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一種基于前導序列的水聲OFDM通信系統設計論文
正交頻分復用技術(OFDM)是水聲高速通信的研究熱點，針對高速實時水聲移動通信需求，設計了一種基于前導序列的水聲OFDM通信系統，系統數據幀結構包括前導序列和數據幀體兩部分，前導序列采用恒包絡零自相關(CAZAC)序列，數據幀體采用循環前綴OFDM(CP-OFDM)結構，每個OFDM符號內含梳狀導頻和空載波。該系統利用前導序列估計多普勒因子，利用空載波估計載波頻率偏差(CFO)，利用梳狀導頻進行信道估計。基于Matlab搭建了仿真系統，對多普勒估計與補償效果和系統誤碼率進行了仿真研究，仿真結果表明了所設計系統的有效性。
1 概述
由于水聲信道的復雜時變性，高速、高可靠的水聲通信成為巨大挑戰。正交頻分復用技術(OFDM)具有頻帶利用率高和抗多徑能力強等優點，基于OFDM的水聲通信系統研究得到廣泛關注[1]。針對水聲通信中存在的強多普勒及強多徑問題，文獻[2]提出了一種基于前后同步信號的水聲OFDM通信系統，利用塊估計法進行多普勒估計與補償，利用空載波估計多普勒頻偏，利用梳狀導頻進行信道估計與均衡，淺海實驗表明系統在存在較大相對運動速度時仍具有較好的性能，該方案需要接收整個數據幀才能進行后續信號處理，不利于實時通信且計算量較大。文獻[3]提出了一種基于前導序列的水聲OFDM通信系統，利用前導序列實現數據幀檢測、同步及多普勒估計，該方案不需要緩存整個數據幀，提高了水聲通信的實時性。
恒包絡零自相關(CAZAC)序列具有幅值恒定、較低峰均比、理想的周期自相關特性及互相關特性、傅里葉正反變換后仍為CAZAC序列等特點，是無線通信中性能優良的相關檢測用正交序列[4]。
本文針對高速實時水聲移動通信需求，將CAZAC序列引入水聲通信，設計了一種基于前導序列的水聲OFDM通信系統，系統數據幀結構包括前導序列和數據幀體兩部分，前導序列采用恒包絡零自相關(CAZAC)序列，數據幀體采用循環前綴OFDM(CP-OFDM)結構，每個OFDM符號內含梳狀導頻和空載波。利用前導序列同步數據幀和估計多普勒因子，有效提高系統的實時性;利用空載波估計載波頻率偏差(CFO)，以進一步提高多普勒補償效果;利用梳狀導頻進行信道估計。基于Matlab搭建了仿真系統，仿真結果表明了所設計系統的有效性。
2 系統設計
基于前導序列的水聲OFDM系統架構如圖1所示。發送數據經過信道編碼后采用QPSK調制，串并轉換操作中插入用于信道估計的導頻符號和用于頻偏估計及頻譜成型的空載波，經IFFT、并串轉換后，利用一定長度的循環前綴(CP)填充保護間隔以減少OFDM符號間干擾(ISI)，與前導序列組成完整的信號幀，經過上變頻完成載波頻帶調制通過D/A轉換發射到水聲信道。接收端A/D采集到的信號先經過數據幀同步、多普勒因子估計，根據估計的多普勒因子重采樣后經下變頻轉換成基帶信號，利用載波頻偏估計消除載波頻移殘差，經過去除循環前綴、串并轉換、FFT及信道估計和信道均衡，通過并串轉換、QPSK解調、信道譯碼恢復出原始數據信息。信道編碼模塊采用低密度校驗碼(LDPC)。
系統數據幀結構如圖2所示，由一個前導序列和若干個OFDM符號組成。前導序列采用CAZAC序列實現，利用CAZAC序列良好的自相關特性可以實現數據幀的檢測、同步，根據特殊設計的前導序列結構可估計多普勒因子。OFDM符號采用CP-OFDM結構，OFDM符號包括有效數據、導頻和空載波，利用導頻符號進行信道估計，利用空載波進行頻偏估計及頻譜成型。
利用估計的[Hp]結合插值方法可求取其它子載波位置的信道頻域響應。常用的插值方法有最近鄰插值法、線性插值法、三次樣條插值法(Spline)、二階插值法等，由式(19)可知信道頻域響應估計值含有噪聲誤差，當采用高階的插值法時可有效降低由插值方法引入的噪聲門限，但是采用更高階的插值方法時算法的復雜度增大且估計效果不再提升[5]，本文插值方法采用Spline插值法。通過插值得到所有子載波位置的信道估計值，并利用估計值進行信道均衡。
3仿真結果分析
為了驗證所設計的水聲OFDM通信系統的性能，基于Matlab搭建了仿真系統，進行了仿真研究，系統主要參數如表1所示。
除主要系統參數，其他系統仿真參數設置為：數據幀結構包含8個OFDM符號;用于CFO估計的空載波采用隨機插入方式，用于頻譜成型的空載波放置在OFDM子載波兩側;前導序列采用長度為512的CAZAC序列，IFFT變換后的前導序列長度為1024，占用一個OFDM符號長度。
為了驗證系統的多普勒補償的效果，假設水聲信道中只存在主徑和加性高斯白噪聲，接收端進行信道估計與均衡，其中水聲信道SNR為10dB，收發雙方相對運動速度[v]=5m/s。多普勒補償前與補償后的星座圖分別如圖4和圖5所示。圖4可以看出，沒有多普勒補償的QPSK相位十分模糊且幅值嚴重失真，這是由于多普勒效應破壞了OFDM子載波之間的正交性，導致解調失敗;圖5 為經過重采樣及CFO補償后的星座圖，相位和幅值明顯收斂，數據符號得以正確解調，證明了多普勒補償算法的有效性。
系統誤碼性能仿真結果如圖6所示。仿真條件為：路徑數為7，每條路徑衰減系數分別為1、0.8、-0.5、0.6、0.3、-0.2、0.15且初始時延為0、3.12、5.42、8.54、15.6、18.75、21.04ms;噪聲為加性高斯白噪聲，對信道影響進行估計并補償;假設收發雙方相對運動速度為[v]=5m/s;LDPC譯碼迭代6次;仿真1000個數據幀信號。分別仿真研究了未經CFO補償和經過CFO補償的誤碼率性能。從仿真結果可以看出，LDPC碼具有較強的糾錯能力，系統性能得到明顯提升;進行CFO補償后的系統性能較優，當采用LDPC編碼且誤碼率為[10-5]數量級時，CFO補償后較補償前可以獲得約2dB的性能增益。
4結論
本文設計了一種基于前導序列的水聲OFDM通信系統架構，并根據系統架構設計了一種基于CAZAC序列的數據幀結構，建立分析了OFDM信號及水聲信道對其影響的模型，針對水聲信道中存在的多普勒、多徑效應等問題，給出了相應的多普勒補償和信道均衡解決方案。仿真結果表明，本文所設計的方法可以有效地補償水聲信道中存在的多普勒及多徑時延拓展對接收信號的影響，初步驗證了所設計的水聲OFDM通信系統的有效性。
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