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【摘 要】水声信道是多径衰落比较严重的信道，而且信道带宽窄。正交频分复用（OFDM）技术是一种多载波调制技术，能够有效抵抗信道频率选择性衰落，且提高了信号传输速率和频带利用率。本文构造STBC-OFDM传输系统，并应用于水声信道，仿真研究了其在水声信道下的性能及可行性。
【关键词】水声信道 OFDM STBC-OFDM
一、 STBC-OFDM系统构建
（一）OFDM系统简介
OFDM的技术的主要思想是将时域内信道分成许多正交的子信道，在每个子载波上分别对信号进行调制，而且可以并行传输。这样可以将总的频率选择性衰落信道在每个子载波上实现相对平坦。
如OFDM信号在理想同步假设下的传输系统可以分为发射和接收两个部分，而且每部分的功能模块都一一对应，下面分别对每对模块的结构和功能作简单介绍。
1.编译码和块交织、解交织
交织作用在于将信号传输过程中出现的较长的突发错误分成短的突发错误，减小错误的相关性以便纠错码的纠错。具体的方法是将一个长度为的编码序列按照行输入排列成的矩阵，则为交织深度，然后按着列顺序输出序列，这样，连续的突发错误经过交织处理后被分散开至少个码元距离。在接收端解交织按照相反的操作，即按列读入按行输出。
2.导频插入及信道估计
信道估计就是估计从发送天线到接收天线之间的频率响应。在OFDM系统中，按照一定的方式或间隔插入事先设置好的导频符号，接收机端根据这些符号来对信道进行实时估计从而完成对数据的接收以及恢复。导频符号的设置通常有两种经典方法：块状导频和梳状导频。块状导频周期性的在时域内插入到特定数量的OFDM符号之间；梳状导频均匀分布在各个OFDM符号的相同位置，每个OFDM符号都按一定数量的子载波间隔放置导频符号。信道估计的方法通常为最小二乘估计和最小均方误差估计。
3.IFFT/FFT
利用离散傅里叶变换（DFT）来实现OFDM多载波传输系统的调制和解调，是OFDM传输系统的技术亮点之一。而DFT和IDFT都可以采用高效的快速傅里叶变换及反变换（FFT/IFFT）来实现，大大简化了系统的实现复杂度。
4.保护间隔和循环前缀（CP）
由于信道的记忆性，输出的结果不仅与当前输入的OFDM符号有关，还与上一个OFDM符号的最后个符号有关，这样就导致了符号间干扰。在每个OFDM符号之间加入保护间隔可以消除符号间干扰，并且在保护间隔内加入OFDM符号的循环扩展，即将长度为的数据块的后个符号的复本放到OFDM信号前端，实际上的OFDM符号长度是由个数据符号和个循环前缀共同构成的，为。
（二）STBC-OFDM系统构建
MIMO系统可以在一定程度上利用信号传播中的多径分量从而抵抗多径效应对系统性能的影响。而对于频率选择性衰落来说，OFDM技术有很好的效果，而且能够充分利用有限的频带资源。
二、水声信道STBC-OFDM系统性能仿真
在模拟水声多径信道中仿真对比多个发射端一个接收端和多个发射端多个接收端在不同数据传输速率条件下的的误码性能。假设发射机和接收机之间理想同步，接收机已知或是能够准确估计信道信息。
不同发射端数目的误比特性能对比。未编码单发射端和Alamouti编码采用BPSK调制方案，三发射端、四发射端采用QPSK调制，信道带宽为，对于单发射端采用BPSK星座映射，FFT点数为512，子载波数为375，子载波间隔为16，采样率为40，此时各种方案的数据传输速率约为4.84。从图中可以看出，在相同误码率时，随着发射分集数的增加，可获得信噪比增益，系统性能得以改善。
不同发射换能器数目的下的误比特性能仿真。未编码单发射端和Alamouti编码采用QPSK调制方案，三发射端、四发射端采用16QAM调制，信道带宽为，对于单发射端采用QPSK星座映射，FFT点数为512，子载波数为375，子载波间隔为16，采样率为40，此时各种方案的数据传输速率变为原来的二倍。随着系统调制方式的变化，系统数据传输速率也随之变化。当数据速率增大时系统整体的性能也有所恶化，但是高速系统中带有分集增益的方案还是比低速系统中未分集的方案性能好很多，而且随着信噪比的增加，这种优势更加明显。从信道容量角度分析，单位时间内信道传输的数据量增加，信道容量也被提高。这说明STBC-OFDM系统对于提高水声通信系统的数据传输速率和信道容量都具有良好的效果。
仿真对比了不同发射端数目，两个接收端的误比特性能。接收端将信号等增益合并后联合译码。随着分集增益的成倍增长系统性能明显改善，增加接收端数目也可以达到改善系统性能的效果。
三、结论
本文构建了STBC-OFDM传输系统，并应用于已构建的水声信道，通过仿真结果可以看出空时分组码以及所构建的STBC-OFDM系统能够改善水声信道的多径效应，提高误码性能。然而，理论的仿真研究最终还是为实践提供依据和参考，实际水声信道环境是复杂多变的，在研究中要考虑的实际因素还有很多，因而对于结合空时编码技术的传输系统还要进一步改进和完善。
参考文献：
[1]汪裕民.OFDM关键技术与应用.第一版.机械工业出版社.2007：33-46.
[2]Branka Vucetic，Jinhon Yuan.空时编码技术.王晓海等译.第一版.机械工业出版社.2004：49-55P 57-58P 80-93
[3]惠俊英，生雪莉.水下声信道.第二版.国防工业出版社.1992：20
[4]Daniel E.Lucani.Underwater Acoustic Networks： Channel Models and Ne- twork Coding Based Lower Bound to Transmission.IEEE，December2008， 26（9）： 1078P.
基金项目：
本文系河北联合大学科学研究基金资助。
【关键词】水声信道 OFDM STBC-OFDM
一、 STBC-OFDM系统构建
（一）OFDM系统简介
OFDM的技术的主要思想是将时域内信道分成许多正交的子信道，在每个子载波上分别对信号进行调制，而且可以并行传输。这样可以将总的频率选择性衰落信道在每个子载波上实现相对平坦。
如OFDM信号在理想同步假设下的传输系统可以分为发射和接收两个部分，而且每部分的功能模块都一一对应，下面分别对每对模块的结构和功能作简单介绍。
1.编译码和块交织、解交织
交织作用在于将信号传输过程中出现的较长的突发错误分成短的突发错误，减小错误的相关性以便纠错码的纠错。具体的方法是将一个长度为的编码序列按照行输入排列成的矩阵，则为交织深度，然后按着列顺序输出序列，这样，连续的突发错误经过交织处理后被分散开至少个码元距离。在接收端解交织按照相反的操作，即按列读入按行输出。
2.导频插入及信道估计
信道估计就是估计从发送天线到接收天线之间的频率响应。在OFDM系统中，按照一定的方式或间隔插入事先设置好的导频符号，接收机端根据这些符号来对信道进行实时估计从而完成对数据的接收以及恢复。导频符号的设置通常有两种经典方法：块状导频和梳状导频。块状导频周期性的在时域内插入到特定数量的OFDM符号之间；梳状导频均匀分布在各个OFDM符号的相同位置，每个OFDM符号都按一定数量的子载波间隔放置导频符号。信道估计的方法通常为最小二乘估计和最小均方误差估计。
3.IFFT/FFT
利用离散傅里叶变换（DFT）来实现OFDM多载波传输系统的调制和解调，是OFDM传输系统的技术亮点之一。而DFT和IDFT都可以采用高效的快速傅里叶变换及反变换（FFT/IFFT）来实现，大大简化了系统的实现复杂度。
4.保护间隔和循环前缀（CP）
由于信道的记忆性，输出的结果不仅与当前输入的OFDM符号有关，还与上一个OFDM符号的最后个符号有关，这样就导致了符号间干扰。在每个OFDM符号之间加入保护间隔可以消除符号间干扰，并且在保护间隔内加入OFDM符号的循环扩展，即将长度为的数据块的后个符号的复本放到OFDM信号前端，实际上的OFDM符号长度是由个数据符号和个循环前缀共同构成的，为。
（二）STBC-OFDM系统构建
MIMO系统可以在一定程度上利用信号传播中的多径分量从而抵抗多径效应对系统性能的影响。而对于频率选择性衰落来说，OFDM技术有很好的效果，而且能够充分利用有限的频带资源。
二、水声信道STBC-OFDM系统性能仿真
在模拟水声多径信道中仿真对比多个发射端一个接收端和多个发射端多个接收端在不同数据传输速率条件下的的误码性能。假设发射机和接收机之间理想同步，接收机已知或是能够准确估计信道信息。
不同发射端数目的误比特性能对比。未编码单发射端和Alamouti编码采用BPSK调制方案，三发射端、四发射端采用QPSK调制，信道带宽为，对于单发射端采用BPSK星座映射，FFT点数为512，子载波数为375，子载波间隔为16，采样率为40，此时各种方案的数据传输速率约为4.84。从图中可以看出，在相同误码率时，随着发射分集数的增加，可获得信噪比增益，系统性能得以改善。
不同发射换能器数目的下的误比特性能仿真。未编码单发射端和Alamouti编码采用QPSK调制方案，三发射端、四发射端采用16QAM调制，信道带宽为，对于单发射端采用QPSK星座映射，FFT点数为512，子载波数为375，子载波间隔为16，采样率为40，此时各种方案的数据传输速率变为原来的二倍。随着系统调制方式的变化，系统数据传输速率也随之变化。当数据速率增大时系统整体的性能也有所恶化，但是高速系统中带有分集增益的方案还是比低速系统中未分集的方案性能好很多，而且随着信噪比的增加，这种优势更加明显。从信道容量角度分析，单位时间内信道传输的数据量增加，信道容量也被提高。这说明STBC-OFDM系统对于提高水声通信系统的数据传输速率和信道容量都具有良好的效果。
仿真对比了不同发射端数目，两个接收端的误比特性能。接收端将信号等增益合并后联合译码。随着分集增益的成倍增长系统性能明显改善，增加接收端数目也可以达到改善系统性能的效果。
三、结论
本文构建了STBC-OFDM传输系统，并应用于已构建的水声信道，通过仿真结果可以看出空时分组码以及所构建的STBC-OFDM系统能够改善水声信道的多径效应，提高误码性能。然而，理论的仿真研究最终还是为实践提供依据和参考，实际水声信道环境是复杂多变的，在研究中要考虑的实际因素还有很多，因而对于结合空时编码技术的传输系统还要进一步改进和完善。
参考文献：
[1]汪裕民.OFDM关键技术与应用.第一版.机械工业出版社.2007：33-46.
[2]Branka Vucetic，Jinhon Yuan.空时编码技术.王晓海等译.第一版.机械工业出版社.2004：49-55P 57-58P 80-93
[3]惠俊英，生雪莉.水下声信道.第二版.国防工业出版社.1992：20
[4]Daniel E.Lucani.Underwater Acoustic Networks： Channel Models and Ne- twork Coding Based Lower Bound to Transmission.IEEE，December2008， 26（9）： 1078P.
基金项目：
本文系河北联合大学科学研究基金资助。