Page 176 - 应用声学2019年第4期

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mean-square error estimator is used to process the pilot data to get the channel estimate. Doppler scale esti-
mation includes Doppler scale estimation of frames and Doppler scale estimation of symbols. The experimental
results show that the system can achieve correct tracking and decoding under different fading channels, and
the robust performance of the system is superior. In addition, the system algorithm is simple to calculate, easy
to implement, and has good engineering application value.
Key words Doppler scale estimation, Channel estimation, Linear minimum mean square error estimation,
Bit-interleaved coded modulation, Orthogonal frequency division multiplexing system

差矩阵，降低了算法复杂度并接近完美估计界限的
0 引言
性能。
水声信道具有多径传播、时变、频变、空变和 在 OFDM 水声通信系统工程应用方面，2006
多普勒不稳定等特性，随着水声通信系统通信距 年至 2010 年间，伍兹霍尔海洋研究所 (Woods Hole
离的不断变化，水声信道表现出完全不同的衰落 Oceanographic Institution, WHOI) 进行了 OFDM
特性，在实际工程中需要抗多种信道衰落的鲁棒性 水声通信技术的研究，采用最大似然序列检测
强的正交频分复用 (Orthogonal frequency division 算法和自适应逐符号最大后验概率译码 (Bahl,
multiplexing, OFDM)水声通信系统。 Cocke, Jelinek, and Raviv, BCJR) 算法，通信范
在 OFDM 水声通信系统中，为了对抗信道的 围为 1000 m∼3000 m，通信速率 2.5 kbps，单通道
衰落特性，本文采用信道编码来提高 OFDM 系统 误比特率 10 −6 ，其通信系统在不同的实验条件下需
性能。2011 年，Joshi 等 [1−2] 研究了在不同衰落信 要重新发送训练序列来设置系统参数 [14−17] 。2016
道下采用里德 -所罗门码和卷积码 (Reed Solomon 年，Wada 等 [18] 采用最大比合并算法以提高接收
and convolution codes, RS-CC)级联的信道编码方 信号的信噪比，调制方式采用 QPSK、16QAM 和
式，调制方式采用二相相移键控(Binary phase shift 64QAM，实验中使用四个接收阵元在深海垂直信
keying, BPSK)、四相相移键控 (Quadrature phase 道实现了 64QAM 信号的传输。由于垂直信道的多
径效应不明显，其系统的抗多径性能还需进一步验
shift keying, QPSK) 和正交振幅调制 (Quadrature
amplitude modulation, QAM) 时 OFDM 系统误比 证。由于多通道通信复杂度高，本文采用单通道传
特率(Bit error rate, BER)性能。Tong等 [3] 在此基 输方式，主要研究级联 RS 码和 Turbo 码以及比特
础上研究了在 OFDM 系统中采用 RS-Turbo 级联 交织编码调制 (Bit-interleaved coded modulation,
编码的方式，仿真结果表明 RS-Turbo 级联编码在 BICM) 技术以对抗不同类型的信道衰落，编码调
误比特率的性能上优于 Turbo 编码，并且译码迭代 制方式采用 QPSK、八相相移键控 (8 Phase shift
次数更少。针对传输准确率问题，信道估计与均衡 keying, 8PSK) 和 16QAM，在浅水水平信道实现了
一直是其中的关键。文献 [4–6] 采用基于导频的信 12.15 kbps 的传输速率，因系统具有良好的纠错能
道估计技术。最小二乘估计 [4] 是一种基于接收信 力，译码后的误比特率为0。本系统在不同的实验距
号与导频值之比的低复杂度方法。然而，最小二乘 离下系统参数不需要重新设置，并且在不同的衰落
法对噪声和插值方式较为敏感。最大似然估计 [7] 信道下都能实现正确的跟踪和译码，系统鲁棒性能
(Maximum likelihood, ML) 可以用于信号检测和 优越。
信道估计，但计算复杂度高。文献 [8–9] 给出了降
1 OFDM水声通信方案
低其复杂度的算法，例如期望最大化 (Expectation
maximization, EM) 算法 [10] ，或者在未知干扰的情 图 1 表明了本文提出的 OFDM 水声通信系统
况下由文献 [11] 给出。文献 [12] 基于最小均方误差 方案的整个数据处理流程。图2表明了组帧的结构。
(Minimum mean square error, MMSE)准则提出了 在发射机中，OFDM 信号子载波数为 K，每帧信号
一种二维维纳滤波算法，该算法使用频域和时域中 包含前导信号和 M 个 OFDM 符号，每次发射数据
信道相关性来估计整个时频域的信道系数，该算法 包包含 N 帧的信号。在接收机中，为了找到信号的
计算复杂度高因而不能在工程中应用。文献 [13] 中 起始位置，接收到的信号首先通过混频器和同步器，
提出的线性最小均方误差 (Linear minimum mean 然后信号处理包括多普勒估计、信道估计、信号的
square error, LMMSE) 估计仅需要计算频域协方 解调和解码。