OFDM水聲通信多普勒頻移采樣率轉(zhuǎn)換算法

郭鐵梁，趙旦峰，錢晉希

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OFDM水聲通信多普勒頻移采樣率轉(zhuǎn)換算法

郭鐵梁1,2，趙旦峰1，錢晉希1

(1. 哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2. 黑龍江科技學(xué)院理學(xué)院，哈爾濱 150027)

對(duì)于OFDM水聲通信系統(tǒng)，傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)輔助多普勒頻移因子估計(jì)算法會(huì)降低系統(tǒng)的信息傳輸速率，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換通常采用重采樣的方法，計(jì)算量較大。針對(duì)上述問(wèn)題，提出基于過(guò)采樣技術(shù)的多普勒頻移因子估計(jì)算法及采樣率轉(zhuǎn)換算法，通過(guò)采用對(duì)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行比較的方法，得到多普勒頻移因子的估值。在此基礎(chǔ)上，利用上述過(guò)采樣數(shù)據(jù)和線性插值算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣率的轉(zhuǎn)換。理論分析和仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法在保證系統(tǒng)性能的同時(shí)，可以大幅減小接收機(jī)的計(jì)算量，適用于高速實(shí)時(shí)水聲通信系統(tǒng)。

水聲通信；正交頻分復(fù)用；多普勒頻移；過(guò)采樣；線性插值；采樣率轉(zhuǎn)換

1 概述

在水聲(Under Water Acoustic, UWA)通信系統(tǒng)中，多普勒頻移(Doppler Shift, DS)主要是由發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、水體自身的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的載波頻率偏差而引起的[1]。另外，水聲信道較窄的帶寬也導(dǎo)致了多普勒頻移對(duì)水聲通信系統(tǒng)的影響非常大。正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)在水聲無(wú)線通信領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，該項(xiàng)技術(shù)能夠很好地解決由于多徑效應(yīng)而引起的頻率選擇性衰落問(wèn)題。然而由于嚴(yán)重的多普勒頻移導(dǎo)致的信號(hào)伸縮與載波頻率偏移，使得OFDM水聲通信系統(tǒng)的接收端產(chǎn)生了較大的子載波間的干擾(Inter Carrier Interference, ICI)[2-3]。因而，對(duì)于多普勒頻移的準(zhǔn)確估計(jì)是減小ICI的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

然而，多普勒頻移估計(jì)首先需要在接收端進(jìn)行多普勒頻移因子(Doppler Shift Factor, DSF)的估計(jì)，再利用DFS對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換，進(jìn)而消除多普勒頻移。所以，對(duì)于DSF的估計(jì)和采樣率轉(zhuǎn)換算法是進(jìn)行多普勒頻移估計(jì)的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的DSF估計(jì)算法通常采用插入輔助數(shù)據(jù)的方法，文獻(xiàn)[4]中主要利用線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行DSF估計(jì)，而文獻(xiàn)[5]中則是利用OFDM符號(hào)中的循環(huán)前綴作為輔助數(shù)據(jù)估計(jì)出DSF，文獻(xiàn)[6-7]利用接收端信號(hào)的功率隨信道的變化規(guī)律進(jìn)行多普勒頻移的估計(jì)。文獻(xiàn)[8]將水聲信道的多普勒頻移補(bǔ)償分2步，分別是寬帶補(bǔ)償和窄帶補(bǔ)償。另外，對(duì)于采樣率轉(zhuǎn)換的算法，通常的方法是采用重采樣技術(shù)，即利用估計(jì)出的DSF通過(guò)重新采樣對(duì)接收信號(hào)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。綜上所述，數(shù)據(jù)輔助方法及其改進(jìn)算法不但會(huì)影響系統(tǒng)的有效性，而且重采樣過(guò)程需要較大的計(jì)算量。另外，上述多普勒因子的估計(jì)算法在多徑傳播情況下還會(huì)使系統(tǒng)估計(jì)性能急劇下降[9]。

本文利用過(guò)采樣技術(shù)對(duì)多普勒頻移因子進(jìn)行估計(jì)，無(wú)需輔助數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合線性插值的算法可直接實(shí)現(xiàn)接收端的采樣率轉(zhuǎn)換的過(guò)程，同時(shí)完成多普勒頻移的初步補(bǔ)償，同樣，此過(guò)程也無(wú)需進(jìn)行重采樣，從而避免了大量的運(yùn)算。與重采樣算法相比，采用過(guò)采樣技術(shù)和線性插值方法不會(huì)過(guò)多增加系統(tǒng)的運(yùn)算復(fù)雜性。因此，基于上述算法，本文提出一種DSF估計(jì)及多普勒頻移采樣率轉(zhuǎn)換的改進(jìn)算法，用以提高正交頻分復(fù)用水聲通信系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)傳輸效率。

2 多普勒頻移理論模型

水聲通信的載波跟蹤和符號(hào)同步受多普勒干擾嚴(yán)重[10]，對(duì)于寬帶水聲信號(hào)，多普勒效應(yīng)將導(dǎo)致接收信號(hào)在頻域上產(chǎn)生多普勒頻移，在時(shí)域上產(chǎn)生壓縮或伸展，多普勒效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響通常建模為：

上述模擬信號(hào)在接收端被采樣后可寫成離散時(shí)間信號(hào)的形式為：

3 多普勒頻移因子的估計(jì)算法

再根據(jù)式(6)可得：

式(12)即為在接收端采用過(guò)采樣的方法得到的DSF的估值，由與式(9)得到的結(jié)果相比較可知，由于采樣周期的減小，DSF估值的誤差會(huì)相應(yīng)有所降低，但這種誤差的降低效果并不明顯。所以，這并不是采用過(guò)采樣方法估算DSF的優(yōu)勢(shì)，而這種算法的真正意義在于減小了系統(tǒng)利用輔助數(shù)據(jù)估算DSF所造成的數(shù)據(jù)率的降低。另外，在接收端采用過(guò)采樣方法，主要目的還在于為下面要討論的基于過(guò)采樣技術(shù)的采樣率轉(zhuǎn)換的改進(jìn)算法做準(zhǔn)備。

4 基于過(guò)采樣技術(shù)的采樣率轉(zhuǎn)換改進(jìn)算法

設(shè)式(13)中各離散數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻為：

分析式(13)~式(16)可知，如果能利用式(13)中的過(guò)采樣數(shù)據(jù)得到式(15)中的數(shù)據(jù)，便完成了采樣率轉(zhuǎn)換的任務(wù)。要想從式(13)中獲理式(15)中的數(shù)據(jù)，可以采用對(duì)式(13)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值得到對(duì)應(yīng)式(16)中各采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，即得到式(15)中最終要獲得采樣率轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，具體的線性插值過(guò)程如圖1所示。

圖1 基于線性插值的采樣率轉(zhuǎn)換

考慮式(14)及式(16)，整理式(19)得：

其中，rs為過(guò)采樣頻率；為信號(hào)的頻率。

5 仿真與結(jié)果分析

表1 OFDM水聲通信系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖2 不同過(guò)采樣速率的32-QAM星座圖比較

圖3 誤碼率性能比較

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種解決多普勒頻移問(wèn)題的改進(jìn)算法，主要的設(shè)計(jì)思想是以過(guò)采樣技術(shù)作為解決問(wèn)題的基礎(chǔ)，利用過(guò)采樣數(shù)據(jù)結(jié)合線性插值的算法，先后完成了多普勒頻移因子的估計(jì)和采樣率轉(zhuǎn)換的工作。通過(guò)算法分析和計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，證明這種算法與傳統(tǒng)算法相比具有較小的運(yùn)算復(fù)雜度，對(duì)于OFDM水聲通信系統(tǒng)在高速率狀態(tài)下的傳輸性能有較大提升。由于本文算法假設(shè)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)作勻速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，另外還假設(shè)不同傳輸路徑具有相同的多普勒頻移，因此算法和現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之間還是有一定差距。因而在加速運(yùn)動(dòng)的情況下，分別考慮信號(hào)在不同路徑下的多普勒頻移是下一步需要研究的問(wèn)題。

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編輯 索書志

Algorithm of Doppler Shift Sample Rate Conversion in OFDM Underwater Acoustic Communication

GUO Tie-liang1,2, ZHAO Dan-feng1, QIAN Jin-xi1

(1. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. College of Science, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China)

To the Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) Underwater Acoustic(UWA) communication systems, the traditional estimation algorithm based on data aided for Doppler Shift Factor(DSF) can reduce the system transmission rate. In addition, resampling algorithm is often used for the sample rate conversion in the receiving end, but there is a problem of large calculation in the process. Therefore, a novel algorithm about DSF estimation and sample rate conversion are proposed based on oversampling technique. The DSF can be estimated by comparing the sampling points with the transmitting and receiving signals. And the linear interpolation algorithm is adopted to finish the sample rate conversion. Theroy analysis and simulation results show that the algorithm not onlycan guarantee the system performance but also can reduce the receiver calculation amount. So it is applicable to the high-speed real-time UWA com- munication systems.

Underwater Acoustic(UWA) communication; Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM); Doppler Shift(DS); oversampling; linear interpolation; sample rate conversion

1000-3428(2014)03-0147-05

A

TP391

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F200810)。

郭鐵梁(1971－)，男，副教授、博士研究生，主研方向：水聲通信技術(shù)；趙旦峰，教授、博士生導(dǎo)師；錢晉希，博士研 究生。

2013-01-30

2013-04-07 E-mail：guotieliang@hrbeu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.03.030