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。

假设二进制数据流为复数序列 $ \left( {{s_0},{s_1},\cdots,{s_k}} \right) $ ，其中 $ {s_k} = {a_n} + j{b_n} $ ，对复数序列进行正交变换，得到调制的复数序列 $ \left( {{S_0},{S_1},\cdots,{S_k}} \right) $ ，可得OFDM信号为：

$ {{S}}({{t}}) = \frac{1}{{\sqrt N }}\sum\limits_{k = 0}^{N - 1} {{S_k}} {e^{2\text{π} j}} \text{。} $

OFDM信号的采样间隔为 $ s/N $ ，载波信号的频率 ${f_k} = k/N \cdot s$ ，可得到OFDM采样信号为：

$ S\left( {ns} \right) = \frac{1}{{\sqrt N }}\sum\limits_{k = 0}^{N - 1} {{S_k}} {e^{2\text{π} j/N}} 。$

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：

$ \int_0^T {\exp } \left( {j2\text{π} {f_i}t} \right) \times \exp {\left( {j2{\text{π}} {f_j}t} \right)^*}{\rm{d}}t = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} T&{i = j}, \\ 0&{i \ne j} \text{。} \end{array}} \right. $

式中， $ {f_i} $ 和 $ {f_j} $ 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。

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 $ {T_s} $ ，载波可表示为：

$ {S_i}(t) = \sqrt {\frac{{2{E_s}}}{{{T_s}}}} \cos \left( {{\omega _t}t + {\phi _i}} \right),0 \leqslant t \leqslant {T_s},i = 0,1, \cdots ,M \text{。} $

式中： $ {E_s} $ 为信号能量； $ {\omega _t} $ 为角频率； $ {\phi _i} $ 为载波相位。

基于相位调制的MPSK载波表示为：

$ {S_m} = \sqrt {2{E_s}^2} \cos \left( {{\phi _i} + {\phi _0}} \right) \text{。} $

OFDM的相位调制原理图如图3所示。

2）正交振幅调制

水声通信的正交振幅调制载波^[2]为：

$ y(t) = {A_m}\cos {\omega _c}t + {B_m}\sin {\omega _c}t,\quad 0 \leqslant t < T \text{。} $

式中， $ {A_m} $ 和 $ {B_m} $ 分别为2种载波的幅值，计算式为：

$ \begin{gathered} {A_m} = {s_m}A , {B_m} = {q_m}A \text{。} \end{gathered} $

$ \left( {{s_m},{q_m}} \right) $ 由原始信号决定，图4为正交振幅调制的原理图。

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 $ {A_m}\cos {\omega _c}t $ 相乘，另一路经过两次电平转换后与载波 $ {B_m}\sin {\omega _c}t $ 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：

$ {R_b} = \frac{1}{T} \text{。} $

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

$ {R_{b - new}} = \frac{k}{T} 。$

组合扩频技术的原理图如图5所示。

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

$ {R_{b - M}} = \frac{{\left[ {{{\log }_2}C_M^r} \right]}}{T} 。$

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：

$ {a_i} = \min C_n^{r - i} \leqslant C_n^r - N - \sum\limits_{i = 1}^{t - 1} {C_n^{r - i + 1}} 。$

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。

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。

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。