摘 要： 水聲信道是一種極其復雜多變的時—空—頻變信道，其信道窄、強多徑干擾、信號起伏衰落嚴重，一直是水下信息可靠高速傳輸?shù)闹饕系K。正交頻分復用(OFDM)是近年來數(shù)字通信中流行的一種并行傳輸新技術，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流并行地調制在這些子信道載波上。主要研究利用三種不同的導頻圖案對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頻圖案下信道估計的性能。
關鍵詞： 正交頻分復用； 信道估計； 導頻
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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重制約。為了解決這些問題，人們將無線電領域的多載波高速傳輸技術成功地應用于水聲通信，并取得了一些令人鼓舞的結果。正交頻分復用（OFDM）技術作為多載波調制技術的一種，是當前研究的一個熱點。它利用多個子載波傳輸數(shù)據，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，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，然后插入導頻信息，經過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，然后經過一個與發(fā)送部分相反的處理過程，最后得到解調輸出的結果。
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2 不同導頻圖案下OFDM信道估計
根據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)學原理比較成熟，易于工程實現(xiàn)。
2.1導頻插入方案
PSAM信道估計主要依靠插入在數(shù)據流當中的導頻信號來完成對信道響應的估計，所以如何選擇導頻信號的設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。這其中包括導頻插入的密度、導頻圖案等。將導頻插入數(shù)據流的方法各有不同，不同的導頻圖案在數(shù)據效率相同的情況下，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頻圖案進行比較，以選用一種比較好的導頻圖案，在提高有效數(shù)據率的同時又能保持較好的信道估計性能。
目前，在基于導頻符號的信道估計算法中，導頻插入方案可以分為三大類[2]：塊狀導頻分布、梳狀導頻分布和梅花狀導頻分布。塊狀導頻分布方案就是將導頻信號在某些OFDM符號的所有子載波上發(fā)送，導頻信號可以單獨構成一個OFDM符號，也可稱為導頻符號。梳狀導頻和梅花狀導頻只在部分子載波上發(fā)送導頻信號，導頻信號與數(shù)據信號共同構成一個OFDM符號，兩者稍有差別，梅花狀導頻圖案的插入方法中，每個OFDM符號的導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符號的導頻插入位置才是相同的，而梳狀導頻圖案的插入方法比較簡單，每個OFDM符號的導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)點是結構簡單，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頻位置子載波的信道特征。
2.3 基于線性內插的完整信道響應估計
對于采用梅花狀導頻圖案的信道估計，首先在時間方向上對不同的導頻信號估計出來的信道響應值進行內插；第二步在頻率方向上再次進行線性內插，這樣最后可以得到完整的信道響應[4,5]。而對于采用梳狀導頻圖案的信道估計來說，由于每個OFDM符號的導頻插入方法都相同，所以就不需要在時間方向上進行內插，只需要在頻率方向上對每個符號進行線性內插，這樣就可以得到完整的信道響應。
線性插值算法是通過對一個OFDM符號中相鄰的導頻子信道響應的估計值
進行線性插值，來獲得兩個導頻信道之間的數(shù)據子信道的信道響應估計值的方法，從而可以得到整個信道的傳輸函數(shù)
線性內插公式為:
3 仿真結果分析
下面通過仿真的方式來分析不同導頻圖案下信道估計的性能。
仿真過程中導頻所在位置的信道響應通過最小平方(LS)算法得到，而其他位置的信道響應通過簡單的線性內插來得到。
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的不同導頻圖案的性能比較(SNR=12 dB)和仿真結果可以看出，導頻塊狀分布的OFDM系統(tǒng)中，導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性較好。但是，導頻信號在時間軸上是離散的，通過導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。此種導頻分布方式適用于信道變化相對較慢的系統(tǒng)中。在導頻數(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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導頻梳狀分布的OFDM系統(tǒng)中，對導頻子信道而言，導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性較好，可應用于信道變化較快的場合。但是對OFDM系統(tǒng)而言導頻子信道在頻域是離散的，由于導頻信號只能直接得到導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。
由于梅花狀導頻在所有的子載波有導頻，在所有的OFDM符號中也都有導頻，因此導頻既在時間上復用也在頻率上復用，所以這種導頻既可以追蹤快速變化的信道，也可以在較復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域的關鍵技術，直接影響通信傳輸系統(tǒng)的性能。不同導頻圖案的信道估計性能也不同，塊狀導頻適用于信道變化相對較慢的系統(tǒng)中；梳狀導頻適用于信道變化較快而多徑時延相對較小的系統(tǒng)；梅花狀導頻既可以追蹤快速變化的信道，也可以在較復雜的多徑情況下使用，但估計算法比較復雜。因此應根據實際情況選擇合適的導頻圖案，以達到最好的信道估計的性能。
參考文獻
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