OFDM的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 OFDM的水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在接收端，對(duì)收到的信號(hào)以時(shí)間間隔為t 開展采樣，然后開展DFT 變換，就能恢復(fù)出原來的復(fù)數(shù)序列d0 ,d1,-,dN - 1 ,然后經(jīng)過解載波逆映射，就能恢復(fù)出原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。對(duì)于IDFT/DFT變換的計(jì)算，通常采用技術(shù)較為成熟的IFFT/FFT算法來實(shí)現(xiàn),這樣用快速傅里葉算法可以大幅度減少計(jì)算量，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。 2 基于OFDM 的高速水聲通信 2.1 系統(tǒng)框圖 OFDM水聲通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。在水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射端，為了對(duì)抗水聲信道由于隨機(jī)性和突發(fā)性產(chǎn)生的錯(cuò)誤，首先對(duì)輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)開展信道卷積編碼和交織處理

2、，然后通過串/并轉(zhuǎn)換對(duì)每個(gè)子載波上的數(shù)字信號(hào)開展載波映射；然后再插入用于信道特性估計(jì)的導(dǎo)頻信息；進(jìn)而通過IFFT變換形成OFDM調(diào)制信號(hào)；為了更好地對(duì)抗水聲信道的多途效應(yīng)，在形成的OFDM符號(hào)后參加大于信道時(shí)延的循環(huán)前綴，保證接收到的信號(hào)不受碼間干擾，保證各子載波之間的正交性；通過D/A 轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，由射頻調(diào)制后將信號(hào)通過超聲波在水聲信道中開展傳輸。在接收端，則要開展與發(fā)送端相反的過程，終恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。 2.2 循環(huán)前綴 由于信道會(huì)引起碼間干擾（Intersymbol Interfer-ence,ISI）和信道之間干擾的存在，子載波之間正交性就會(huì)被破壞，無(wú)法在接收端通過FF

3、T將各子載波上的信號(hào)分開。雖然通過多載波調(diào)制會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)抗ISI 的能力，但當(dāng)前符號(hào)仍然后于前一符號(hào)的時(shí)延產(chǎn)生重疊，從而產(chǎn)生ISI.為了減少ISI對(duì)信號(hào)的影響，就要在每個(gè)符號(hào)前面加上保護(hù)間隔（Guard Interval,GI）。保護(hù)間隔會(huì)使得先前符號(hào)產(chǎn)生的多途干擾信號(hào)在當(dāng)前符號(hào)到達(dá)接收機(jī)之前消失，從而克服ISI的影響。如果將保護(hù)間隔內(nèi)的信息置為空，則會(huì)由于多途傳播的影響，使得各子載波之間失去正交性，從而會(huì)導(dǎo)致子載波間干擾（Intercarrier Interference,ICI）。為了消除多途傳播造成的ICI,通過將原來寬度為T 的OFDM 符號(hào)周期性擴(kuò)展，這種采用采用周期擴(kuò)展信號(hào)的保護(hù)間隔

4、稱之為循環(huán)前綴（Cyclic Prefix,CP）。圖2 為加了循環(huán)前綴的一個(gè)OFDM符號(hào)，是把一個(gè)OFDM符號(hào)周期后面長(zhǎng)度Tg 的部分復(fù)制到長(zhǎng)度為Tg 的保護(hù)間隔中。這樣，只要循環(huán)前綴長(zhǎng)度大于信道時(shí)延就不會(huì)造成ISI. 2.3 調(diào)制解調(diào)方式 OFDM是一種多載波調(diào)制方式，每個(gè)子載波都可以根據(jù)信道的狀況選擇不同的調(diào)制方式，當(dāng)要優(yōu)先考慮傳輸?shù)目煽啃詴r(shí)，就選擇誤碼率較低的調(diào)制方式MPSK,如BPSK和QPSK;而要考慮系統(tǒng)傳輸速率時(shí)，可以選用頻譜利用率較高的調(diào)制方式MQAM,如8QAM和16QAM. 2.4 信道編碼技術(shù) OFDM 技術(shù)可以克服多徑時(shí)延造成的碼間干擾和頻率性衰減，但是不能解決幅度的

5、平坦型衰落。且在水聲信道上，由于噪聲環(huán)境的影響會(huì)造成傳輸信號(hào)的比特差錯(cuò)，這都會(huì)造成通信的可靠性降低。為了改善通信質(zhì)量，在系統(tǒng)前端要開展信道編碼。卷積碼由于具有良好的糾錯(cuò)性能成為本方案的。目前，在許多通信系統(tǒng)中都有應(yīng)用，（2,1,7）碼是的使用Viterbi譯碼的標(biāo)準(zhǔn)卷積碼，具有使相關(guān)通信系統(tǒng)的誤碼率到達(dá)，且能克服相位誤差。 2.5 基于導(dǎo)頻的信道估計(jì) 由于許多信道不能直接傳送基帶信號(hào)，所以為了更好地適應(yīng)信道，大多數(shù)的實(shí)際通信系統(tǒng)都要采用調(diào)制技術(shù)。調(diào)制方式不同，對(duì)應(yīng)的解調(diào)方式也就不同。主要的解調(diào)方式有非相干方式、相干方式及差分編碼時(shí)常用的差分相干方式。采用差分相干方式和非相干方式可以防止信道估計(jì)

6、，但對(duì)于多進(jìn)制的高速水聲通信來說，開展相干方式解調(diào)時(shí)需要與發(fā)射端同頻同相的載波信息，否則不能正確解調(diào)，因此必須開展信道估計(jì)，信道估計(jì)就可以對(duì)有用的數(shù)據(jù)開展校正。本文采用塊狀導(dǎo)頻插入方式開展信道的估計(jì)。 2.6 OFDM參數(shù)選擇 在OFDM系統(tǒng)中，需要確定以下參數(shù)：保護(hù)間隔、符號(hào)周期和子載波數(shù)量。這些參數(shù)取決于所需信道的頻帶寬度、時(shí)延擴(kuò)展和要求的信息傳輸速率。一般按照以下方法確定OFDM系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù): （1）保護(hù)間隔確實(shí)定：保護(hù)間隔大于信息的時(shí)延擴(kuò)展。 （2）選擇符號(hào)周期：一般選擇符號(hào)周期長(zhǎng)度（不包含保護(hù)間隔長(zhǎng)度）為保護(hù)間隔長(zhǎng)度的4倍。 （3）子載波的數(shù)量：子載波的數(shù)量可以利用-3 dB帶寬除

7、以子載波間隔（即為去掉保護(hù)間隔后的符號(hào)周期的倒數(shù)）得到。還可以利用要求的比特速率除以每個(gè)子信道中的比特速率來確定子載波的數(shù)量。每個(gè)子信道中傳輸?shù)谋忍厮俾视烧{(diào)制類型、編碼速率以及符號(hào)速率來確定。 本文選用的OFDM參數(shù)見表1. 3 通信仿真實(shí)驗(yàn) 為了驗(yàn)證水聲OFDM 通信系統(tǒng)的性能，本文使用Matlab 7.1 軟件開展算法仿真。仿真時(shí)參數(shù)如下表1 所示。文中OFDM系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)是通過Matlab生成隨機(jī)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)0和1,首先經(jīng)過信號(hào)的編碼和交織，然后對(duì)各子載波開展基帶調(diào)制即映射，如圖3所示的星座圖，數(shù)據(jù)被分配在星座空間的固定位置處，與理論值一致。 映射后對(duì)單個(gè)的信號(hào)開展IFFT 變換，參加

8、循環(huán)前綴，這樣就生成了OFDM 符號(hào)。信號(hào)經(jīng)過多徑信道，在去掉循環(huán)前綴，并對(duì)各個(gè)符號(hào)開展FFT,接收到的數(shù)據(jù)符號(hào)的星座圖見圖4,圖4（a）和圖4（b）分別是子載波為BPSK和8QAM基帶調(diào)制時(shí)的接收星座圖。由圖可知經(jīng)過水聲信道后的信號(hào)在星座圖中的位置已經(jīng)完全改變了，則需要開展信道估計(jì)才能正確解調(diào)出原始數(shù)據(jù)。 FFT變換后，星座圖已經(jīng)完全發(fā)生變化，數(shù)據(jù)不能在星座圖中的準(zhǔn)確位置處，因此要對(duì)數(shù)據(jù)開展信道估計(jì)，圖5是信號(hào)經(jīng)過信道估計(jì)后的星座圖，圖5（a）和圖5（b）分別為為BPSK和8QAM下的信道估計(jì)后的星座圖。 圖6是OFDM系統(tǒng)在8QAM基帶調(diào)制下的誤碼率曲線與單載波在8QAM調(diào)制下的誤碼率曲線

9、比較圖，由圖可知在單載波調(diào)制下誤碼率很高，信號(hào)通過水聲信道的多徑干擾等影響后接收到的信號(hào)的錯(cuò)誤率偏高，而在OFDM通信系統(tǒng)下誤碼率明顯降低，這就可說明OFDM系統(tǒng)具有明顯的抗多徑干擾性能，在增加信噪比后誤碼率會(huì)明顯下降，而單載波系統(tǒng)在增加信噪比時(shí)，誤碼率也不會(huì)降低，可見OFDM系統(tǒng)比單載波系統(tǒng)有明顯的抗多徑干擾的優(yōu)勢(shì)。 子載波解調(diào)后，開展解解交織解碼，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，通信誤碼率如圖7所示。圖7（a）為BPSK調(diào)制方式下的誤碼率，圖7（b）為8QAM 調(diào)制方式下的誤碼率曲線，可以知道BPSK方式下的誤碼率要比8QAM調(diào)制方式下的誤碼率要低。則驗(yàn)證了當(dāng)需要可靠傳輸性能時(shí)選用BPSK調(diào)制方式，而當(dāng)需要高速率時(shí)選用頻譜利用率較高的8QAM調(diào)制方式。 4 結(jié)論 OFDM 是一種適合于多