OFDM水聲通信定時同步的FPGA實現(xiàn)

正交頻分復用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技術(shù)是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它將寬帶信道分解為相互正交的一組窄帶子信道，利用各個子信道進行并行數(shù)據(jù)傳輸，因此其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強。目前已經(jīng)在數(shù)字視頻廣播(DVB-T2)、無線局域網(wǎng)(802.11a/g)等系統(tǒng)中成功得到應用，并且成為第四代移動通信的核心技術(shù)之一。水聲信道是一個時、空、頻變的多徑信道，它具有強多徑、窄頻帶和強噪聲等特點，將OFDM傳輸技術(shù)應用到水聲通信中，已成為水聲通信的研究熱點之一。

　　OFDM系統(tǒng)自身的正交多載波調(diào)制特點，決定了其對同步誤差十分敏感。能否實現(xiàn)準確的符號定時同步和載波頻率同步，將直接影響到OFDM通信系統(tǒng)的性能。由于線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation，LFM)信號具有良好的時頻聚集性，使得LFM信號適合作為OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時同步信號。在接收端，利用LFM信號的自相關(guān)特性檢測其相關(guān)峰的位置，可以實現(xiàn)OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時同步。

　　1基本原理介紹

　　OFDM水聲通信系統(tǒng)原理

　　典型的OFDM水聲通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　輸入的數(shù)據(jù)符號經(jīng)過DQPSK映射成一個復數(shù)數(shù)據(jù)序列X[0]，X[1]，…，X[N-1]，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后將N個并行符號調(diào)制到N個子載波上，經(jīng)過IFFT后成為時域抽樣值x[n]：

　　再經(jīng)過添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)、插入LFM同步信號、D/A轉(zhuǎn)換等步驟，最后經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)換成聲信號在水聲信道中傳輸。在接收端，信號經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號調(diào)理以及A/D采集、FFT等一系列逆過程，即可完成數(shù)據(jù)符號的解調(diào)。

　　為了正確恢復數(shù)據(jù)符號，本系統(tǒng)利用LFM信號較好的自相關(guān)特性，將其作為OFDM符號的定時同步信號。OFDM水聲通信系統(tǒng)發(fā)送信號的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。在接收端采用滑動相關(guān)檢測的方法，獲得相關(guān)峰的位置，實現(xiàn)定時符號的準確同步，然后經(jīng)過發(fā)送端的逆過程即可實現(xiàn)OFDM信號的解調(diào)，最后恢復出原始的數(shù)據(jù)符號。LFM信號的特點

　　LFM信號是雷達系統(tǒng)中應用極為廣泛的一種大時寬一帶寬信號。LFM信號的復數(shù)表達式為：

　　其中：μ=B/τ為頻率的變化斜率，B(=△f)為頻率變化范圍。實信號表示為：

　　其時域波形和自相關(guān)輸出如圖3所示，可以明顯看出LFM信號的頻率在脈沖周期內(nèi)按線性規(guī)律變化，自相關(guān)峰是非常尖銳的。

　　LFM信號具有拋物線式的非線性相位譜，且Bτ>>1，τ為信號時寬，B為信號帶寬。因此LFM信號具有很好的脈沖壓縮特性。它的模糊函數(shù)(自相關(guān)函數(shù))曲面具有尖銳的主峰和較低的裙邊。它對多普勒頻移不敏感，即使存在較大的多普勒頻移，它仍具有良好的脈沖壓縮特性。水聲信道具有強多途、時、空、頻變的特性，采用LFM信號作為同步信號，可以獲得較好的相關(guān)檢測性能，不會由于多途帶來明顯的偽峰。經(jīng)過實驗，驗證了LFM信號作為系統(tǒng)的同步信號可以獲得較好的同步性能。因此本文重點討論LFM信號在FPGA上的產(chǎn)生和同步檢測。

　　2 LFM信號的產(chǎn)生和檢測

　　2.1 LFM信號的產(chǎn)生

　　LFM信號的產(chǎn)生方法通常有I，Q兩路數(shù)字式產(chǎn)生法和中頻直接產(chǎn)生法兩種。前者實現(xiàn)時較復雜，適用于頻率高、帶寬大的場合。水聲信號一般工作在較低頻段，適合用中頻直接產(chǎn)生法產(chǎn)生LFM信號。根據(jù)本實驗室OFDM水聲通信系統(tǒng)的可用帶寬要求，利用直接數(shù)字合成(Directed Digital Synthesis，DDS)技術(shù)直接產(chǎn)生掃描頻率為13～16 kHz的LFM信號。

　　DDS技術(shù)又可進一步分為直接數(shù)字波形合成(DDWS)和直接數(shù)字頻率合成(DDFS)兩種，二者在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上略有不同。DDWS也稱為數(shù)字波形存儲直讀式波形產(chǎn)生系統(tǒng)，它把經(jīng)過理想采樣的數(shù)字波形預先存儲，使用時通過查表進行D/A變換而得到所需的模擬信號。該方法產(chǎn)生的LFM信號基本上不受調(diào)頻斜率的限制，可以用來產(chǎn)生任意波形(包括復雜波形及大數(shù)據(jù)量組合波形)，還可對預先存儲的數(shù)據(jù)波形進行預失真處理，提高系統(tǒng)的性能。本設計采用DDWS方式產(chǎn)生LFM信號，產(chǎn)生LFM的基本原理框圖如圖4所示。

　　在50 MHz主時鐘的控制下，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯以120 kHz的頻率控制LFM信號的輸出，數(shù)字信號經(jīng)過D/A變換后輸出階梯形的時域信號，再經(jīng)過帶通濾波器濾除帶外噪聲后得到雙極性的LFM信號。

　　2.2 LFM信號的檢測

　　接收端對LFM同步信號的檢測，實質(zhì)上是獲得LFM信號的壓縮窄脈沖的過程，以此達到同步信號提取的目的。采用的方法一般有匹配濾波法和相關(guān)提取法，匹配濾波的實現(xiàn)需要在頻域利用FFT和IFFT變換進行處理，它需要耗費較大的FPGA資源，復雜度較高?？紤]到硬件資源和計算復雜度，本設計采用在時域滑動相關(guān)的方法實現(xiàn)LFM信號的檢測。該方法利用了LFM信號具有尖銳的自相關(guān)特性，根據(jù)相關(guān)運算的公式：

　　當接收到的LFM信號與本地存儲的LFM信號相同時(上式中j=0)，其相關(guān)值最大，出現(xiàn)尖銳的相關(guān)峰。圖5是采用FPGA實現(xiàn)LFM信號相關(guān)算法的原理框圖。

　　在發(fā)送端，一個周期LFM信號的點數(shù)為256，在接收端經(jīng)過A/D采樣后得到8 b的數(shù)字量，存入長度為256 B的接收緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)設計為先進先出(First-in First-out，F(xiàn)IFO)，作為滑動窗與本地相關(guān)序列進行相關(guān)運算。本地相關(guān)序列(存放在ROM中)與發(fā)送端發(fā)出的LFM序列相同，ROM的容量也是256×8 b。

　　每完成一次A/D采樣，得到的8 b數(shù)據(jù)存入FIFO，然后執(zhí)行一次相關(guān)運算，得到256個16 b的數(shù)據(jù)，然后將這256個數(shù)據(jù)相加，即得到此時刻對應的相關(guān)值(用24 b存儲)。對得到的連續(xù)256個相關(guān)值構(gòu)成的序列處理后求最大值，即可判決出接收到LFM信號的位置。3實驗結(jié)果

　　為驗證LFM信號在水聲通信中用作同步信號的性能，在實驗室水池進行了相關(guān)實驗。實驗中使用的FPGA為CycloneⅡEP2C20Q240C8，考慮到半雙工通信的情況，LFM信號的產(chǎn)生與檢測在同一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)，共使用了3 693個邏輯單元(Logic Elements，LE)，占EP2C20芯片總LE的20%。實驗系統(tǒng)的基本框圖如圖6所示。

　　圖7的示波器型號為TDS2024，各通道觀測的信號如下：

　　CH1為發(fā)送端發(fā)出的LFM信號。由于D/A輸出的信號經(jīng)過帶通濾波器濾波，因此信號的高頻和低頻部分有衰減。

　　CH2為接收信號(換能器輸出的信號經(jīng)過5 000倍放大和帶通濾波處理后)。

　　CH3為接收端FPGA檢測到LFM信號后的同步脈沖輸出。

　　由圖7可以看出：該方案實現(xiàn)了LFM信號的產(chǎn)生，在多徑較為嚴重的實驗室水池中，在接收端正確完成了對LFM信號的同步檢測，可以較準確地提取到LFM信號的相關(guān)峰位置，證明該方法作為OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時同步方案是可行的。