā)錯(cuò)誤分成短的突發(fā)錯(cuò)誤，減小錯(cuò)誤的相關(guān)性以便糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)。具體的方法是將一個(gè)長(zhǎng)度為的編碼序列按照行輸入排列成的矩陣，則為交織深度，然后按著列順序輸出序列，這樣，連續(xù)的突發(fā)錯(cuò)誤經(jīng)過交織處理后被分散開至少個(gè)碼元距離。在接收端解交織按照相反的操作，即按列讀入按行輸出。

2.導(dǎo)頻插入及信道估計(jì)

信道估計(jì)就是估計(jì)從發(fā)送天線到接收天線之間的頻率響應(yīng)。在OFDM系統(tǒng)中，按照一定的方式或間隔插入事先設(shè)置好的導(dǎo)頻符號(hào)，接收機(jī)端根據(jù)這些符號(hào)來對(duì)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)從而完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收以及恢復(fù)。導(dǎo)頻符號(hào)的設(shè)置通常有兩種經(jīng)典方法：塊狀導(dǎo)頻和梳狀導(dǎo)頻。塊狀導(dǎo)頻周期性的在時(shí)域內(nèi)插入到特定數(shù)量的OFDM符號(hào)之間；梳狀導(dǎo)頻均勻分布在各個(gè)OFDM符號(hào)的相同位置，每個(gè)OFDM符號(hào)都按一定數(shù)量的子載波間隔放置導(dǎo)頻符號(hào)。信道估計(jì)的方法通常為最小二乘估計(jì)和最小均方誤差估計(jì)。

3.IFFT/FFT

利用離散傅里葉變換（DFT）來實(shí)現(xiàn)OFDM多載波傳輸系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)，是OFDM傳輸系統(tǒng)的技術(shù)亮點(diǎn)之一。而DFT和IDFT都可以采用高效的快速傅里葉變換及反變換（FFT/IFFT）來實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

4.保護(hù)間隔和循環(huán)前綴（CP）

由于信道的記憶性，輸出的結(jié)果不僅與當(dāng)前輸入的OFDM符號(hào)有關(guān)，還與上一個(gè)OFDM符號(hào)的最后個(gè)符號(hào)有關(guān)，這樣就導(dǎo)致了符號(hào)間干擾。在每個(gè)OFDM符號(hào)之間加入保護(hù)間隔可以消除符號(hào)間干擾，并且在保護(hù)間隔內(nèi)加入OFDM符號(hào)的循環(huán)擴(kuò)展，即將長(zhǎng)度為的數(shù)據(jù)塊的后個(gè)符號(hào)的復(fù)本放到OFDM信號(hào)前端，實(shí)際上的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度是由個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)和個(gè)循環(huán)前綴共同構(gòu)成的，為。

（二）STBC-OFDM系統(tǒng)構(gòu)建

MIMO系統(tǒng)可以在一定程度上利用信號(hào)傳播中的多徑分量從而抵抗多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。而對(duì)于頻率選擇性衰落來說，OFDM技術(shù)有很好的效果，而且能夠充分利用有限的頻帶資源。

二、水聲信道STBC-OFDM系統(tǒng)性能仿真

在模擬水聲多徑信道中仿真對(duì)比多個(gè)發(fā)射端一個(gè)接收端和多個(gè)發(fā)射端多個(gè)接收端在不同數(shù)據(jù)傳輸速率條件下的的誤碼性能。假設(shè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間理想同步，接收機(jī)已知或是能夠準(zhǔn)確估計(jì)信道信息。

不同發(fā)射端數(shù)目的誤比特性能對(duì)比。未編碼單發(fā)射端和Alamouti編碼采用BPSK調(diào)制方案，三發(fā)射端、四發(fā)射端采用QPSK調(diào)制，信道帶寬為，對(duì)于單發(fā)射端采用BPSK星座映射，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512，子載波數(shù)為375，子載波間隔為16，采樣率為40，此時(shí)各種方案的數(shù)據(jù)傳輸速率約為4.84。從圖中可以看出，在相同誤碼率時(shí)，隨著發(fā)射分集數(shù)的增加，可獲得信噪比增益，系統(tǒng)性能得以改善。

不同發(fā)射換能器數(shù)目的下的誤比特性能仿真。未編碼單發(fā)射端和Alamouti編碼采用QPSK調(diào)制方案，三發(fā)射端、四發(fā)射端采用16QAM調(diào)制，信道帶寬為，對(duì)于單發(fā)射端采用QPSK星座映射，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為512，子載波數(shù)為375，子載波間隔為16，采樣率為40，此時(shí)各種方案的數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)樵瓉淼亩丁ｋS著系統(tǒng)調(diào)制方式的變化，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率也隨之變化。當(dāng)數(shù)據(jù)速率增大時(shí)系統(tǒng)整體的性能也有所惡化，但是高速系統(tǒng)中帶有分集增益的方案還是比低速系統(tǒng)中未分集的方案性能好很多，而且隨著信噪比的增加，這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。從信道容量角度分析，單位時(shí)間內(nèi)信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加，信道容量也被提高。這說明STBC-OFDM系統(tǒng)對(duì)于提高水聲通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量都具有良好的效果。

仿真對(duì)比了不同發(fā)射端數(shù)目，兩個(gè)接收端的誤比特性能。接收端將信號(hào)等增益合并后聯(lián)合譯碼。隨著分集增益的成倍增長(zhǎng)系統(tǒng)性能明顯改善，增加接收端數(shù)目也可以達(dá)到改善系統(tǒng)性能的效果。

三、結(jié)論

本文構(gòu)建了STBC-OFDM傳輸系統(tǒng)，并應(yīng)用于已構(gòu)建的水聲信道，通過仿真結(jié)果可以看出空時(shí)分組碼以及所構(gòu)建的STBC-OFDM系統(tǒng)能夠改善水聲信道的多徑效應(yīng)，提高誤碼性能。然而，理論的仿真研究最終還是為實(shí)踐提供依據(jù)和參考，實(shí)際水聲信道環(huán)境是復(fù)雜多變的，在研究中要考慮的實(shí)際因素還有很多，因而對(duì)于結(jié)合空時(shí)編碼技術(shù)的傳輸系統(tǒng)還要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

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基金項(xiàng)目：

本文系河北聯(lián)合大學(xué)科學(xué)研究基金資助。