OFDM系統(tǒng)自身的正交多載波調制特點,，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" title="定時同步">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,。由于線性調頻(Linear Frequency Modula-tion，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信號的自相關特性檢測其相關峰的位置,，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

1.1 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。

FPGA" title="FPGA">FPGA實現(xiàn)" height="171" src="http://files.chinaaet.com/images/20110614/8e658203-18b7-44d2-ba82-30bd012d85e6.jpg" width="350" />

輸入的數(shù)據符號經過DQPSK映射成一個復數(shù)數(shù)據序列X[O],，X[1],，…，X[N一1],，經過串并轉換后將N個并行符號調制到N個子載波上,，經過IFFT后成為時域抽樣值x[n]：

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

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

1.2 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/r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按線性規(guī)律變化,，自相關峰是非常尖銳的,。

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檢測性能,，不會由于多途帶來明顯的偽峰。經過實驗,，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上的產生和同步檢測。

2 LFM信號的產生和檢測

2.1 LFM信號的產生

LFM信號的產生方法通常有I,，Q兩路數(shù)字式產生法和中頻直接產生法兩種,。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，適合用中頻直接產生法產生LFM信號,。根據本實驗室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)技術直接產生掃描頻率為13～16 kHz的LFM信號,。

DDS技術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)結構上略有不同,。DDWS也稱為數(shù)字波形存儲直讀式波形產生系統(tǒng)，它把經過理想采樣的數(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,。該方法產生的LFM信號基本上不受調頻斜率的限制，可以用來產生任意波形(包括復雜波形及大數(shù)據量組合波形),，還可對預先存儲的數(shù)據波形進行預失真處理,，提高系統(tǒng)的性能。本設計采用DDWS方式產生LFM信號,，產生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內部邏輯以120 kHz的頻率控制LFM信號的輸出,，數(shù)字信號經過D/A變換后輸出階梯形的時域信號,，再經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,。考慮到硬件資源和計算復雜度,，本設計采用在時域滑動相關的方法實現(xiàn)LFM信號的檢測,。該方法利用了LFM信號具有尖銳的自相關特性，根據相關運算的公式：

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),。其相關值最大,，出現(xiàn)尖銳的相關峰。圖5是采用FPGA實現(xiàn)LFM信號相關算法的原理框圖,。

在發(fā)送端,，一個周期LFM信號的點數(shù)為256，在接收端經過A/D采樣后得到8 b的數(shù)字量,，存人長度為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序列進行相關運算,。本地相關序列(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)據存入FIFO，然后執(zhí)行一次相關運算，得到256個16 b的數(shù)據,，然后將這256個數(shù)據相加,，即得到此時刻對應的相關值(用24 b存儲)。對得到的連續(xù)256個相關值構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：

CHl為發(fā)送端發(fā)出的LFM信號,。由于D/A輸出的信號經過帶通濾波器濾波,，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,。

作者：解永軍 胡曉毅 王德清 雷王微　廈門大學   來源：《現(xiàn)代電子技術》2009年07期