一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)是水聲高速通信的研究熱點(diǎn)，針對(duì)高速實(shí)時(shí)水聲移動(dòng)通信需求，設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)幀體兩部分，前導(dǎo)序列采用恒包絡(luò)零自相關(guān)(CAZAC)序列，數(shù)據(jù)幀體采用循環(huán)前綴OFDM(CP-OFDM)結(jié)構(gòu)，每個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)含梳狀導(dǎo)頻和空載波。該系統(tǒng)利用前導(dǎo)序列估計(jì)多普勒因子，利用空載波估計(jì)載波頻率偏差(CFO)，利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)�；贛atlab搭建了仿真系統(tǒng)，對(duì)多普勒估計(jì)與補(bǔ)償效果和系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。
1 概述
由于水聲信道的復(fù)雜時(shí)變性，高速、高可靠的水聲通信成為巨大挑戰(zhàn)。正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)具有頻帶利用率高和抗多徑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，基于OFDM的水聲通信系統(tǒng)研究得到廣泛關(guān)注[1]。針對(duì)水聲通信中存在的強(qiáng)多普勒及強(qiáng)多徑問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出了一種基于前后同步信號(hào)的水聲OFDM通信系統(tǒng)，利用塊估計(jì)法進(jìn)行多普勒估計(jì)與補(bǔ)償，利用空載波估計(jì)多普勒頻偏，利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)與均衡，淺海實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)在存在較大相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)仍具有較好的性能，該方案需要接收整個(gè)數(shù)據(jù)幀才能進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理，不利于實(shí)時(shí)通信且計(jì)算量較大。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，利用前導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀檢測(cè)、同步及多普勒估計(jì)，該方案不需要緩存整個(gè)數(shù)據(jù)幀，提高了水聲通信的實(shí)時(shí)性。
恒包絡(luò)零自相關(guān)(CAZAC)序列具有幅值恒定、較低峰均比、理想的周期自相關(guān)特性及互相關(guān)特性、傅里葉正反變換后仍為CAZAC序列等特點(diǎn)，是無(wú)線通信中性能優(yōu)良的相關(guān)檢測(cè)用正交序列[4]。
本文針對(duì)高速實(shí)時(shí)水聲移動(dòng)通信需求，將CAZAC序列引入水聲通信，設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)序列和數(shù)據(jù)幀體兩部分，前導(dǎo)序列采用恒包絡(luò)零自相關(guān)(CAZAC)序列，數(shù)據(jù)幀體采用循環(huán)前綴OFDM(CP-OFDM)結(jié)構(gòu)，每個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)含梳狀導(dǎo)頻和空載波。利用前導(dǎo)序列同步數(shù)據(jù)幀和估計(jì)多普勒因子，有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;利用空載波估計(jì)載波頻率偏差(CFO)，以進(jìn)一步提高多普勒補(bǔ)償效果;利用梳狀導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)�；贛atlab搭建了仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信道編碼后采用QPSK調(diào)制，串并轉(zhuǎn)換操作中插入用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻符號(hào)和用于頻偏估計(jì)及頻譜成型的空載波，經(jīng)IFFT、并串轉(zhuǎn)換后，利用一定長(zhǎng)度的循環(huán)前綴(CP)填充保護(hù)間隔以減少OFDM符號(hào)間干擾(ISI)，與前導(dǎo)序列組成完整的信號(hào)幀，經(jīng)過(guò)上變頻完成載波頻帶調(diào)制通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換發(fā)射到水聲信道。接收端A/D采集到的信號(hào)先經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)幀同步、多普勒因子估計(jì)，根據(jù)估計(jì)的多普勒因子重采樣后經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)，利用載波頻偏估計(jì)消除載波頻移殘差，經(jīng)過(guò)去除循環(huán)前綴、串并轉(zhuǎn)換、FFT及信道估計(jì)和信道均衡，通過(guò)并串轉(zhuǎn)換、QPSK解調(diào)、信道譯碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。信道編碼模塊采用低密度校驗(yàn)碼(LDPC)。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，由一個(gè)前導(dǎo)序列和若干個(gè)OFDM符號(hào)組成。前導(dǎo)序列采用CAZAC序列實(shí)現(xiàn)，利用CAZAC序列良好的自相關(guān)特性可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的檢測(cè)、同步，根據(jù)特殊設(shè)計(jì)的前導(dǎo)序列結(jié)構(gòu)可估計(jì)多普勒因子。OFDM符號(hào)采用CP-OFDM結(jié)構(gòu)，OFDM符號(hào)包括有效數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻和空載波，利用導(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，利用空載波進(jìn)行頻偏估計(jì)及頻譜成型。
利用估計(jì)的[Hp]結(jié)合插值方法可求取其它子載波位置的信道頻域響應(yīng)。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(yīng)估計(jì)值含有噪聲誤差，當(dāng)采用高階的插值法時(shí)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(shí)算法的復(fù)雜度增大且估計(jì)效果不再提升[5]，本文插值方法采用Spline插值法。通過(guò)插值得到所有子載波位置的信道估計(jì)值，并利用估計(jì)值進(jìn)行信道均衡。
3仿真結(jié)果分析
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的水聲OFDM通信系統(tǒng)的'性能，基于Matlab搭建了仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真研究，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。
除主要系統(tǒng)參數(shù)，其他系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包含8個(gè)OFDM符號(hào);用于CFO估計(jì)的空載波采用隨機(jī)插入方式，用于頻譜成型的空載波放置在OFDM子載波兩側(cè);前導(dǎo)序列采用長(zhǎng)度為512的CAZAC序列，IFFT變換后的前導(dǎo)序列長(zhǎng)度為1024，占用一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度。
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的多普勒補(bǔ)償?shù)男Ч�，假設(shè)水聲信道中只存在主徑和加性高斯白噪聲，接收端進(jìn)行信道估計(jì)與均衡，其中水聲信道SNR為10dB，收發(fā)雙方相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度[v]=5m/s。多普勒補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的星座圖分別如圖4和圖5所示。圖4可以看出，沒(méi)有多普勒補(bǔ)償?shù)腝PSK相位十分模糊且幅值嚴(yán)重失真，這是由于多普勒效應(yīng)破壞了OFDM子載波之間的正交性，導(dǎo)致解調(diào)失敗;圖5 為經(jīng)過(guò)重采樣及CFO補(bǔ)償后的星座圖，相位和幅值明顯收斂，數(shù)據(jù)符號(hào)得以正確解調(diào)，證明了多普勒補(bǔ)償算法的有效性。
系統(tǒng)誤碼性能仿真結(jié)果如圖6所示。仿真條件為：路徑數(shù)為7，每條路徑衰減系數(shù)分別為1、0.8、-0.5、0.6、0.3、-0.2、0.15且初始時(shí)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(duì)信道影響進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償;假設(shè)收發(fā)雙方相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為[v]=5m/s;LDPC譯碼迭代6次;仿真1000個(gè)數(shù)據(jù)幀信號(hào)。分別仿真研究了未經(jīng)CFO補(bǔ)償和經(jīng)過(guò)CFO補(bǔ)償?shù)恼`碼率性能。從仿真結(jié)果可以看出，LDPC碼具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，系統(tǒng)性能得到明顯提升;進(jìn)行CFO補(bǔ)償后的系統(tǒng)性能較優(yōu)，當(dāng)采用LDPC編碼且誤碼率為[10-5]數(shù)量級(jí)時(shí)，CFO補(bǔ)償后較補(bǔ)償前可以獲得約2dB的性能增益。
4結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于前導(dǎo)序列的水聲OFDM通信系統(tǒng)架構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于CAZAC序列的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，建立分析了OFDM信號(hào)及水聲信道對(duì)其影響的模型，針對(duì)水聲信道中存在的多普勒、多徑效應(yīng)等問(wèn)題，給出了相應(yīng)的多普勒補(bǔ)償和信道均衡解決方案。仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的方法可以有效地補(bǔ)償水聲信道中存在的多普勒及多徑時(shí)延拓展對(duì)接收信號(hào)的影響，初步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的水聲OFDM通信系統(tǒng)的有效性。
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