基于OFDM的水声通信系统设计

方式有非相干方式、相干方式及差分编码时常用的差分相干方式。采用差分相干方式和非相干方式可以避免信道估计，但对于多进制的高速水声通信来说，进行相干方式解调时需要与发射端同频同相载波信息，否则不能正确解调，因此必须进行信道估计，信道估计就可以对有用的数据进行校正。本文采用块状导频插入方式进行信道的估计。

2.6 OFDM参数选择

在OFDM系统中，需要确定以下参数：保护间隔、符号周期和子载波数量。这些参数取决于所需信道的频带宽度、时延扩展和要求的信息传输速率。一般按照以下方法确定OFDM系统的各个参数[7]:

(1)保护间隔的确定：保护间隔大于信息的最大时延扩展。

(2)选择符号周期：一般选择符号周期长度(不包含保护间隔长度)为保护间隔长度的4倍。

(3)子载波的数量：子载波的数量可以利用-3 dB带宽除以子载波间隔(即为去掉保护间隔后的符号周期的倒数)得到。还可以利用要求的比特速率除以每个子信道中的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率由调制类型、编码速率以及符号速率来确定。

本文选用的OFDM参数见表1.

3 通信仿真实验

为了验证水声OFDM 通信系统的性能，本文使用Matlab 7.1 软件进行算法仿真。仿真时参数如表1 所示。文中OFDM系统传输的信号是通过Matlab生成随机的二进制数据0和1,首先经过信号的编码和交织，然后对各子载波进行基带调制即映射，如图3所示的星座图，数据被分配在星座空间的固定位置处，与理论值一致。

映射后对单个的信号进行IFFT 变换，加入循环前缀，这样就生成了OFDM 符号。信号经过多径信道，在去掉循环前缀，并对各个符号进行FFT,接收到的数据符号的星座图见图4,图4(a)和图4(b)分别是子载波为BPSK和8QAM基带调制时的接收星座图。由图可知经过水声信道后的信号在星座图中的位置已经完全改变了，则需要进行信道估计才能正确解调出原始数据。

FFT变换后，星座图已经完全发生变化，数据不能在星座图中的准确位置处，因此要对数据进行信道估计，图5是信号经过信道估计后的星座图，图5(a)和图5(b)分别为为BPSK和8QAM下的信道估计后的星座图。

图6是OFDM系统在8QAM基带调制下的误码率曲线与单载波在8QAM调制下的误码率曲线比较图，由图可知在单载波调制下误码率很高，信号通过水声信道的多径干扰等影响后接收到的信号的错误率偏高，而在OFDM通信系统下误码率明显降低，这就可说明OFDM系统具有明显的抗多径干扰性能，在增加信噪比后误码率会明显下降，而单载波系统在增加信噪比时，误码率也不会降低，可见OFDM系统比单载波系统有明显的抗多径干扰的优势。

子载波解调后，进行解解交织解码，恢复原始数据，通信误码率如图7所示。图7(a)为BPSK调制方式下的误码率，图7(b)为8QAM 调制方式下的误码率曲线，可以知道BPSK方式下的误码率要比8QAM调制方式下的误码率要低。则验证了当需要可靠传输性能时选用BPSK调制方式，而当需要高速率时选用频谱利用率较高的8QAM调制方式。

4 结论

OFDM 是一种适合于多径衰落和受限带宽信道中的高速通信技术，其在无线电领域已经得到了非常广泛的用途，而在水声通信方面应用还很少。本文把OFDM通信技术应用于水声通信中，设计了基于OFDM的水声通信系统，并通过分析和仿真，验证了基于OFDM 的水声通信具有较强的抗多径干扰的能力。