张艳芳，赵 敏

(河南理工大学 鹤壁工程技术学院，河南 鹤壁 458030)

0 引 言

水声通信技术在海洋环境探测、军事通信等领域有重要的战略意义，水声信道的高质量数据传输是目前行业内的研究热点。在军事领域，水下潜艇之间通信、无人侦察船舶和水下武器的通信都需要通过水声信道完成；在商业和民用领域，水下机器人、海底勘测等方面同样离不开水声通信。近年来，随着对水下资源开发的力度增加，水声通信的价值越发凸显。

相对于电磁波通信，水声通信由于信道的时空畸变性等因素，信号的衰减非常明显。为了克服水声通信的衰减特性，通过正交频分复用（OFDM）技术提高通信带宽的利用率是一项非常有效的手段。正交频分复用（OFDM）技术将信道扩展为多个正交的子信道，既能消除信道之间的相互干扰，也能克服单一信道导致的信号衰减。

本文介绍（OFDM）技术的基本原理，基于此研究浅海环境的水声通信关键技术，具有一定应用价值。

1 OFDM 技术的研究现状

频分复用（FDM）将信号的传输信道带宽划分成若干个子频带，每个子频带分别负责一路信号的传递，子频带之间建立信号隔离带，一方面防止子频带之间的信号干扰，另一方面保障子频带的信号并行传输，降低信号的时延。

OFDM 技术是频分复用(FDM)的[1]一种扩展，将信道划分为多个相互之间正交的信道，并对每个子信道上进行载波的调制，每个子信道进行窄带传输。

OFDM 技术原理图如图1 所示。

图1 OFDM 技术原理图Fig.1 Principle diagram of OFDM technology

假设二进制数据流为复数序列(s0,s1,···,sk)，其中sk=an+jbn，对复数序列进行正交变换，得到调制的复数序列(S0,S1,···,Sk)，可得OFDM 信号为：

OFDM 信号的采样间隔为s/N，载波信号的频率fk=k/N·s，可得到OFDM 采样信号为：

OFDM 技术相比于载波通信技术有众多优点，因此在水声通信领域获得了成功的应用。OFDM 技术的优点包括：

1）频谱利用率高

OFDM 的子信道载波之间互相正交，因此子信道的频谱互相重叠，频谱的利用率高，子信道正交的载波之间满足下式：

式中，fi和fj为相互正交的载波信号频率。

OFDM 的信道载波调制示意图如图2 所示。

图2 OFDM 的信道载波调制示意图Fig.2 Channel carrier modulation diagram of OFDM

2）抗衰落能力强

OFDM 的载波特性可以有效地降低信号的衰落，通过在载波上添加循环前缀，消除多径传播引起的信号干扰。

3）自适应调制

OFDM 技术采用正交振幅调制，具有自适应调制功能，当源信号的噪声干扰较大，即信噪比较高时，OFDM 采用高阶调制；当信噪比较低时，采用低阶调制。这种自适应调制技术不仅能够保障信道的使用效率，也能最大程度上提升系统的数据容量，过滤信噪比较低的源信号。

2 基于OFDM 的浅海环境水声通信关键技术

2.1 浅海环境水声通信的调制解调技术研究

在基于OFDM 技术的浅海水声通信中，信号的调制和解调是非常重要的环节，信号的调制是将水声通信的模拟/数字信号调制为符合水声信道传输要求的信号形式，调制阶段在信号发送的过程中。水声通信的信号接收端需要将接收的信号还原为原始信号类型，这个过程为信号的解调。

信号调制的类型包括模拟调制和数字调制2 种，模拟调制利用模拟信号来改变源信号的幅频特性，而数字调制利用数字信号改变源信号的幅频特性。

1）相位调制

相位调制是一种应用广泛的数字调制，相位调制利用正弦波改变信号的特性，假设载波相位为2 种，对应的持续时间为Ts，载波可表示为：

式中：Es为信号能量；ωt为角频率；ϕi为载波相位。

基于相位调制的MPSK 载波表示为：

OFDM 的相位调制原理图如图3 所示。

图3 OFDM 的相位调制原理图Fig.3 Phase modulation schematic diagram of OFDM

2）正交振幅调制

水声通信的正交振幅调制载波[2]为：

式中，Am和Bm分别为2 种载波的幅值，计算式为：

(sm,qm)由原始信号决定，图4 为正交振幅调制的原理图。

图4 正交振幅调制的原理图Fig.4 Schematic diagram of orthogonal amplitude modulation

可知，正交振幅调制是将输入信号首先进行串并转换分为两路，一路经过两次电平转换后与载波Amcosωct相乘，另一路经过两次电平转换后与载波Bmsinωct相乘，然后求和输出信号。

2.2 浅海环境水声通信的组合扩频技术

组合扩频技术也是浅海水声通信中应用的技术，组合扩频与OFDM 相结合，利用扩频序列的组合进行信息的传输，使水声通信的速度更高[3]。

通常，组合扩展的序列中每个一个信息码用一条序列进行调制，每条随机序列携带1 bit 数据，通信速率为：

采用循环移位的扩频技术，可使每条随机序列携带kbit 数据，此时的通信速率为：

组合扩频技术的原理图如图5 所示。

图5 组合扩频技术的原理图Fig.5 Schematic diagram of combined spread spectrum technology

当系统采用M条扩频序列时，扩频通信系统的速率与扩频序列的组合个数有关，即

对于水声通信的接收端来说，给定组合序号N，可得到该扩频序列组合的元素：

2.3 船舶无线通信的OFDM 时间同步技术仿真

为了验证基于OFDM 技术的浅海水声通信系统特性，搭建硬件平台进行系统仿真。测试过程水声通信系统的采样频率为48 kHz，采用512 正交频分复用子载波进行信号的调制，添加高斯白噪声作为干扰。

水声通信仿真硬件平台参数如表1 所示。

表1 水声通信仿真硬件平台的参数Tab.1 Parameters of underwater acoustic communication simulation hardware platform

采集一段时间内测试平台的特征信号，得到水声通信系统的信噪比测试结果如图6 所示。

图6 水声通信系统的信噪比测试结果Fig.6 Test results of signal to noise ratio of underwater acoustic communication system

可知，正交频分复用OFDM 技术有较好的噪声抑制作用。

3 结 语

浅海环境下的水声通信对于军事领域和商业领域都具有重要的意义，针对水声通信存在的噪声干扰大、信号衰减等问题，本文采用一种基于OFDM 技术的水声通信技术，从信号的调制方法、扩频方法及通信系统的特性仿真测试等方面开展详细研究。

结果表明，基于正交频分复用OFDM 技术的水声通信技术具有较高的通信质量，可以较好抑制噪声，有较大的应用潜力。