一种基于前导序列的水声OFDM通信系统设计0001

1、一种基于前导序列的水声 OFDM 通信系统设计摘要：正交频分复用技术(OFDM )是水声高速通信的研究热点，针对高速实时水声移动通信需求，设计了一种 基于前导序列的水声 OFDM 通信系统， 系统数据帧结构包括 前导序列和数据帧体两部分，前导序列采用恒包络零自相关(CAZAC序列，数据帧体采用循环前缀 OFDM( CP-OFDM) 结构，每个 OFDM 符号内含梳状导频和空载波。该系统利用 前导序列估计多普勒因子，利用空载波估计载波频率偏差(CFC)，利用梳状导频进行信道估计。基于 Matlab搭建了 仿真系统，对多普勒估计与补偿效果和系统误码率进行了仿 真研究，仿真结果表明了所设计系统的有效

2、性。关键词：水声通信；OFDM;前导序列；多普勒估计； 空载波中图分类号： TN929.3 文献标识码： A 文章编号： 1009-3044 ( 2016) 12-0281-04Abstract：Orthogonal frequency division multiplexing( OFDM) is a research hotspot for high-speed underwater acoustic communication ( UWAC). Aiming at the requirements of high-speed and real time underwater acoust

3、ic mobile communication ， a preamble-based UWA OFDM communication system is designed ， and the data frame structure contains preamble sequence and data frame body. The preamble sequence adopts the constant amplitude zero auto correlation （ CAZAC） sequence， the data frame body adopts OFDM structure w

4、ith cyclic prefix （ CP-OFDM） and each OFDM symbol contains comb pilots and null subcarriers. This system utilizes preamble sequence to estimate Doppler factor ， calculates the carrier frequency offset （CFO） by utilizing null subcarriers ， and utilizes comb pilots for channel estimation. Simulation s

5、ystem is built based on Matlab. The effect of Doppler compensation and system bit error rate is simulated ， and the simulation result shows the effectiveness of the designed system.Key words： underwater acoustic communication ； OFDM； preamble sequence ； Doppler estimation ； null subcarrier1 概述 由于水声信

6、道的复杂时变性，高速、高可靠的水声通信 成为巨大挑战。正交频分复用技术（OFDM）具有频带利用率高和抗多径能力强等优点， 基于 OFDM 的水声通信系统研 究得到广泛关注 1 。针对水声通信中存在的强多普勒及强多 径问题，文献 2 提出了一种基于前后同步信号的水声OFDM通信系统，利用块估计法进行多普勒估计与补偿，利用空载 波估计多普勒频偏，利用梳状导频进行信道估计与均衡，浅 海实验表明系统在存在较大相对运动速度时仍具有较好的 性能，该方案需要接收整个数据帧才能进行后续信号处理， 不利于实时通信且计算量较大。 文献 3提出了一种基于前导 序列的水声 OFDM 通信系统，利用前导序列实现数据帧检

7、测、 同步及多普勒估计，该方案不需要缓存整个数据帧，提高了 水声通信的实时性。恒包络零自相关(CAZAQ序列具有幅值恒定、较低峰 均比、理想的周期自相关特性及互相关特性、傅里叶正反变 换后仍为CAZAC序列等特点，是无线通信中性能优良的相关 检测用正交序列 4 。本文针对高速实时水声移动通信需求，将CAZAC序列引入水声通信， 设计了一种基于前导序列的水声 OFDM 通信系 统，系统数据帧结构包括前导序列和数据帧体两部分，前导 序列采用恒包络零自相关(CAZAQ序列，数据帧体采用循 环前缀 OFDM (CP-OFDM 结构，每个 OFDM符号内含梳状 导频和空载波。利用前导序列同步数据帧和估计

8、多普勒因子， 有效提高系统的实时性；利用空载波估计载波频率偏差( CFO ，以进一步提高多普勒补偿效果；利用梳状导频进行 信道估计。 基于 Matlab 搭建了仿真系统， 仿真结果表明了所 设计系统的有效性。2 系统设计基于前导序列的水声 OFDM 系统架构如图 1 所示。发送数据经过信道编码后采用QPSK调制，串并转换操作中插入用于信道估计的导频符号和用于频偏估计及频谱成型的空 载波，经IFFT并串转换后，利用一定长度的循环前缀 （CP） 填充保护间隔以减少 OFDM符号间干扰（ISI），与前导序列 组成完整的信号帧，经过上变频完成载波频带调制通过 D/A 转换发射到水声信道。 接收端 A/D 采集到的信号先经过数据 帧同步、多普勒因