水声扩频通信中OFDM技术应用 郭中源
认知水声通信系统中OFDM技术的应用
网络通信在水下想要采取远程信息传输工作，水声信道是仅能够采用的物质媒介。
其不具备电磁波的大气介质拥有很多的信息通道，而且能够采用的频率范围也不大，在水下所进行的远距离传输，所形成的水声信号会保持在10kHz左右，就算是没有那么严格的要求，水声通道能够使用的频率也不会大于50kHz。
另外，水声通道还属于界面不平整的介质通道，如果要是遭到反射干扰的话，那么就会让能量受到损耗。
近年来，水声通道得到了一定程度的发展，而且很多的技术都已经运用到了水声通信系统里，因此让此系统得到了更好地完善。
那么下面我们就来具体地讨论相关话题。
1.认知水声系统概述认知水声系统所采用的频率和无线电所采用的频率相比还是存在明显的不同。
前者在频率的选择上显得更差，声信号在穿过水声通道以后，让每个频点都能够受到一定的幅度衰减，而之间所存在的“通道”以及“止带”，就如同“梳状滤波器”。
在水声通信期间，要尽可能的防止往止带里传送信息，这样就能够加强信息传递的质量。
认知水声通信系统里不但能够把幅值降低、将通信效果差的频段当作成止带，而且也能够将打扰使用者工作的频带也视作为认知用户的信道止带。
另外，通信频道不允许占据其余设备的频率。
认知水声通信系统一定要随时掌握水下的具体情况，并做好信道估计工作，同时还要给通信止带下一个准确的定义，另外还要让发射端以及接收端都具有很强的适应性，如此一来就能够有效的提升水声通信系统的稳定性。
利用认知水声通信系统，能够对干扰用户的程度进行检测，使用者可以随意在任何频段内工作，这样在加强系统性能的基础上，还能够加强频谱的运用率。
和认知无线电一样，通常把这样能够采用的频谱资源叫做“频谱空间”。
（1）水声信道认知：缓慢是水声通道的特点，而主要让认知水声通信系统能够有效的检测通信质量，同时还要检测并评价该时间内通信质量不好的频段，并了解干扰用户是不是能够出现，对水声信道止带进行有效的定义，在接下来的通信过程中不要在止带中对信息进行传送，这样一来就能够加强系统的平稳性。
水声扩频通信关键技术研究的开题报告
水声扩频通信关键技术研究的开题报告开题报告：水声扩频通信关键技术研究概述水声通信是一种在水下传输信息的技术，应用广泛。
水声扩频通信作为一种新型的水声通信技术，利用扩频技术和CDMA技术，能够克服水下信道的多径效应和信号衰减问题，提高数据传输速率和抗干扰能力。
本文旨在研究水声扩频通信技术的关键技术，提高其在水下通信中的应用性能。
研究目的1.了解当前水声扩频通信技术的研究现状和发展趋势；2.研究水声扩频通信技术中的关键技术，包括码型设计、信道编码、解调算法等内容；3.针对水下通信应用中的特殊环境，研究水声扩频通信技术的应用方法和性能优化；4.设计和验证实验，分析水声扩频通信技术的性能和可靠性。
研究内容1.水声扩频通信技术的概述，包括扩频技术、CDMA技术的基本原理，以及水声扩频通信技术的特点和优势。
2.水声扩频通信关键技术的研究，主要包括码型设计、信道编码、解调算法等方面。
码型设计：在水声扩频通信中，码型设计是一项重要的技术。
研究各种非线性码型的性能，研究码型间的相互耦合和插入损失的问题，设计一种适合水声扩频通信的码型。
信道编码：信道编码是保证数据传输可靠的关键技术。
通过研究打包和解打包技术、FEC技术、纠错码和交织技术、协同编解码和码间干扰等技术，提高水声扩频通信的编码效率和解码能力。
解调算法：水声扩频通信的解调算法不仅需要高抗干扰能力，还需要具有较高的实时性和优异的匹配性能。
通过研究最大似然跟踪算法、分音分频算法等，提高水声扩频通信的解调效率和可靠性。
3.针对水下通信的特殊环境，研究水声扩频通信技术的应用方法和性能优化。
根据水下信道的特点，研究水声扩频通信技术的应用方法和性能优化。
如快速信道估计算法、信道均衡算法等。
4.设计水声扩频通信系统的实验，验证上述新技术的可行性和有效性。
研究意义通过本研究，可以提高水声扩频通信技术的可靠性和性能，为水下通信提供更加高效的数据传输方案。
同时，本研究还可以为其他无线通信技术提供参考，如移动通信、WiFi等。
水声通讯中OFDM调制技术研究
水声通讯中OFDM调制技术研究水声通信是一种利用水环境传输信息的技术，适用于水下数据传输、声呐测距、地震勘探等领域。
由于水中信道受多种复杂因素影响，如多径传播、海水吸收、表面反射等，传统的基于单载波调制的水声通信难以满足高速、高质量、深度的信息传输需求。
OFDM（正交频分复用）调制技术作为一种多载波调制技术，通过将传输信号分成多个小块，在不同的载波上同时传输，具有抗干扰能力强、传输速率快、频谱利用率高等优点，因此成为水声通信领域的研究热点。
一、OFDM调制技术的基本原理OFDM技术将传输带宽分为若干个子载波，每个子载波之间正交，可以实现不同子载波的并行传输。
具体地，将要传输的数据以一定速率进行调制后发送到n个正交子载波上，符号时间为子信道的长度，可以方便地设计接收滤波器。
同时，OFDM系统还引入了循环频率前缀（Cyclic Prefix，CP）技术，以保证信号之间的正交性，进一步减小系统误码率。
二、OFDM调制技术在水声通信中的优势1. 抗多径传播干扰多径传播是水下信号传输中常见的问题，会引起码间干扰和时延扩展等问题。
OFDM技术通过将数据流分成多个子载波进行传输，这些子载波在水下传播具有不同的延迟、相位和振幅，能够有效地减少多径衰落效应，提高码间抗干扰能力。
2. 高速传输基于OFDM调制技术的水声通信系统能够实现高速数据传输，因为子载波之间具有正交性而不会相互干扰，通过合理设计带宽、子载波个数以及信道编码等便可提高传输速率。
3. 增大频谱利用率水下信道的带宽有限，而随着水声通信的广泛应用，频谱资源变得越发稀缺。
OFDM技术将信道带宽分成多个子信道，通过正交子载波实现同时传输，从而实现提高频谱利用率的目的。
三、OFDM调制技术在水声通信中的应用现状OFDM技术在水声通信领域具有广泛应用前景，并已经投入到实际工程中。
例如，美国海军开发了基于OFDM的水声通信系统，采用了多通道设计和自适应调整功能，可实现1.5Mbps的高速数据传输。
OFDM水声通信中的综合多普勒补偿方法
OFDM水声通信中的综合多普勒补偿方法
崔健;黄建国
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2008(044)001
【摘要】正交频分复用(OFDM)技术已经应用于水声通信中,是一种高速传输的方法.但是OFDM的传输对于子载波正交性的要求很高,所以水声通信中存在的严重多普勒频率偏移限制了OFDM技术在水声通信中的应用.分析了适合于收发双方的多普勒估计与补偿技术,提出了综合多普勒补偿方法,即综合利用循环前缀法和利用训练序列进行多普勒估计与补偿.结合实际湖试水声信道进行实验,结果验证了该方法有效地降低了误码率,优于传统的多普勒估计与补偿方法.
【总页数】4页(P129-131,134)
【作者】崔健;黄建国
【作者单位】西北工业大学,航海学院,西安,710072;西北工业大学,航海学院,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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1.直接序列扩频水声通信中的自适应多普勒补偿方法 [J], 雷开卓;韩晶;黄建国
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矢量水听器在时反OFDM水声通信中的应用研究
矢量水听器在时反OFDM水声通信中的应用研究
谢哲;王忠康;张宏滔
【期刊名称】《声学与电子工程》
【年(卷),期】2012(000)003
【摘要】分析了波导矢量场特性，发现声压和质点振速垂直分量的相关性较低，因此在阵元数量相同的情况下，矢量水听器阵比标量水听器阵能得到更大的空间分集增益。
通过计算机仿真和真实试验，验证了OFDM通信系统中，在相同通信性能条件下，基于矢量阵的时反处理方法能减少接收阵的空间尺寸要求，适用于小尺寸平台的水声通信。
【总页数】6页(P4-8,12)
【作者】谢哲;王忠康;张宏滔
【作者单位】第七一五研究所声纳技术重点实验室,杭州,310012;第七一五研究所声纳技术重点实验室,杭州,310012;第七一五研究所声纳技术重点实验室,杭
州,310012
【正文语种】中文
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正交频分复用(OFDM)在水声通信中的应用
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。
OFDM水声通信系统中均衡及多普勒补偿的实现研究的开题报告
OFDM水声通信系统中均衡及多普勒补偿的实现研究的开题报告一、研究背景随着科学技术的不断进步，水下通信技术在军事、民用等领域中具有重要的应用价值。
OFDM水声通信系统是一种有效的水下通信技术，可以实现高速数据传输和降低码间干扰。
然而，水声传播的复杂性和随机性以及多普勒效应等因素会对OFDM水声通信系统的性能产生影响，因此需要进行均衡和多普勒补偿。
本研究旨在探究OFDM水声通信系统中的均衡及多普勒补偿技术，提高系统性能。
二、研究目的本研究的主要目的有以下几点：1、研究OFDM水声通信系统的基本原理和技术特点；2、分析水声信道的影响因素及其对OFDM系统的影响；3、探究OFDM水声通信系统中的均衡技术；4、探究OFDM水声通信系统中的多普勒补偿技术；5、通过模拟实验验证所提出的均衡及多普勒补偿技术对系统性能的提高作用。
三、研究内容1、OFDM水声通信系统的基本原理和技术特点通过对OFDM水声通信系统的基本原理和技术特点进行分析和研究，了解OFDM水声通信系统的通信特点和限制因素。
2、水声信道的影响因素及其对OFDM系统的影响分析水声信道的复杂性和随机性以及多普勒效应等因素，研究它们对OFDM水声通信系统的影响，为后续均衡和多普勒补偿技术的研究提供基础。
3、OFDM水声通信系统中的均衡技术研究OFDM水声通信系统中的均衡技术，包括线性均衡和非线性均衡等，探究它们的原理和应用方法。
4、OFDM水声通信系统中的多普勒补偿技术研究OFDM水声通信系统中的多普勒补偿技术，包括预测和反演等技术，探究它们的原理和应用方法。
5、实验验证与分析通过实验验证所提出的均衡及多普勒补偿技术对OFDM水声通信系统的性能提高作用，并分析实验结果。
四、研究意义1、对于水下通信技术的研究和应用具有一定的促进作用；2、深入探究OFDM水声通信系统中的均衡和多普勒补偿技术，提高了OFDM水声通信系统的性能；3、研究结果可为优化OFDM水声通信系统提供一定依据和指导。
基于检测域的水声OFDM_系统多普勒频偏补偿
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2023.02.002引用格式:李治,陶鹏,方银宇,等.基于检测域的水声OFDM 系统多普勒频偏补偿[J].无线电通信技术,2023,49(2):209-215.[LI Zhi,TAO Peng,FANG Yinyu,et al.Doppler Compensation of Underwater Acoustic OFDM System Based on Detection Domain [J].Radio Communications Technology,2023,49(2):209-215.]基于检测域的水声OFDM 系统多普勒频偏补偿李㊀治1,陶㊀鹏2,方银宇3,李幸群4∗,马雪飞1,5(1.西藏大学信息科学技术学院,西藏拉萨850032;2.中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064;3.广联达科技股份有限公司,陕西西安710018;4.武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;5.哈尔滨工程大学水声工程学院,黑龙江哈尔滨150006)摘㊀要:通信系统发送端和接收端之间的相对运动会使正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统子载波频率因多普勒效应而发生偏移,进而影响整个OFDM 通信系统的性能㊂针对由通信节点之间相对运动而引起的判决结果模糊问题,提出了基于检测域的频偏估计算法㊂该方法利用连续波(Continuous Wave,CW)信号,首先在频域估计出多普勒因子进行粗补,而后通过检测域的频偏估计算法进行多次迭代对信号进行细多普勒补偿㊂仿真结果表明,该方法能够很好地弥补信号中未被完全补偿的多普勒频偏,具有良好的抗多普勒引起的载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI)能力㊂最后进行了水池实验,验证了算法的可行性㊂关键词:水声通信;频偏估计;检测域;多普勒补偿中图分类号:TN929.3㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2023)02-0209-07Doppler Compensation of Underwater Acoustic OFDMSystem Based on Detection DomainLI Zhi 1,TAO Peng 2,FANG Yinyu 3,LI Xingqun 4∗,MA Xuefei 1,5(1.College of Information Science and Technology,Tibet University,Lhasa 850032,China;2.China Ship Research and Design Center,Wuhan 430064,China;3.Glodon Company Limited,Xi an 710018,China;4.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China;5.College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150006,China)Abstract :Relative motion between transmitting end and receiving end of communication system will cause sub-carrier frequency of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)system to be shifted due to Doppler effect,which will affects the performance of entire OFDM communication system.A algorithm is proposed which uses Continuous Wave (CW)signal to estimate Doppler factor in frequency domain through a time-frequency conversion method for rough compensation.And a frequency offset estimation algorithm in the detection domain is also used,where signal is subjected to fine Doppler compensation in multiple iterations in the detection domain.This method has a good ability to resist Doppler-induced Inter-Carrier Interference (ICI).Finally,algorithm simulation is carried out,and pool experiment is carried out to verify the feasibility of the algorithm.Keywords :underwater acoustic communication;frequency offset estimation;detection domain;Doppler compensation收稿日期:2023-01-10基金项目:西藏重点研发计划(XZ202101ZY0001F);中国舰船研究设计中心项目(JJ -2020-701-08);中国船舶工业系统工程研究院项目(MC00918);黑龙江省自然科学基金(LH2019A006)Foundation Item :Key Research and Development Program of Tibet(XZ202101ZY0001F);China Ship Development and Design Center (JJ -2020-701-08);China Shipbuilding Systems Engineering Research Institute (MC00918);Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China(LH2019A006)0㊀引言正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术是目前实现高速信息传输的主要技术,与无线电在陆上通信的传输相比,水声信道环境的复杂性以及时变性更加明显,在OFDM 水声通信中,也将会受到更加严重的频偏影响[1-3]㊂而OFDM信号的解调依赖于子载波正交性,对载波频偏非常敏感,因此接收端在信号解调之前必须纠正载波频偏㊂水声频偏是非一致频偏,即对不同子载波产生的频率偏移不同,难以估计出每个子载波的频率偏移并进行补偿,所以多普勒估计与补偿技术是OFDM水声通信中的关键点也是难点[4-7]㊂在常见的多普勒估计技术中,有基于模糊度函数与导频信号的时域相关类方法,有频域类测量方法,但这些方法存在估计精度不足㊁对多普勒频偏补偿力度不够等一系列问题[8-9]㊂当下分两步对多普勒进行估计与补偿的方法应用广泛[10-11],本文在基于频域多普勒因子估计算法的基础上研究基于检测域的水声OFDM频偏估计算法,首先通过频域多普勒因子估计得到D对信号进行粗补偿,而后通过在检测域内的多次迭代对信号进行细多普勒补偿[12-15]㊂本文在连续波(Continuous Wave,CW)频偏估计粗补偿的基础上,再一步对多普勒频偏补偿问题进行研究改善,相比传统分两步对多普勒进行估计与补偿的方法,该方法具有更好的抗噪声性能,能实现更低的误码率要求,有效解决了多普勒引起的载波间干扰(Inter-Carrier Interference,ICI),显著改善了系统可靠性,并通过仿真及实验验证了算法的可行性㊂1㊀多普勒频偏估计与补偿算法1.1㊀收发节点相对运动下的频偏分析设运动平台的相对速度为v,子载波的频率大小为f k,波达方向与发射机运动方向之间的夹角为φ,声速为c,多普勒因子D=v/c㊃cosφ,此时的多普勒频移f Dk=f k㊃D,图1给出了频移随平台速度与载波频率变化的规律㊂图1㊀频移随平台速度与载波频率变化示意图Fig.1㊀Schematic diagram of frequency shift changing with platform speed and carrier frequency 不难看出,当运动平台的相对运动速度与子载波频率均不变时,此时产生的多普勒频偏也是固定的,在图1中表现为曲面上的一个点,这样的多普勒称为恒定多普勒㊂在实际的通信系统中,很难做到运动平台之间做匀加速运动,加之自然环境的影响,多普勒对信号的影响多为变加速度的[16-18]㊂图2为信号的多普勒频偏随时间变化情况,考虑固定载波频率,观察运动平台加速度变化对载波频偏的影响㊂在加速度固定的情况下,即平台做匀加速运动时频偏变化率也是固定的;当加速度变化时,即平台做变加速运动时,可以看出加速度越大频偏的变化率也会越大,这会对接收端信号解调造成很大的困扰㊂图2㊀恒定加速度与变加速度频偏示意图Fig.2㊀Schematic diagram of constant acceleration and variable acceleration frequency offset1.2㊀CW信号频偏估计原理通过发送频率已知的信号,在接收端测量已知信号的频率变化,得到多普勒因子为:D =1-ff ᶄ,(1)式中,f ᶄ为接收端中心频率,f 为发送端CW 信号的频率㊂同时,频率测量的精度取决于发送的CW 信号的时间长度㊂将信号变换到频域可以有效降低运算的复杂度,因此本文在频域进行测频,除此之外,本文中选择拟合逼近法避免运算过程中频谱分辨率不足的问题㊂频域进行测频是通过时频转换获得CW 信号的频谱,找到信号频谱的最大值A 0,同时标记它的位置ω0,进而取出该位置前一个采样点ω-1处的数值A -1和后一个采样点ω1处的数值A 1㊂通过三个点的坐标可以进行二次曲线拟合,如图3所示,曲线的最大值点就是CW 的频域测频结果㊂图3㊀二次曲线拟合示意图Fig.3㊀Schematic diagram of conic fitting1.3㊀基于检测域的水声OFDM 频偏估计通过频域多普勒因子估计得到D ,对信号进行粗补偿,本节在信号进行粗补偿之后,通过在检测域内的多次迭代对信号进行细多普勒补偿㊂将载波间隔设为Δf =B /K ,式中,B 为OFDM 水声通信系统中的信号带宽,K 为系统中的子载波个数,并将f 0作为第一子载波的频率即信号的起始频率,取发射端发射信号的实部,则信号可以被表示为:s (t )=Re{ðK -1k =0d k e2πif kt},t ɪ[0,T +T cp ],(2)式中,将符号的持续时间表示为T ,它与载波间隔互为倒数,而T cp 则为循环前缀长度,在本文中,它的数值大于等于信道的最大时延㊂因为子载波之间具有相同的载波间隔,且第一个子载波频率为f 0,容易得出f k =f 0+Δf ㊃k ,第k 个子载波中携带经过调制后的数据符号d k ㊂在信号通过信道后,考虑其受到多径效应的影响,信道的脉冲响应可以被建模为:h (τ,t )=ðph p(t )δ(τ-τp(t )),(3)式中,p 表示当前路径,其幅度为h p (t ),该路径的延迟为τp (t )㊂受多普勒效应的影响,其延迟τp (t )ʈτp -Dt ,其中,D 为多普勒因子㊂而信道的时变体现在块与块之间,也就是说在每个符号的持续时间内信道保持不变h p (t )ʈh p ,那么式(3)可以被改写为:h (τ,t )ʈðph p δ(τ-τp +Dt ),(4)在接收端水听器上的接收信号就可以被表示为:y (t )=ðph ps ((1+D )t-τp)+n (t ),(5)式中,n (t )表示信道中的加性噪声分量㊂在接收信号y (t )经过信号的粗同步与多普勒的粗补偿后,进行下变频㊂此时的信号可以被表示为:v (t )=eiβtðK -1k =0H kd ke2πik Δft+w (t ),t ɪ[0,T ],(6)式中,信号的未知的频率偏移大小为β,而H k 则表示在OFDM 符号中的第k 个子载波上的频率响应,w (t )为加性噪声㊂在该方法中假设一个频偏检测范围,并设定检测步长,每一个检测域内的假设值为β^,以此作为频偏对信号来进行补偿,补偿在时域进行,可以表示为:y k=ʏTv (t )e -iβ^t e -2πik Δft d t ㊂(7)㊀㊀对补偿后的信号进行判决,得到判决值,设d k 为原始的发送数据,接收到的数据为d ^k,则判决后的数据表示为d -k ,计算原始符号与判决后符号的均方误差可以得到:MSE =E (β^)=ðk ɪKpd k -d -k2㊂(8)㊀㊀根据上式计算检测域内每一个假设频偏值的均方误差,并找到使得均方误差最小的频偏值,将该频偏值作为信号频偏的估计值即可,将该频偏值表示为β^∗,可以由式(9)得到:β^∗=argmin β^E (β^)㊂(9)㊀㊀依据本节内容,将算法的具体步骤总结如下㊂输入:接收信号(同步㊁粗多普勒补偿㊁下变频后)v (t ),导频符号p k ㊂初始化:检测次数n ,检测域向量β㊂①初始化本次检测频偏估计值β^=β(i ),1ɤi ɤn;②对时域接收信号进行多普勒补偿yβ^(t)= y(t)e-jβ^t;③进行符号检测得到导频符号p k的估计值p^k;④计算均方误差E(β^)=ðd k-d-k2;重复步骤①~步骤④直到检测次数到达n次㊂输出:频偏估计β^∗=argminβ^E(β^)㊂该算法的复杂度取决于检测次数n的大小,为了降低检测次数,提高运算速度,可以利用信道的相关性㊂设当前符号为一帧中的第i个符号,根据信道相关的性质,同一帧内的第i+1个符号的残余频偏近似等于前一个符号的残余频偏,即β^∗i+1ʈβ^∗i㊂因此,可以用β^∗i来进行先验补偿,对进行先验补偿后的符号使用缩小的检测域,使检测次数降低,算法整体运算速度提高㊂2 检测域的多普勒频偏补偿仿真验证信道的冲激响应可以被表示为多径响应的和,那么水声通信过程中的信道冲激响应函数为:h(t)=α0δ(t-τ0)+ðL-1l=1αlδ(t-τl),(10)式中,L为水声信道的可识别多径数目,αl,τl分别为第l条路径的信道幅值与时延㊂在本文中,将时变信道的模型定义为:h(τ,t)=ðP p=1h pδ(τ-τ(t)),(11)式中,h p为第p条路径的信道冲激响应,P为信号经过的可识别的路径总数㊂OFDM水声通信系统仿真时采用的参数如表1所示㊂表1㊀多普勒频偏补偿仿真验证参数表Tab.1㊀Table of simulation verification parameters for Doppler frequency offset compensation仿真参数参数值β0.05映射方式QPSK导频符号数8起始频域/kHz6符号块传输时间/ms21.3子载波个数2048采样频率/kHz48导频插入方式块状导频带宽/kHz3子载波间隔/Hz 1.46㊀㊀发射信号的结构如图4所示,其中升LFM信号用于第一次信号同步,CW信号用作频域的测频信号,降LFM信号用于第二次信号同步㊂图4㊀发射信号结构图Fig.4㊀Transmission signal structure diagram ㊀㊀仿真中信噪比为6dB,换能器保持静止,水听器相对换能器进行匀速运动,速度为1.3m/s,采用的发射信号时域波形如图5所示,信号参数如表2所示,可以得到结果如图6所示,其为接收端匹配滤波后的信号的时域波形㊂图中只有一个峰值,即为升LFM 信号的起始位置,根据峰值位置可以截取测频信号,将截取到的信号变换到频域,测频后进行抛物线拟合,而后将峰值作为粗多普勒因子估计测评结果㊂图5㊀发射信号时域波形Fig.5㊀Time domain waveform of transmitted signal表2㊀匹配滤波信号参数设置Tab.2㊀Matching filter signal parameter setting仿真参数参数值LFM信号点数3840数据帧点数2000LFM起始频率/Hz6000采样频率/Hz48000图6㊀匹配滤波后时域信号Fig.6㊀Time domain signal after matched filtering㊀㊀设定初始检测域范围为[-3,3],单水听器接收,8个导频符号,仿真结果如图7所示,将最小值点(X ,Y )=(-0.12,-19.45)在图中标出,数据符号的MSE 曲线如图8所示,最小值点为(X ,Y )=(-0.12,-17.95),容易得出在[-1,0]的检测域内,能够保持最佳性能㊂而且,根据仿真结果,导频的最佳接收性能与OFDM 符号的最佳接收性能一致,因此,只需要少量导频就可以估计出OFDM 符号的频偏,减少了计算量,提高了性能㊂在水声OFDM 通信系统中,信号经过信道时,受到多普勒效应的影响,发生了频移㊂在接收端,绘制信号的星座图如图9所示,图9(a)为发生多普勒频移后,信号出现了频移,直接进行解调会失败㊂传统分两步信号补偿后判决结果如图9(b)所示,本文在进行两次多普勒补偿后,结果如图9(c)所示,4个相位清晰可见,解调成功㊂图7㊀导频符号MSE 曲线Fig.7㊀Pilot symbol MSEcurve图8㊀数据符号MSE 曲线Fig.8㊀Data symbol MSEcurve(a )补偿前信号星座图(b )传统补偿后信号星座图(c )检测域方法补偿后信号星座图图9㊀基于检测域的多普勒补偿效果图Fig.9㊀Doppler compensation rendering based onDetection domain3 检测域的多普勒频偏补偿水池实验为了验证多普勒估计与补偿算法的可行性,在水声技术重点实验室的信道水池中开展实验验证工作㊂水声技术重点实验室的信道水池长度为45m,宽度为6m,深度为5m㊂在实验中所采用的布放方式如图10所示㊂图10㊀实验布放图Fig.10㊀Layout of experiment㊀㊀发射换能器与水听器都是标量的,在实验时其布放位置均为水面以下约2m 处,而发射换能器与水听器之间的直线距离约为10m㊂实验中发射端与接收端均使用PC 的音频输入㊁输出接口,使用的音频软件为Cool Edit Pro 2.1版本㊂发送端与接收端仪器设备如图11所示㊂(a )发送端设备㊀(b )接收端设备图11㊀实验设备Fig.11㊀Experimental equipment在信道水池中进行移动通信实验,信道状态函数如式(10)和式(11)所示,在6000~9000Hz 频带内,移动距离为10m,信号采样点数为367104,采样率为48kHz,信号时长7.6s,水听器相对换能器进行匀速运动,速度为1.3m /s,接收信号的时域波形如图12所示㊂图12㊀匀速运动时接收的时域信号Fig.12㊀Time domain signal received in uniform motion利用CW 信号进行多普勒的粗估计后得到的多普勒因子进行粗补偿,而后对信号进行细补偿,而含有2048个子载波,带宽为3kHz 的OFDM 符号中,频率间隔为1.46Hz㊂其接收信号如图13所示,在对信号进行多普勒补偿之前信号的星座图为图13(a),可以看到由于受到严重多普勒的影响,符号失去原有的相位㊂而在进行多普勒补偿之后,信号的星座图为图13(b),信号的星座图中相位信息清楚可见㊂(a )多普勒补偿前(b )多普勒补偿后图13㊀实验数据星座图Fig.13㊀Constellation diagram of experimental data4 结束语本文基于单频信号的频域多普勒因子估计算法,针对信号中仍有未完全补偿的多普勒频偏的问题,对多普勒频偏传统补偿技术进行改进,提出了基于检测域的水声OFDM 频偏估计方法,与传统多普勒频偏补偿技术相比,在收发双方通信节点存在较小相对运动的环境下能够有效解决多普勒引起的ICI问题,显著改善了系统的可靠性,并通过仿真及实验验证了算法的可行性㊂本文中算法经过仿真和水池实验的验证,虽然能够有效提高通信系统判决准确度,但是算法的复杂度较高,针对此问题,需要在接下来的工作中研究降低算法复杂度的方法,另外对收发节点做变加速运动的情况而引起的更严重的多普勒频偏应进一步研究㊂参考文献[1]㊀张舒然,武岩波,朱敏,等.基于模拟遗传算法的水声时变多普勒频偏估计[J].网络新媒体技术,2020,9(6):45-50.[2]㊀梁益.OFDM水声通信多普勒估计与补偿技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2017.[3]㊀张续辰.水声MIM0-OFDM系统中多普勒频偏估计与补偿的研究应用[D].昆明:昆明理工大学,2015. [4]㊀张海霞,杜子俊,王景景.基于CV-RMMP重构算法的水声稀疏信道估计[J].青岛科技大学学报(自然科学版),2022,43(2):121-126.[5]㊀YANG T C,YANG W B.Low Probability of DetectionUnderwater Acoustic Communications Using Direct-sequence Spread Spectrum[J].The Journal of the Acous-tical Society of America,2008,124(6):3632-3647.[6]㊀洪丹阳,王巍,周成阳,等.基于非均匀快速傅里叶变换的正交频分复用水声通信多普勒估计与补偿方法[J].仪器仪表学报,2021,42(4):67-74. [7]㊀郭丽华.空频块编码正交频分复用水声通信中的超前正交匹配追踪稀疏信道估计[J].哈尔滨工程大学学报,2022,43(6):849-856.[8]㊀陈峰,刘磊,于海强.CP-OFDM系统改进的定时同步算法[J].通信与信息技术,2022(2):46-48. [9]㊀王婷婷,陈洲,王正伟,等.水声时变信道下OFDM系统运动多普勒补偿[J].数字海洋与水下攻防,2021,4(3):221-226.[10]包训刚.基于OFDM水声通信系统的多普勒估计与补偿方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020. [11]刘千里,谢静.MIMO-OFDM水声通信系统发展现状及趋势[J].通信技术,2021,54(5):1035-1044. [12]卢俊,张群飞,史文涛,等.基于通信信号的水下目标主动探测多普勒估计与补偿方法[J].西北工业大学学报,2021,39(5):962-970.[13]易鑫林.恶劣海洋环境下单载波水声通信系统时域均衡技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.[14]王小阳.微小型AUV水声通信技术及其实现研究[D].厦门:厦门大学,2019.[15]王婷婷.水声OFDM时变多普勒补偿技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2020.[16]MA X F,WANG T T,LI L,et al.Doppler Compensation ofOrthogonal Frequency Division Multiplexing for OceanIntelligent Multimodal Information Technology[J].MobileNetworks and Applications,2020,25(6):2351-2358.[17]贾汉博.水声OFDM宽带多普勒估计与补偿技术研究及算法优化[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2021. [18]高潭,吕成财,田川.面向OFDM-MFSK水声通信的差错控制方法[J].系统工程与电子技术,2022,44(5):1701-1708.作者简介:㊀㊀李㊀治㊀西藏大学硕士研究生㊂主要研究方向:水声通信及组网㊂㊀㊀陶㊀鹏㊀中国舰船研究设计中心高级工程师㊂主要研究方向:舰船总体设计㊂㊀㊀方银宇㊀广联达科技股份有限公司工程师㊂主要研究方向:水声通信及组网㊂㊀㊀(∗通信作者)李幸群㊀武汉第二船舶设计研究所工程师㊂主要研究方向:系统工程㊁建模仿真㊁信息系统㊁软件研发㊂㊀㊀马雪飞㊀哈尔滨工程大学教授,博士生导师㊂主要研究方向:水声通信及组网技术㊁水下探测与定位技术㊁水下制导及对抗研究㊂从事智能浮标开发㊁水声通信组网技术研究近20年,发表高水平论文20余篇,授权发明专利24项,作为项目负责人和项目骨干完成国家级和省部级项目30余项㊂。
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水声扩频通信中OFDM技术应用郭中源水声扩频通信中OFDM技术应用
郭中源陈岩陈庚贾宁
(中国科学院声学研究所)
Application of OFDM in underwater acoustic spread spectrum communications
Guozhongyuan, Chenyan, Chengeng and Jianing
Institue of Acoustic, Chinese Academy of Science
1(引言 [1]OFDM的基本原理是将高速率的数据流分解成多路低速的数据流，然后在多个子载波上同时进行数据传输。
由于数据被分解到多个低速的子载波上进行并行传输，所以数据符号持续时间变长，减少了由于多途时延弥散所引起的码间串扰的影响。
扩频通信的基本原理是将低速率的信息码(所占带宽相对较窄)用高速率的扩频码将其频带拓宽，这样信息码所包含的加性噪声，包括一些突发干扰的频谱同样受到扩频码拓宽，在接收端经过解扩和带通滤波(其带宽与信息码频带相应)，就将通带外的噪声与干扰大部分滤除掉，其信息传输过程还是按扩频码的速率进行，也就是说传输码片的宽度接近于扩频码带宽的倒数。
因为扩频码是以较窄的扩频码片传输，所以当多途时延弥散超过码片宽度时，扩频码会受到码间串扰的影响。
扩频通信是以降低传输率(在可用带宽一定时)来获取扩频增益，比较适合在远距离低速率的水
[2]声通信中传输信息。
国外文献报导在深海(深度200m)通信距离达到500多公里。
国内试验大多在浅海(深度70-80m)，受海底影响要严重一些，有比较复杂
的多途结构。
多途弥散是水声通信中造成码间串扰的主要原因。
在这种情况下如果结合OFDM技术，系统性能会有一定的改善。
2(水声扩频通信中OFDM系统的应用和一些海试结果的比较
在扩频通信中，信息码与扩频码相乘之后经载频调制输入信道。
如果载频调制之前将信号看作频域波形，进行串/并变换和IFFT变换，然后将各子带相加，再经过载波调制和峰值抑制输入信道，接收端将从信道输入的信号先进行载频解调，解调时要作多普勒补偿，然后作FFT运算，FFT输出分为虚实两个部分，经过序列归并后就可以进行解扩处理。
解扩后的波形经相关解码输出信息。
图3-图5为一组2005年1月南海海试数据处理结果。
其中扩频结合OFDM信号载频3.2KHz，带宽约457Hz，扩频增益约100;扩频信号载频3.2kHz，扩频码为10阶Gold序列，所用带宽约914Hz，扩频增益约56。
图3a.扩频通信系统中利用OFDM技术在通信距离43km时的接收信号频谱
图3b.图3a信号的相关解码;相关系数=0.98
图4a扩频通信系统中利用OFDM技术在通信距离为73km时的接收信号频谱(已看不出频域信号) 图4b信号的相关解码输出;相关系数=0.769
图5a 43km扩频通信接收信号频谱载频。
图5b扩频通信相关解码结果。
图3a 图3b
图4a 图4b
图5a 图5b
3(小结
水声信道主要特点是时变性和复杂的多途结构，其中多途结构引起的时延弥散会造成通信时的码间串扰，产生误码。
采用伪随机码的扩频通信系统虽然有优良的抗干扰性能，但多途信道造成的时延弥散还是会产生码间串扰，而采用OFDM技术则可以改善时延弥散的影响。
这一点可以从比较图3和图5同是距离为43km相关解码输出的信噪比及相关系数可以看出来。
OFDM技术不一定要与扩频通信技术联
合应用，它可以独立应用在高速率通信中。
一般来说，近距离的水声信道的多途结构要比远距离复杂一些，而高速率通信，多用于较近的距离(5-20km)，这时如采用OFDM技术会有助于提高通信的性能。
参考文献
[1] 王文博郑侃编著，宽带无线通信OFDM技术，人民邮电出版社，2003年11月第1次印刷[2] Y. V. ZAKHAROV and V. P. KODANEV, “MULTIPATH-DOPPLER DIVERSITY OF OFDM SIGNALS IN AN
UNDERWATER ACOUSTIC CHANNEL”IEEE, 2000
作者简介:
郭中源:中国科学院声学研究所一部三室助理研究员～主要从事水声通信信号处理工作～
联系电话:86-10-62560184
陈岩:中国科学院声学研究所一部三室副研究员～主要从事水声通信研究。
陈庚:中国科学院声学研究所一部三室研究员～主要从事水声信号处理、水声通信研究。
贾宁:中国科学院声学研究所一部三室博士研究生～主要从事高速水声通信研究。