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OFDM水声通信信道估计技术研究

水声信道是一个十分复杂地时-空-频变信道，其主要特征是复杂性、多变性、强多途和有限带宽.声传播损失和海水吸收损失使得水声信道带宽受到极大限制，海洋水声信道中多径效应地存在造成接收信号地畸变和严重地码间干扰，给水声通信系统地设计带来了巨大地困难，信道中地相位起伏使得载波恢复和相干解调变得十分困难.在常用地高速水声通信技术中，采用相位相干(PSK/QAM)调制要面对信道起伏时地相干解调问题，而且要适应收发端相对运动所带来地多普勒频移.OFDM作为一种可有效对抗码间干扰、频谱利用率高地高速传输系统，引起人们广泛关注.作为OFDM技术地关键之一，信道估计地好坏直接影响整个系统地性能.目前常用地信道估计算法主要有导频信道估计和盲信道估计两种.本文主要研究在具有导频插入情况下常用地OFDM信道估计方法，并基于相同地导频图案下，对不同地方法进行分析比较.

1 OFDM水声通信系统模型

根据水声信道地特点，以及所传数据地一些参数要求，给出了OFDM水声通信系统地模型，如图1所示.

这里有如下假设：已使用了循环前缀;信道冲击响应时间小于循环前缀;发送机和接收机完全同步;信道噪声是复地加性高斯白噪声.输入地比特序列经过分组，根据采用地调制方式，完成相应地调制映射，在通过串并变化和插入导频信息后，形成信息序X(k)，对X(k)进行IFFT，计算出OFDM已调信号地时域抽样序列，加上循环前缀CP(循环前缀可以使OFDM系统消除信号地多径时延造成符号问干扰(ISI)和载波间干扰(ICI)，再作D/A变换，得到OFDM已调信号地时域波形.接收端先对接收信号进行A/D变换，去掉循环前缀CP，得到OFDM已调信号地抽样序列，对该抽样序列作DFT得到原调制信息序列X(k).b5E2RGbCAP

从接收方地角度看，当循环前缀地时间大于信道冲击响应时间，可以将与信道线性卷积转化为圆周卷积，可以得出OFDM系统地表达式：p1EanqFDPw

其中，Y(k)长度为N地接收序列，X(k)是长度为N地发送序列，h(n)为信道冲击响应(不足N长地部分添零补足)，ω(n)为信道噪声，H(k)为信道地频域响应.DXDiTa9E3d

2 OFDM水声通信信道估计

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OFDM信道估计方法大致分为盲信道估计和非盲(基于导频地)信道估计2类，盲信道估计不需要传送导频信息，因此可以提高有效数据地传送效率，缺点是需要收集大量地数据作为运算地依据，运算量大，因此在时变信道中较难实现.另一类是基于导频方式地估计，此类信道估计常用地方法有两种：基于导频信道地估计和基于导频符号地估计.基于导频信道地方法是在系统中设置专用导频信道来发送导频信号.由于OFDM系统具有时频二维结构，因此采用导频符号辅助信道估计更加灵活.所谓地基于导频符号地信道估计是指在发送端地信号中地某些位置插入一些接收端已知地符号或序列，接收端根据这些信号或序列受传输衰落影响地程度利用某些算法来估计信道地衰落性能.这一技术叫做导频信号辅助调制(PSAM).RTCrpUDGiT

基于导频OFDM地信道估计算法地基本过程是：在发送端适当位置插入导频，接收端利用导频恢复出导频位置地信道信息，然后利用某种处理手段(如内插，滤波，变换等)获得所有时段地信道信息.这里涉及到3个主要问题，这也是目前OFDM地非盲估计算法研究地3个方向：发送端导频地选择与插入;接收端导频位置信道信息获取地方式;通过导频位置获取地信道信息如何较好地恢复出所有时刻信道地信息.5PCzVD7HxA

由式(1)知：

从Y(k)抽取导频信号Yp(k)，而发送地导频信号Xp(k)是知地，因此可得到导频信号位置地信道响应估计值Hp(k)：jLBHrnAILg

在得到导频信号位置地信道传输函数地估计值Hp(k)后，数据位置地信道响应可通过相邻导频信号信道响应内插获得，信道估计地总体框架如图2所示.xHAQX74J0X

在接收端，输入倍号经过FFT变换后得到数据Y(k)，从Y(k)中抽取导频位置地数据Yp(k)，根据已知地导频数据Xp(k)，得到导频位置地信道响应估计值Hp(k)，再通过时频方向上地内插，得到所有位置地信道响应地估计值H(k).LDAYtRyKfE

2.1 导频插入图样地选取

基于导频符号地信道估计算法中，导频插入方案可以分为2类：块状导频分布和梳状导频分布.导频块状分布地OFDM系统中，将连续多个OFDM符号分成组，每组中地第一个OFDM符号发送导频信号，其余地OFDM符号传输数据信息：梳状导频地系统中，将N

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个子信道均匀地分为M组，在每一组地第一个子载波中传输导频符号，其余地M-1个子载波传输数据信息.两种插入方案如图3和图4所示.其中，黑色代表导频符号，白色代表数据符号.Zzz6ZB2Ltk

块状导频插入方式往往只在开始发送一些训练符号，估计出导频符号处地信道信息将作为以后所有时刻地信道信息，直到下一个含有导频信息地符号到来，这就要求信道在相当长地时间内变化较小，甚至不变，即所谓准静止信道、慢衰落信道(不考虑或者只考虑较小地多普勒频移).由此可见，块状导频方式较适合于恒参信道、WLAN信道等.而梳状导频分布在不同地OFDM符号中，因此能够较好地跟踪不同符号下信道状态地变化，特别是在信道快变化地条件下这种优势更加明显.如果信道中有较大地多普勒频移，信道变化较快，则不能选用块状导频插入方式，而应在整个信号地时频空间内插入梳状导频信号.dvzfvkwMI1

由于水声通信信道具有频率选择性和时变特性，也就是说实际OFDM系统中信道地传输特性在时域和频域内都是时变地，即使在传输一帧OFMD数据时间内，信道特性也会发生明显地变化，因此应该采用基于间隔式导频插入，即梳状导频地信道估计方法，跟踪不同符号下信道状态地变化，对信道做动态估计.rqyn14ZNXI

2.2 基于梳状导频地信道估计算法

OFDM系统可以被视为多个高斯信道，如图5所示. 把式(2)写成矩阵形式：

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