OFDM水聲通信系統(tǒng)相關(guān)問題研究.pdf

1、水聲信道的多徑時延會引起嚴(yán)重的碼間干擾；水聲信道的窄帶寬、快速時變性及水下通信設(shè)備和水介質(zhì)的相對運(yùn)動等因素會產(chǎn)生明顯的多普勒效應(yīng)；水聲信道的介質(zhì)構(gòu)成、水體運(yùn)動形式及水下環(huán)境的復(fù)雜性等因素會造成大的水下噪聲。水聲信道的上述特點(diǎn)最終導(dǎo)致了水聲信號的嚴(yán)重失真和快速衰減。因此如何解決水聲通信系統(tǒng)中與多徑現(xiàn)象、多普勒效應(yīng)及水下噪聲相關(guān)的問題，已成為水聲通信領(lǐng)域所面臨的重要課題。
　　正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)是一種多載波并行傳輸技術(shù)，由于

2、其不但具有良好的抗多徑性能和高的頻譜利用率，而且可以根據(jù)信道條件對子載波進(jìn)行靈活調(diào)制及功率分配，因而已被廣泛應(yīng)用于陸上無線電磁通信和水聲通信系統(tǒng)中。與陸上無線電磁通信相比較，將OFDM技術(shù)應(yīng)用于水聲通信系統(tǒng)中會出現(xiàn)更為嚴(yán)重的問題。首先，OFDM信號容易出現(xiàn)高的峰均比（PAPR），這更加不利于水下無線低功率通信設(shè)備的正常使用；第二，OFDM系統(tǒng)對于載波頻率偏移非常敏感，而水聲信道中顯著的多普勒效應(yīng)更容易導(dǎo)致這種頻偏；另外，由于水聲信道的時

3、變特性和高噪聲，要求 OFDM系統(tǒng)在進(jìn)行相干解調(diào)時，信道估計器不但要有更好的信道跟蹤能力以滿足系統(tǒng)實時性的要求，而且還要有更強(qiáng)的抗噪聲能力。因此，解決高峰均比、多普勒頻移及信道估計等相關(guān)問題是OFDM水聲通信系統(tǒng)所面臨的重要任務(wù)。
　　本文結(jié)合水聲信道和水聲通信設(shè)備的特點(diǎn)，針對OFDM水聲通信系統(tǒng)中出現(xiàn)的高峰均比、多普勒頻移及信道估計等相關(guān)問題作了進(jìn)一步的研究，以提高水聲通信系統(tǒng)的高速實時處理性能為目標(biāo)，提出了創(chuàng)新算法，并通過理論

4、分析和計算機(jī)仿真驗證分析了這些算法的性能。論文的主要研究工作包括以下四部分：
　　首先，分別從帶寬、噪聲、多徑及多普勒效應(yīng)等方面分析介紹了水聲信道的特性；再針對上述特性對水聲信道進(jìn)行了建模和仿真；最后概括了OFDM水聲通信系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了信號的峰均比、多普勒頻移及信道估計等三個與OFDM水聲通信系統(tǒng)密切相關(guān)的問題。
　　其次，考慮到水下無線通信設(shè)備的低功率特點(diǎn)，在傳統(tǒng)限幅算法的基礎(chǔ)上，針對限幅噪聲問題對OFDM水聲通信

5、系統(tǒng)的峰均比進(jìn)行了研究，提出了一種計算復(fù)雜度較低的降低限幅噪聲的新算法。該算法對超過限幅門限的數(shù)據(jù)采用分段式的不同的限幅幅度，再用限幅記錄保存這一處理結(jié)果，然后接收端可以利用這一記錄恢復(fù)相應(yīng)數(shù)據(jù)的原始幅度。從而大幅降低限幅噪聲對于系統(tǒng)性能的影響。理論分析和仿真結(jié)果均表明，這種限幅算法在較低誤碼率的前提下能夠有效提升水聲發(fā)射機(jī)功率放大器的工作效率。
　　第三，針對OFDM水聲通信系統(tǒng)對于多普勒頻移敏感的問題，從多普勒因子（DSF）估

6、計、采樣率轉(zhuǎn)換及載波頻移(CFO)估計三方面提出了一種多普勒頻移估計和補(bǔ)償?shù)男滤惴?。首先在接收端對接收?shù)據(jù)進(jìn)行過采樣，然后利用線性調(diào)頻信號估計出多普勒因子的初值；再利用上述過采樣數(shù)據(jù)結(jié)合多普勒因子的估計初值，通過線性插值的方法進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換；最后根據(jù)系統(tǒng)精度要求，以上述多普勒因子估計初值作為中心數(shù)據(jù)，列出若干多普勒因子的候選值，結(jié)合空載波能量代價函數(shù)對多普勒因子進(jìn)行快速搜索實現(xiàn)二次估計，以完成由多普勒效應(yīng)引起的載波頻移(CFO)的估計。

7、通過理論及計算機(jī)仿真對新算法的性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該算法和傳統(tǒng)的多普勒頻移估計及補(bǔ)償算法相比具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度，能夠有效改善OFDM水聲通信系統(tǒng)的多普勒頻移問題。
　　最后，結(jié)合水聲信道的快速時變性和高噪聲特性，針對頻域最小二乘（LS）信道估計算法(性能受噪聲影響大)和離散傅立葉變換（DFT）算法（性能受空載波影響大）各自的誤差問題，提出了一種LS-DFT聯(lián)合信道估計新算法。首先在頻域?qū)?dǎo)頻子載波進(jìn)行LS信道估計，再通過DF