正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,，OFDM" title="OFDM">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(yīng)用,，并且成為第四代移動通信" title="通信">通信的核心技術(shù)之一。水聲" title="水聲">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(yīng)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" title="同步">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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)用極為廣泛的一種大時寬一帶寬信號,。LFM信號的復(fù)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" title="FPGA">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(fù)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(yù)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(fù)雜波形及大數(shù)據(jù)量組合波形),，還可對預(yù)先存儲的數(shù)據(jù)波形進行預(yù)失真處理，提高系統(tǒng)的性能,。本設(shè)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(fù)雜度較高,。考慮到硬件資源和計算復(fù)雜度,，本設(shè)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(shè)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(yīng)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,。