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基于同步导频复用技术的OFDM水声通信

更新时间 2011-9-15 9:25:57 点击数:

    陈 阳1 张艺朦1 陈 凯1,2 赵安邦1(1哈尔滨工程大学水声技术重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;
    2广东湛江91388部队,广东湛江524022)摘要 针对正交频分复用水声通信中,为实时同步和多普勒补偿而频繁加入辅助数据使通信速率降低的问题,通过设置导频的相位和幅度,把导频转变为首尾相位连续的线性调频信号,该方法使同步与导频复用,同时可以进行多普勒估计,从而节省了额外加入线性调频信号所占用的时间.湖上试验结果表明:系统通信速率为0.25 bit/(s·Hz),未经纠错编码的最低误码率为2.68%,验证了该方法的可行性和有效性.
     关键词 水声通信;正交频分复用(OFDM);同步导频复用;线性调频信号;通信速率
    水声信道十分复杂,其多径干扰严重、时变快和频带窄等特征限制了水声通信的可靠性.正交频分复用(OFDM)[1-2]由于抗多径干扰的能力强,传输速率高,在水声通信中受到越来越多的关注[3-4].同步技术是保证OFDM通信系统可靠传输的前提.基于数据辅助的算法由于计算量小而且精度较高,适用于实时性和可靠性要求较高的系统,是通信中常用的算法.在水声通信中,定时同步通常将线性调频信号作为训练序列[3],利用线性调频信号的相关来估计接收信号的长度,对比收发信号的长度可以得到多普勒系数,然后通过时域插值进行多普勒补偿.基于导频的信道估计具有复杂度低和时延小等特点,被广泛应用于OFDM系统.通常的块状导频结构[5-7]是将连续多个符号分组,每组中的第一个符号为导频信号,其余的符号为数据信息,导频符号将所有的频率覆盖,因而可以有效对抗频率选择性衰落.由于水声信道的快衰落,同时发射端和接收端的运动存在任意性,使信道的多途和多普勒效应也可能是快速时变的,为了保证实时帧同步检测和多普勒补偿,以准确解调信号,通常发射信号会频繁地加入同步训练序列和导频符号,但是这种结构降低了数据传输效率.本研究提出将线性调频信号转变为首尾相位连续的形式,既作为同步训练序列又作为导频符号,这样可以进行同步检测及信道估计,从而提高了通信效率.
    1 理论分析
    1.1 OFDM基本原理OFDM是一种特殊的多载波传输方案,系统中各个子信道的载波相互正交,子载波频谱相互重叠,在提高频谱利用率的同时还减少了子载波间的相互干扰.它是通过串并变换将高速的数据分解成很多低速的子数据流,使多个子载波并行传输,虽然信道具有频率选择性,但是每个子载波可看作一个平坦衰落的子信道,这也提高了系统抗多径衰落等恶劣条件的性能.由于调制和解调方式用快速傅里叶反变换(IFFT)和快速傅里叶变换(FFT),因此系统的实现比较简单.
    OFDM中的关键技术有同步、信道估计和降低峰均功率等.为了防止因多径传输导致的正交性的破坏,在每个OFDM符号前加入循环前缀,只要多径时延不超过保护间隔,就可以保证正交性不被破坏,进一步消除载波间干扰.由于水声信道的时变性,导致接收的信号的幅度、频率和相位失真,因此为了准确解调出信号,必须对接收的信号进行信道估计.
    1.2 同步与导频复用
    水声信道中,多径效应导致信号不会在一条固定的直达波通道中传播,而多普勒效应导致信号时间上的伸缩,因此选择合适的信号进行定时同步和多普勒估计是信息可靠传输的前提.文献[8]提出利用线性调频信号做定时同步和多普勒估计,利用此方法进行时间同步和多普勒估计简单而稳健,但是额外的辅助信号降低了通信效率,且信号多普勒变化越快,加入线性调频辅助信号越频繁,通信效率就越低.OFDM系统中通常采用相干解调,只有进行信道估计[9-10],才能准确解调信号.块状导频结构不仅可以有效对抗频率选择性衰落,而且复杂度低、时延小.结合块状导频的信道均衡与文献[11]中的定时同步和多普勒估计方法,OFDM帧结构通常是在帧的首尾加入同步训练序列,然后是导频和码元依次排列,但是为实时地定时同步和多普勒估计以及信道估计,系统中须要多次加入同步训练序列和导频符号.为此提出将导频与同步复用,设置导频的幅度和相位使之成为首尾连续的线性调频信号,或者用首尾连续的线性调频信号作导频,结构变为同步导频复用部分与码元依次排列,这样就可以减少因同步所占用的时间,提高系统的通信效率.下面讨论如何将同步和导频复用.
    线性调频脉冲信号的时间函数表示为s(t) =Aexp[j(2πf0t+πkt2)]   (t∈[0,T]);
    0  (其他),
    (1)式中:f0为起始频率;k为频率变化率,k=B/T,B为信号的带宽,T为信号的持续时间.
    图1为线性调频信号的频谱图,可以看出线性调频信号的频谱大致是一个矩形.信道估计中的导频符号要求与发射符号功率相同,因此考虑利用频带内的频点作导频.为了消除多径造成的子信道间的干扰,避免子载波间的正交性遭到破坏,OFDM系统须要加入循环前缀,这就要求导频符号的相位也必须是连续的.
    图1 线性调频信号的频谱图
    线性调频信号的瞬时相位表示为φ(t) =2πf0t+πkt2 (t∈[0,T]). (2)  要使加循环前缀后的线性调频信号相位连续,就要寻找一个k′值不但能保证k′≈k,而且在时间[0,T]中线性调频信号的相位是2π的整数倍,如下式所示:φ(T) =2πf0T+πk′T2=2πm(m =0,1,…). (3)解式(3)得到·81·k′(m) =2(m-f0T)/T2. (4)  在非负整数中寻找1个m值,使得k′(m)最接近k.通过设置k′,使线性调频信号的相位在时间[0,T]内是2π的整数倍,即相位首尾连续.
    同步与导频复用就是将线性调频信号的频域视作导频符号,时域视作同步训练序列.具体作法是:先设置线性调频信号的持续时间是码元长度,并且与OFDM信号同频带,然后进行FFT变换,这样线性调频信号在频带内各个频点的频谱与OFDM信号子载波位置相对应,由于其在频带内幅度大致相同,因此可作为导频符号使用.当进行IFFT调制时,导频符号又可以恢复成时域的线性调频信号,当接收时可以用于帧同步检测以及多普勒补偿.这样,线性调频信号经过首尾相位连续的转变后,即可以作为导频符号.
    2 仿真与试验分析
    这里比较同步导频复用与同步导频未复用的2种码元结构的误码率在相同信道条件下使信噪比变化的情况.系统采用QPSK调制方式,采样频率48 kHz,带宽4~8 kHz,341个子载波,5个数据符号,循环前缀41.7 ms,码元长度85.3 ms.
    采用同步未与导频复用的码元结构中,为了测量多普勒信号而在一帧信号首尾插入的线性调频信号的带宽为4~8 kHz,长度为85.3 ms,每个信噪比统计5次.仿真中所加噪声为4~8 kHz带宽内的高斯白噪声,信道时延为25 ms,信道的冲击响应为 h(t) =1+0.8δ(t-0.005)+0.7δ(t-0.007)-0.4δ(t-0.017)+0.2δ(t-0.020)+0.1δ(t-0.025). (5)  对于M进制,同步未与导频复用的码元结构的通信速率为 NClog2M/{[2C(Tg+T)+2Tsyn]B}≈0.59(bit/(s·Hz)). (6)  同步和导频复用的通信速率为 Nlog2M/[2B(Tg+T)]≈0.67(bit/(s·Hz)), (7)式中:N为子载波数;C为1帧OFDM的数据符号个数;Tg为循环前缀的长度;Tsyn为同步信号的长度.
    图2为2种码元结构的误码率对比图(图中:γ为误码率;R为信噪比),可以看出:采用同步导频复用的码元结构误码率几乎不变,但是通信速率却有所提高.从通信速率公式可以看出:每帧的数据符号越少,此种码元结构的通信速率越高,但是随着符号的增多,2种结构的

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