正交频分复用（ＯＦＤＭ）在水声通信中的应用

摘要：本文介绍了正交频分复用(OFDM)技术的基本原理，介绍了水声通信的历史，水声通信的发展特点。讨论了OFDM系统在水声系统实现方法，分析了水声正交频分复用的调制和解调过程，并简要分析了OFDM水声通信系统的性能特点。

关键词：正交频分复用（OFDM）；水声通信；调制；解调

1引言

在水声通信中，随着探潜区域从沿海大陆架延伸到深水区，以及探潜距离和精度的提高，要求水声数据传输的传输距离更远，传输速率更高，传输误码率更低。同时水下武器系统的日益智能化，要求对其进行相应的指挥控制。对水下航行器和探测器进行监测和导航，以及对潜通信等使得水下通信技术的研究得到人们的高度重视，水声通信技术的重要性也日益突出。与此同时，其他领域的技术，尤其是电信、电子以及计算机技术的飞速发展给水声通信的研究提供了强大的技术支持并极大的促进了水声通信的发展。近10多年来，水声通信发生了深刻的变化。其研究手段和实现方法发生了根本的变化。

在水声通信系统中，如何高速和可靠地传输信息成为人们关注的一个焦点。虽然现在数据传输理论和实践已经取得了相当大的进展，但是随着通信的发展，特别是无线通信业务的增长，可以利用的频率资源日趋紧张。OFDM调制技术的出现为实现高效的抗干扰调制技术和提高频带利用率开辟了一条的新路径。OFDM调制技术的应用可以追溯到二十世纪60年代，主要用于军用的高频通信系统，也曾被考虑应用于高速调制解调器。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频和视频领域和民用通信系统中，主要的应用包括：非对称的数字用户环路（ADSL）、ETSI标准的数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、高清晰度电视(HDTV)、无线局域网（ WLAN）等。

2OFDM基本原理

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，该技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。这种并行传输体制大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接受滤波器，这样就大大增加了系统的复杂度和成本。同时，为了减小各个子载波间的相互串扰，各子载波间必须保持足够的频率间隔，这样会降低系统的频率利用率。而现代OFDM系统采用数字信号处理技术，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法完成，极大地简化了系统的结构。同时为了提高频谱利用率，使各子载波上的频谱相互重叠（如图1所示），但这些频谱在整个符号周期内满足正交性，从而保证接收端能够不失真地复原信号。

当传输信道中出现多径传播时，接收子载波间的正交性就会被破坏，使得每个子载波上的前后传输符号间以及各个子载波间发生相互干扰。为解决这个问题，在每个OFDM传输信号前面插入一个保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展得到的。只要多径时延不超过保护间隔，子载波间的正交性就不会被破坏。

3OFDM系统在水声通信中的实现

水声信道是一个十分复杂的时-空-频变信道，其主要特征是复杂性、多变性、强多途和有限带宽。声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多径效应的存在造成接收信号的畸变和严重的码间干扰，给水声通信系统的设计带来了巨大的困难，信道中的相位起伏使得载波恢复和相干解调变得十分困难。在常用的高速水声通信技术中，采用相位相干(PSK/QAM)调制要面对信道起伏时的相干解调问题，而且要适应收发端相对运动所带来的多普勒频移。OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高的高速传输系统，引起人们广泛关注。

由上面的原理分析可知，若要实现OFDM，需要利用一组正交的信号作为子载波。我们再以码元周期为T的不归零方波作为基带码型，经调制器调制后送入信道传输。

OFDM调制器如图2所示。要发送的串行二进制数据经过数据编码器形成了M个复数序列，此复数序列经过串并变换器变换后得到码元周期为T的M路并行码，码型选用不归零方波。用这M路并行码调制M个子载波来实现频分复用。

在接收端也是由这样一组正交信号在一个码元周期内分别与发送信号进行相关运算实现解调，恢复出原始信号。OFDM解调器如图3所示。

然而上述方法所需设备非常复杂，当M很大时，需要大量的正弦波发生器，滤波器，调制器和解调器等设备，因此系统非常昂贵。为了降低OFDM系统的复杂度和成本，我们考虑用离散傅立叶变换（DFT）和反变换（IDFT）来实现上述功能。如果在发送端对D(m)做IDFT，把结果经信道发送到接收端，然后对接收到的信号再做DFT，取其实部，则可以不失真地恢复出原始信号D(m)。这样就可以利用离散傅立叶变换来实现OFDM信号的调制和解调。实现框图如图4和图5所示。用DFT和IDFT实现的OFDM系统，大大降低了系统的复杂度，减小了系统成本，为OFDM的广泛应用奠定了基础。

在水声通信中，OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，和改进对多载波的调制，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

通过各个子载波的联合编码，OFDM具有很强的抗衰落能力，同时也有很强的抗窄带干扰能力，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。OFDM系统可以有效地抗信号波形间干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM信道利用率高，这点在频谱资源有限的无线环境中尤其重要。

但是OFDM存在两个缺陷：对频率偏移和相位噪声比较敏感；峰值与平均值比相对较大，这个比值变大会降低射频发射器的功率效率。

5结束语

本文较详细地叙述了OFDM技术的基本原理，在 水声通信系统 中的实现和它的性能特点。OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。现在OFDM技术在水声系统中得到了广泛应用，预计第三代以后的水声通信的主流技术将是OFDM技术。

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