摘 要： 水聲信道是一種極其復(fù)雜多變的時—空—頻變信道，其信道窄、強多徑干擾、信號起伏衰落嚴(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可用頻帶分割成多個正交子信道，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OFDM水聲通信信道進行估計，并通過仿真的方式來分析不同導(dǎo)頻圖案下信道估計的性能。
關(guān)鍵詞： 正交頻分復(fù)用； 信道估計； 導(dǎo)頻
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水聲信道是一個典型的時變多徑衰落信道，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。為了解決這些問題，人們將無線電領(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)前研究的一個熱點。它利用多個子載波傳輸數(shù)據(jù)，可以有效利用帶寬。另外，由于多載波之間的正交性，在保護時間的輔助下可以很大程度地減小載波間干擾（ICI）和符號間干擾(ISI)，實現(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行擾碼、編碼，接著進行交織處理，經(jīng)過串并變換后，做QPSK的星座點映射，再將得到的符號分配到各個子載波上去，然后插入導(dǎo)頻信息，經(jīng)過IFFT模塊后進行并串變換得到時域的OFDM符號，添加循環(huán)前綴并獲得完整的OFDM時域數(shù)字信號，最后通過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號，通過換能器傳輸?shù)剿曅诺乐小Ｒ陨贤瓿闪税l(fā)送過程。下半部分是接收部分，該部分的處理流程與發(fā)送端是個相反的過程。首先通過換能器從水聲信道中獲取水聲信號，然后經(jīng)過一個與發(fā)送部分相反的處理過程，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
根據(jù)所利用的信道估計資源不同，OFDM信道估計[1]主要分為基于判決的信道估計、導(dǎo)頻輔助PSAM(Pilot Symbol Assisted Modulation)信道估計、盲或半盲信道估計三大類。目前使用較多的是PSAM信道估計，它所利用的數(shù)學(xué)原理比較成熟，易于工程實現(xiàn)。
2.1導(dǎo)頻插入方案
PSAM信道估計主要依靠插入在數(shù)據(jù)流當(dāng)中的導(dǎo)頻信號來完成對信道響應(yīng)的估計，所以如何選擇導(dǎo)頻信號的設(shè)置方式對于信道估計（甚至整個系統(tǒng)）的性能將會有很大的影響。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)，所以有必要對不同的導(dǎo)頻圖案進行比較，以選用一種比較好的導(dǎo)頻圖案，在提高有效數(shù)據(jù)率的同時又能保持較好的信道估計性能。
目前，在基于導(dǎo)頻符號的信道估計算法中，導(dǎo)頻插入方案可以分為三大類[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)頻信號在某些OFDM符號的所有子載波上發(fā)送，導(dǎo)頻信號可以單獨構(gòu)成一個OFDM符號，也可稱為導(dǎo)頻符號。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，導(dǎo)頻信號與數(shù)據(jù)信號共同構(gòu)成一個OFDM符號，兩者稍有差別，梅花狀導(dǎo)頻圖案的插入方法中，每個OFDM符號的導(dǎo)頻插入位置相對前一個OFDM符號作相對平移，只有相隔一定距離的OFDM符號的導(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單，每個OFDM符號的導(dǎo)頻插入方法都是相同的，形成一個梳狀。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
可見，LS估計只需要知道發(fā)送信號X和接收信號Y，對于待定的參數(shù)H、觀測噪聲，以及接收信號Y的其他統(tǒng)計特征，都不需要知道它們的先驗信息，因此LS信道估計算法的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，計算量小，僅通過在各載波上進行一次除法運算即可得到導(dǎo)頻位置子載波的信道特征。
2.3 基于線性內(nèi)插的完整信道響應(yīng)估計
對于采用梅花狀導(dǎo)頻圖案的信道估計，首先在時間方向上對不同的導(dǎo)頻信號估計出來的信道響應(yīng)值進行內(nèi)插；第二步在頻率方向上再次進行線性內(nèi)插，這樣最后可以得到完整的信道響應(yīng)[4,5]。而對于采用梳狀導(dǎo)頻圖案的信道估計來說，由于每個OFDM符號的導(dǎo)頻插入方法都相同，所以就不需要在時間方向上進行內(nèi)插，只需要在頻率方向上對每個符號進行線性內(nèi)插，這樣就可以得到完整的信道響應(yīng)。
線性插值算法是通過對一個OFDM符號中相鄰的導(dǎo)頻子信道響應(yīng)的估計值
進行線性插值，來獲得兩個導(dǎo)頻信道之間的數(shù)據(jù)子信道的信道響應(yīng)估計值的方法，從而可以得到整個信道的傳輸函數(shù)
線性內(nèi)插公式為:
3 仿真結(jié)果分析
下面通過仿真的方式來分析不同導(dǎo)頻圖案下信道估計的性能。
仿真過程中導(dǎo)頻所在位置的信道響應(yīng)通過最小平方(LS)算法得到，而其他位置的信道響應(yīng)通過簡單的線性內(nèi)插來得到。
因為信道編碼的增益是眾所周知的，所以本文給出的誤碼率曲線均沒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，選取其中的10條多徑，最大時延約為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)頻信號在頻域是連續(xù)的，因此這種信道探測方式對信道的多徑擴散適應(yīng)性較好。但是，導(dǎo)頻信號在時間軸上是離散的，通過導(dǎo)頻信號只能得到各子信道的信道傳輸函數(shù)離散時間上的抽樣值。此種導(dǎo)頻分布方式適用于信道變化相對較慢的系統(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間決定。
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導(dǎo)頻梳狀分布的OFDM系統(tǒng)中，對導(dǎo)頻子信道而言，導(dǎo)頻信號在時域是連續(xù)的，因此這種信道探測方式對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合。但是對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延相對較小的系統(tǒng)。在導(dǎo)頻數(shù)量相同的情況下，其對信道估計的性能由信道的多徑擴散即相干帶寬決定。
由于梅花狀導(dǎo)頻在所有的子載波有導(dǎo)頻，在所有的OFDM符號中也都有導(dǎo)頻，因此導(dǎo)頻既在時間上復(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的性能。
水聲信道是一個典型的時變多徑衰落信道，由該信道傳輸后的接收信號，可視為經(jīng)由不同路徑到達的、具有不同時延和幅度的多個分量的疊加。信道估計是通信傳輸領(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)頻圖案的信道估計性能也不同，塊狀導(dǎo)頻適用于信道變化相對較慢的系統(tǒng)中；梳狀導(dǎo)頻適用于信道變化較快而多徑時延相對較小的系統(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，但估計算法比較復(fù)雜。因此應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的導(dǎo)頻圖案，以達到最好的信道估計的性能。
參考文獻
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