張艷芳，趙 敏

(河南理工大學(xué) 鶴壁工程技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

0 引 言

水聲通信技術(shù)在海洋環(huán)境探測、軍事通信等領(lǐng)域有重要的戰(zhàn)略意義，水聲信道的高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸是目前行業(yè)內(nèi)的研究熱點。在軍事領(lǐng)域，水下潛艇之間通信、無人偵察船舶和水下武器的通信都需要通過水聲信道完成；在商業(yè)和民用領(lǐng)域，水下機器人、海底勘測等方面同樣離不開水聲通信。近年來，隨著對水下資源開發(fā)的力度增加，水聲通信的價值越發(fā)凸顯。

相對于電磁波通信，水聲通信由于信道的時空畸變性等因素，信號的衰減非常明顯。為了克服水聲通信的衰減特性，通過正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)提高通信帶寬的利用率是一項非常有效的手段。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)將信道擴展為多個正交的子信道，既能消除信道之間的相互干擾，也能克服單一信道導(dǎo)致的信號衰減。

本文介紹（OFDM）技術(shù)的基本原理，基于此研究淺海環(huán)境的水聲通信關(guān)鍵技術(shù)，具有一定應(yīng)用價值。

1 OFDM 技術(shù)的研究現(xiàn)狀

頻分復(fù)用（FDM）將信號的傳輸信道帶寬劃分成若干個子頻帶，每個子頻帶分別負責(zé)一路信號的傳遞，子頻帶之間建立信號隔離帶，一方面防止子頻帶之間的信號干擾，另一方面保障子頻帶的信號并行傳輸，降低信號的時延。

OFDM 技術(shù)是頻分復(fù)用(FDM)的[1]一種擴展，將信道劃分為多個相互之間正交的信道，并對每個子信道上進行載波的調(diào)制，每個子信道進行窄帶傳輸。

OFDM 技術(shù)原理圖如圖1 所示。

圖1 OFDM 技術(shù)原理圖Fig.1 Principle diagram of OFDM technology

假設(shè)二進制數(shù)據(jù)流為復(fù)數(shù)序列(s0,s1,···,sk)，其中sk=an+jbn，對復(fù)數(shù)序列進行正交變換，得到調(diào)制的復(fù)數(shù)序列(S0,S1,···,Sk)，可得OFDM 信號為：

OFDM 信號的采樣間隔為s/N，載波信號的頻率fk=k/N·s，可得到OFDM 采樣信號為：

OFDM 技術(shù)相比于載波通信技術(shù)有眾多優(yōu)點，因此在水聲通信領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。OFDM 技術(shù)的優(yōu)點包括：

1）頻譜利用率高

OFDM 的子信道載波之間互相正交，因此子信道的頻譜互相重疊，頻譜的利用率高，子信道正交的載波之間滿足下式：

式中，fi和fj為相互正交的載波信號頻率。

OFDM 的信道載波調(diào)制示意圖如圖2 所示。

圖2 OFDM 的信道載波調(diào)制示意圖Fig.2 Channel carrier modulation diagram of OFDM

2）抗衰落能力強

OFDM 的載波特性可以有效地降低信號的衰落，通過在載波上添加循環(huán)前綴，消除多徑傳播引起的信號干擾。

3）自適應(yīng)調(diào)制

OFDM 技術(shù)采用正交振幅調(diào)制，具有自適應(yīng)調(diào)制功能，當(dāng)源信號的噪聲干擾較大，即信噪比較高時，OFDM 采用高階調(diào)制；當(dāng)信噪比較低時，采用低階調(diào)制。這種自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)不僅能夠保障信道的使用效率，也能最大程度上提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量，過濾信噪比較低的源信號。

2 基于OFDM 的淺海環(huán)境水聲通信關(guān)鍵技術(shù)

2.1 淺海環(huán)境水聲通信的調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究

在基于OFDM 技術(shù)的淺海水聲通信中，信號的調(diào)制和解調(diào)是非常重要的環(huán)節(jié)，信號的調(diào)制是將水聲通信的模擬/數(shù)字信號調(diào)制為符合水聲信道傳輸要求的信號形式，調(diào)制階段在信號發(fā)送的過程中。水聲通信的信號接收端需要將接收的信號還原為原始信號類型，這個過程為信號的解調(diào)。

信號調(diào)制的類型包括模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制2 種，模擬調(diào)制利用模擬信號來改變源信號的幅頻特性，而數(shù)字調(diào)制利用數(shù)字信號改變源信號的幅頻特性。

1）相位調(diào)制

相位調(diào)制是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)字調(diào)制，相位調(diào)制利用正弦波改變信號的特性，假設(shè)載波相位為2 種，對應(yīng)的持續(xù)時間為Ts，載波可表示為：

式中：Es為信號能量；ωt為角頻率；?i為載波相位。

基于相位調(diào)制的MPSK 載波表示為：

OFDM 的相位調(diào)制原理圖如圖3 所示。

圖3 OFDM 的相位調(diào)制原理圖Fig.3 Phase modulation schematic diagram of OFDM

2）正交振幅調(diào)制

水聲通信的正交振幅調(diào)制載波[2]為：

式中，Am和Bm分別為2 種載波的幅值，計算式為：

(sm,qm)由原始信號決定，圖4 為正交振幅調(diào)制的原理圖。

圖4 正交振幅調(diào)制的原理圖Fig.4 Schematic diagram of orthogonal amplitude modulation

可知，正交振幅調(diào)制是將輸入信號首先進行串并轉(zhuǎn)換分為兩路，一路經(jīng)過兩次電平轉(zhuǎn)換后與載波Amcosωct相乘，另一路經(jīng)過兩次電平轉(zhuǎn)換后與載波Bmsinωct相乘，然后求和輸出信號。

2.2 淺海環(huán)境水聲通信的組合擴頻技術(shù)

組合擴頻技術(shù)也是淺海水聲通信中應(yīng)用的技術(shù)，組合擴頻與OFDM 相結(jié)合，利用擴頻序列的組合進行信息的傳輸，使水聲通信的速度更高[3]。

通常，組合擴展的序列中每個一個信息碼用一條序列進行調(diào)制，每條隨機序列攜帶1 bit 數(shù)據(jù)，通信速率為：

采用循環(huán)移位的擴頻技術(shù)，可使每條隨機序列攜帶kbit 數(shù)據(jù)，此時的通信速率為：

組合擴頻技術(shù)的原理圖如圖5 所示。

圖5 組合擴頻技術(shù)的原理圖Fig.5 Schematic diagram of combined spread spectrum technology

當(dāng)系統(tǒng)采用M條擴頻序列時，擴頻通信系統(tǒng)的速率與擴頻序列的組合個數(shù)有關(guān)，即

對于水聲通信的接收端來說，給定組合序號N，可得到該擴頻序列組合的元素：

2.3 船舶無線通信的OFDM 時間同步技術(shù)仿真

為了驗證基于OFDM 技術(shù)的淺海水聲通信系統(tǒng)特性，搭建硬件平臺進行系統(tǒng)仿真。測試過程水聲通信系統(tǒng)的采樣頻率為48 kHz，采用512 正交頻分復(fù)用子載波進行信號的調(diào)制，添加高斯白噪聲作為干擾。

水聲通信仿真硬件平臺參數(shù)如表1 所示。

表1 水聲通信仿真硬件平臺的參數(shù)Tab.1 Parameters of underwater acoustic communication simulation hardware platform

采集一段時間內(nèi)測試平臺的特征信號，得到水聲通信系統(tǒng)的信噪比測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 水聲通信系統(tǒng)的信噪比測試結(jié)果Fig.6 Test results of signal to noise ratio of underwater acoustic communication system

可知，正交頻分復(fù)用OFDM 技術(shù)有較好的噪聲抑制作用。

3 結(jié) 語

淺海環(huán)境下的水聲通信對于軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域都具有重要的意義，針對水聲通信存在的噪聲干擾大、信號衰減等問題，本文采用一種基于OFDM 技術(shù)的水聲通信技術(shù)，從信號的調(diào)制方法、擴頻方法及通信系統(tǒng)的特性仿真測試等方面開展詳細研究。

結(jié)果表明，基于正交頻分復(fù)用OFDM 技術(shù)的水聲通信技術(shù)具有較高的通信質(zhì)量，可以較好抑制噪聲，有較大的應(yīng)用潛力。