摘 要： 水聲信道是一種極其復(fù)雜多變的時(shí)—空—頻變信道，其信道窄、強(qiáng)多徑干擾、信號(hào)起伏衰落嚴(yán)重，一直是水下信息可靠高速傳輸?shù)闹饕系K。正交頻分復(fù)用(OFDM)是近年來(lái)數(shù)字通信中流行的一種并行傳輸新技術(shù)，其核心思想是將整個(gè)可用頻帶分割成多個(gè)正交子信道，將待傳輸?shù)母咚俅写a流并行地調(diào)制在這些子信道載波上。主要研究利用三種不同的導(dǎo)頻圖案對(duì)OFDM水聲通信信道進(jìn)行估計(jì)，并通過(guò)仿真的方式來(lái)分析不同導(dǎo)頻圖案下信道估計(jì)的性能。
關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用； 信道估計(jì)； 導(dǎo)頻
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水聲信道是一個(gè)典型的時(shí)變多徑衰落信道，高速可靠的水聲通信受到多徑反射、多普勒頻率偏移和有限帶寬等多種不利條件的嚴(yán)重制約。為了解決這些問(wèn)題，人們將無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的多載波高速傳輸技術(shù)成功地應(yīng)用于水聲通信，并取得了一些令人鼓舞的結(jié)果。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)作為多載波調(diào)制技術(shù)的一種，是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。它利用多個(gè)子載波傳輸數(shù)據(jù)，可以有效利用帶寬。另外，由于多載波之間的正交性，在保護(hù)時(shí)間的輔助下可以很大程度地減小載波間干擾（ICI）和符號(hào)間干擾(ISI)，實(shí)現(xiàn)高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
1 OFDM水聲通信系統(tǒng)模型
圖1所示的是一個(gè)比較完整的OFDM水聲通信系統(tǒng)框圖。上半部分是發(fā)射部分，讀入圖像數(shù)據(jù)，以此作為比特信息。首先將輸入的信息進(jìn)行擾碼、編碼，接著進(jìn)行交織處理，經(jīng)過(guò)串并變換后，做QPSK的星座點(diǎn)映射，再將得到的符號(hào)分配到各個(gè)子載波上去，然后插入導(dǎo)頻信息，經(jīng)過(guò)IFFT模塊后進(jìn)行并串變換得到時(shí)域的OFDM符號(hào)，添加循環(huán)前綴并獲得完整的OFDM時(shí)域數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)，通過(guò)換能器傳輸?shù)剿曅诺乐?。以上完成了發(fā)送過(guò)程。下半部分是接收部分，該部分的處理流程與發(fā)送端是個(gè)相反的過(guò)程。首先通過(guò)換能器從水聲信道中獲取水聲信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)與發(fā)送部分相反的處理過(guò)程，最后得到解調(diào)輸出的結(jié)果。
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2 不同導(dǎo)頻圖案下OFDM信道估計(jì)
根據(jù)所利用的信道估計(jì)資源不同，OFDM信道估計(jì)[1]主要分為基于判決的信道估計(jì)、導(dǎo)頻輔助PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation)信道估計(jì)、盲或半盲信道估計(jì)三大類(lèi)。目前使用較多的是PSAM信道估計(jì)，它所利用的數(shù)學(xué)原理比較成熟，易于工程實(shí)現(xiàn)。
2.1導(dǎo)頻插入方案
PSAM信道估計(jì)主要依靠插入在數(shù)據(jù)流當(dāng)中的導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)完成對(duì)信道響應(yīng)的估計(jì)，所以如何選擇導(dǎo)頻信號(hào)的設(shè)置方式對(duì)于信道估計(jì)（甚至整個(gè)系統(tǒng)）的性能將會(huì)有很大的影響。這其中包括導(dǎo)頻插入的密度、導(dǎo)頻圖案等。將導(dǎo)頻插入數(shù)據(jù)流的方法各有不同，不同的導(dǎo)頻圖案在數(shù)據(jù)效率相同的情況下，即使采用相同的算法仍有不同的表現(xiàn)，所以有必要對(duì)不同的導(dǎo)頻圖案進(jìn)行比較，以選用一種比較好的導(dǎo)頻圖案，在提高有效數(shù)據(jù)率的同時(shí)又能保持較好的信道估計(jì)性能。
目前，在基于導(dǎo)頻符號(hào)的信道估計(jì)算法中，導(dǎo)頻插入方案可以分為三大類(lèi)[2]：塊狀導(dǎo)頻分布、梳狀導(dǎo)頻分布和梅花狀導(dǎo)頻分布。塊狀導(dǎo)頻分布方案就是將導(dǎo)頻信號(hào)在某些OFDM符號(hào)的所有子載波上發(fā)送，導(dǎo)頻信號(hào)可以單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)OFDM符號(hào)，也可稱(chēng)為導(dǎo)頻符號(hào)。梳狀導(dǎo)頻和梅花狀導(dǎo)頻只在部分子載波上發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，導(dǎo)頻信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)共同構(gòu)成一個(gè)OFDM符號(hào)，兩者稍有差別，梅花狀導(dǎo)頻圖案的插入方法中，每個(gè)OFDM符號(hào)的導(dǎo)頻插入位置相對(duì)前一個(gè)OFDM符號(hào)作相對(duì)平移，只有相隔一定距離的OFDM符號(hào)的導(dǎo)頻插入位置才是相同的，而梳狀導(dǎo)頻圖案的插入方法比較簡(jiǎn)單，每個(gè)OFDM符號(hào)的導(dǎo)頻插入方法都是相同的，形成一個(gè)梳狀。三種插入方案如圖2所示。
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2.2 最小平方（LS）信道估計(jì)
可見(jiàn)，LS估計(jì)只需要知道發(fā)送信號(hào)X和接收信號(hào)Y，對(duì)于待定的參數(shù)H、觀(guān)測(cè)噪聲，以及接收信號(hào)Y的其他統(tǒng)計(jì)特征，都不需要知道它們的先驗(yàn)信息，因此LS信道估計(jì)算法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，僅通過(guò)在各載波上進(jìn)行一次除法運(yùn)算即可得到導(dǎo)頻位置子載波的信道特征。
2.3 基于線(xiàn)性內(nèi)插的完整信道響應(yīng)估計(jì)
對(duì)于采用梅花狀導(dǎo)頻圖案的信道估計(jì)，首先在時(shí)間方向上對(duì)不同的導(dǎo)頻信號(hào)估計(jì)出來(lái)的信道響應(yīng)值進(jìn)行內(nèi)插；第二步在頻率方向上再次進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，這樣最后可以得到完整的信道響應(yīng)[4,5]。而對(duì)于采用梳狀導(dǎo)頻圖案的信道估計(jì)來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)OFDM符號(hào)的導(dǎo)頻插入方法都相同，所以就不需要在時(shí)間方向上進(jìn)行內(nèi)插，只需要在頻率方向上對(duì)每個(gè)符號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，這樣就可以得到完整的信道響應(yīng)。
線(xiàn)性插值算法是通過(guò)對(duì)一個(gè)OFDM符號(hào)中相鄰的導(dǎo)頻子信道響應(yīng)的估計(jì)值
進(jìn)行線(xiàn)性插值，來(lái)獲得兩個(gè)導(dǎo)頻信道之間的數(shù)據(jù)子信道的信道響應(yīng)估計(jì)值的方法，從而可以得到整個(gè)信道的傳輸函數(shù)
線(xiàn)性?xún)?nèi)插公式為:
3 仿真結(jié)果分析
下面通過(guò)仿真的方式來(lái)分析不同導(dǎo)頻圖案下信道估計(jì)的性能。
仿真過(guò)程中導(dǎo)頻所在位置的信道響應(yīng)通過(guò)最小平方(LS)算法得到，而其他位置的信道響應(yīng)通過(guò)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性?xún)?nèi)插來(lái)得到。
因?yàn)樾诺谰幋a的增益是眾所周知的，所以本文給出的誤碼率曲線(xiàn)均沒(méi)有利用信道編碼和交織。仿真參數(shù)如表1所示。
圖3、圖4是在信道1條件下的仿真結(jié)果，選用的多徑信道是利用水聲信道仿真軟件得到的，共有14條主要路徑到達(dá)，選取其中的10條多徑，最大時(shí)延約為45 ms，最大多徑衰減為20.67 dB。圖5是多徑信道模型1的不同導(dǎo)頻圖案的性能比較(SNR=12 dB)。
圖6、圖7是在信道2條件下的仿真結(jié)果，共有36條多徑，最大多徑時(shí)延為7.2 ms，最大多徑衰減為88.12 dB。
由圖8多徑信道模型2的不同導(dǎo)頻圖案的性能比較(SNR=12 dB)和仿真結(jié)果可以看出，導(dǎo)頻塊狀分布的OFDM系統(tǒng)中，導(dǎo)頻信號(hào)在頻域是連續(xù)的，因此這種信道探測(cè)方式對(duì)信道的多徑擴(kuò)散適應(yīng)性較好。但是，導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)間軸上是離散的，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)只能得到各子信道的信道傳輸函數(shù)離散時(shí)間上的抽樣值。此種導(dǎo)頻分布方式適用于信道變化相對(duì)較慢的系統(tǒng)中。在導(dǎo)頻數(shù)量相同的情況下，其性能由信道變化速度即相干時(shí)間決定。
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導(dǎo)頻梳狀分布的OFDM系統(tǒng)中，對(duì)導(dǎo)頻子信道而言，導(dǎo)頻信號(hào)在時(shí)域是連續(xù)的，因此這種信道探測(cè)方式對(duì)信道的變化速度適應(yīng)性較好，可應(yīng)用于信道變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)OFDM系統(tǒng)而言導(dǎo)頻子信道在頻域是離散的，由于導(dǎo)頻信號(hào)只能直接得到導(dǎo)頻子信道的傳輸函數(shù)，它是總的信道傳輸函數(shù)在離散頻率點(diǎn)上的抽樣值，因此，此種導(dǎo)頻分布方式適用于信道變化較快而多徑時(shí)延相對(duì)較小的系統(tǒng)。在導(dǎo)頻數(shù)量相同的情況下，其對(duì)信道估計(jì)的性能由信道的多徑擴(kuò)散即相干帶寬決定。
由于梅花狀導(dǎo)頻在所有的子載波有導(dǎo)頻，在所有的OFDM符號(hào)中也都有導(dǎo)頻，因此導(dǎo)頻既在時(shí)間上復(fù)用也在頻率上復(fù)用，所以這種導(dǎo)頻既可以追蹤快速變化的信道，也可以在較復(fù)雜的多途情況下使用，有利于提高信道估計(jì)的性能。
水聲信道是一個(gè)典型的時(shí)變多徑衰落信道，由該信道傳輸后的接收信號(hào)，可視為經(jīng)由不同路徑到達(dá)的、具有不同時(shí)延和幅度的多個(gè)分量的疊加。信道估計(jì)是通信傳輸領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響通信傳輸系統(tǒng)的性能。不同導(dǎo)頻圖案的信道估計(jì)性能也不同，塊狀導(dǎo)頻適用于信道變化相對(duì)較慢的系統(tǒng)中；梳狀導(dǎo)頻適用于信道變化較快而多徑時(shí)延相對(duì)較小的系統(tǒng)；梅花狀導(dǎo)頻既可以追蹤快速變化的信道，也可以在較復(fù)雜的多徑情況下使用，但估計(jì)算法比較復(fù)雜。因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的導(dǎo)頻圖案，以達(dá)到最好的信道估計(jì)的性能。
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