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【摘 要】随着科技信息技术不断发展，为了实现水声信道信息的专一化传播，采用OFDM技术来对抗水声信道中可能出现的多途径传播。该种技术能够实现比较高的频谱效率。为了防止信道衰落，需要采用空时编码技术，以获得更多的空间增益。将以上两种技术相互融合，设计出MIMO—OFDM高速水声通信系统。在本文中对该种技术的实际应用进行研究。
【关键词】MIMO—OFDM；高速水声通信技术；应用；探讨
前言
抑制高速水声通信技术实现的主要障碍有两个，第一是信号的多途径传播，第二是带宽受限。 MIMO—OFDM技术的应用，能够促进比较高的频带，利用率实现，消除多途径水声高度通信之间的相互信号干扰。由于我国该方面的研究比较晚，在技术上还存在着一些问题，将空时编码与MIMO—OFDM技术相互结合，以实现系统的功能同步。
1 MIMO—OFDM基本原理
MIMO—OFDM技术是一种多载波调制技术，其频带利用率比较高，成本较低，在相关领域备受关注。将MIMO—OFDM技术应用到水声信道中，能够利用DSP芯片，将设备的复杂性降低，降低数据高速传输环节中的误码率。MIMO—OFDM技术实际上是一种正交频分复用技术，其中心理念就是将频域内所给定的信道划分为多个正交子信道划分多个正交信道，将高速数据流分散到各个子载波上进行传输。此外，MIMO—OFDM技术允许子载波频率频谱部分发生重叠，是一种新兴的高效调制技术[1]。
2 MIMO—OFDM功能模块
2.1信道加扰技术
在MIMO—OFDM的功能模块中，首先需要分析的就是水声信道加扰技术。该种技术是在不增加多余度的情况下，对信号进行搅乱，将数字信号的实际统计特性改变，保障其技术类型改变，接近于白噪声统计。信道加扰技术的实质就是在随机序列的基础上而实现的。在水声信号传输环节中，不同信号源之间的所受到影响的差别比较大，两个信号之间比较容易出现干扰的情况，那么在此基础上，信号接收环节中比较容易出现错误判断的情况。为了避免错误信号判断，在实际环节中采取的是周期性的随机序列，该种序列的功能与白噪声的功能十分接近，在扰码效果上更加的显著[2]。
2.2信道编码
基于MIMO—OFDM技术的水声编码，主要分为信源编码和信道编码两种。其中信源编码主要为了提升水声系统的信息传输下效率，涉及到其信息传输的有效性。而信道编码的目的则不同，以差错控制为核心，能够有效地提升信息传输环节的可靠性。实现信道编码，主要从以下三点做起：
第一，对基带信号进行合理性设计。在对信号基带进行设计环节中，需要选择好合适的调制、调解方式，以频域均衡或时域均衡的方式，将误比特率降低。随着错差控制编码理论的逐渐完善，以及数字电路技术的不断发展，信号编码能够成功的应用于各种通信系统环节中[3]。
第二，在信号的接收端附加一些监督码元，这些码元的存在能够有效的促进信息与监督信息之间约束。
第三，按照信息码元和监督码元之间的约束方式，能够将信息码元的分为分组码和卷积码。其中卷积码能够将当前的信息段有效的关联，实现灵活性的编码。
MIMO—OFDM系统的实现
3.1系统方案设计
在基于MIMO—OFDM技术的水声信道系统中，以信号的发射机和接收机为核心，在信源的引导下，进行编码的纠错。在发射机系统中，将正确的编码映射到空时编码系统中，与导频同步，功能经过IDFT，控制CP。经过训练序列控制，最后成帧。发射机框如图一所示：
而在接收机框中，对发射机框中的帧进行捕获，实现频率的同步。在定时同步的基础上，对水声信道进行实际的估计。在对相位进行跟踪环节中，通过空时解码，以及反映射化处理[4]。
3.2帧头捕获和频率同步分析
为了实现水声信道技术，系统的接收机功能是其技术实现的基础。分析基于MIMO—OFDM的技术实现，需要对接收机功能进行分析。以短训列符号的方式，完成帧头捕获和信号频率的同步。一般情况下训练符号结构图如下，训练结构的前部分为S训练序列方式，后部分为L长序列。短序列符号周期性重复下，能够实现对帧头的捕获。
设训练符号的实际长度为D，那么在一个滑动窗口内对接收到的基带复训练序列ri的延迟D进行自相关求和，以滑动窗口内所接受到的信号能量为基础，得出能量公司为：
在上式中，L为滑动窗口的实际长度，在接收机系统中根据mi的值对帧头的位置进行判断。当检测到帧头的数目在限定值之内，就可以直接捕获到帧头。
3.3相位的跟踪
检测到帧头年之后，需要利用插入导频来完成相位的实际跟踪。在导频相位跟踪环节中，当定时同步前移时，信号落入导停滞区域，在该区域中的信号，不会产生信号变化和信号压缩，但是使得其原有的信号幅度出现明显的衰减以及相位之间的旋转。那么再这样的基础上进行水声信号的传输和处理将会被系统误判。此外，当频率同步之间频差将会从最小值中缩小到停滞区频谱，仅存的停滞区频率将会带来比较大的信号变化，严重的情况下将会引起符号相位之间出现比较大的旋转[5]。
3.4成果展示
将MIMO—OFDM水声信道技术应用到高速水声通信实验中，检测某水利工程的通信实际性能。在对试水水域的水底山脉地形进行调查的基础上，将其多径扩展到了200ms。信号发射的换能器为2相距8米的设备，入水的深度能够在10米以上。等公率发射需要经过STBC编码的OFDM信号，发射源级别约为170dB，接收水听器位于实验船上，当试验船上所发射的信号带宽为4kHz，N为1024，以50%的速率进行纠错编码。在接收机中，将超过CP的长度码之间的干扰进行降噪声处理。
结论
综上所述，在本文中对基于MIMO—OFDM技术的高速水声通信技术进行分析，为了理清该技术的实际应用，本文中首先介绍其应用原理，对该技术应用的重要功能模块进行分析。将MIMO—OFDM技术应用到水声信道中，能够利用DSP芯片，将设备的复杂性降低，降低数据高速传输环节中的误码率。首先需要分析的就是水声信道加扰技术。该种技术是在不增加多余度的情况下，对信号进行搅乱，将数字信号的实际统计特性改变，接近于白噪声统计。信道编码以差错控制为核心，能够有效地提升信息传输环节的可靠性。
参考文献：
[1]徐小卡.基于OFDM的浅海高速水声通信关键技术研究[D].哈尔滨工程大学,2009.
[2]邓红超,巩玉振,蔡惠智.基于MIMO-OFDM的高速水声通信技术研究[J].通信技术,2009,11:37-39.
[3]王明华.高速水声通信中OFDM的关键技术与应用研究[D].哈尔滨工程大学,2007.
[4]崔玲.MIMO水声通信系统的均衡技术研究[D].华南理工大学,2010.
[5]范欣.基于OFDM技术的高速实时水声通信技术研究[D].哈尔滨工程大学,2009.
论文作者:李永滔
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/10
标签：水声论文; 信道论文; 技术论文; 信号论文; 环节论文; 序列论文; 相位论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;