正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，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(gè)子信道進(jìn)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(qiáng)。

　　OFDM系統(tǒng)自身的正交多載波調(diào)制特點(diǎn)，決定了其對(duì)同步誤差十分敏感。能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí)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 Modula-tion，LFM)信號(hào)具有良好的時(shí)頻聚集性，使得LFM信號(hào)適合作為OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時(shí)同步信號(hào)。在接收端，利用LFM信號(hào)的自相關(guān)特性檢測(cè)其相關(guān)峰的位置，可以實(shí)現(xiàn)OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時(shí)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。

　　輸入的數(shù)據(jù)符號(hào)經(jīng)過DQPSK映射成一個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)序列X[O]，X[1]，…，X[N一1]，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后將N個(gè)并行符號(hào)調(diào)制到N個(gè)子載波上，經(jīng)過IFFT后成為時(shí)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(hào)、D/A轉(zhuǎn)換等步驟，最后經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)在水聲信道中傳輸。在接收端，信號(hào)經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)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(hào)的解調(diào)。

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

　　1.2 LFM信號(hào)的特點(diǎn)

　　LFM信號(hào)是雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的一種大時(shí)寬一帶寬信號(hào)。LFM信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)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(shí)信號(hào)表示為：

　　其時(shí)域波形和自相關(guān)輸出如圖3所示，可以明顯看出LFM信號(hào)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(hào)具有拋物線式的非線性相位譜，且Bτ》1，τ為信號(hào)時(shí)寬，B為信號(hào)帶寬。因此LFM信號(hào)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(duì)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(qiáng)多途、時(shí)、空、頻變的特性，采用LFM信號(hào)作為同步信號(hào)，可以獲得較好的相關(guān)檢測(cè)性能，不會(huì)由于多途帶來(lái)明顯的偽峰。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了LFM信號(hào)作為系統(tǒng)的同步信號(hào)可以獲得較好的同步性能。因此本文重點(diǎn)討論LFM信號(hào)在FPGA上的產(chǎn)生和同步檢測(cè)。

2 LFM信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)

　　2.1 LFM信號(hào)的產(chǎn)生

　　LFM信號(hào)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(shí)現(xiàn)時(shí)較復(fù)雜，適用于頻率高、帶寬大的場(chǎng)合。水聲信號(hào)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(hào)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)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(hào)。

　　DDS技術(shù)又可進(jìn)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上略有不同。DDWS也稱為數(shù)字波形存儲(chǔ)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(chǔ)，使用時(shí)通過查表進(jìn)行D/A變換而得到所需的模擬信號(hào)。該方法產(chǎn)生的LFM信號(hào)基本上不受調(diào)頻斜率的限制，可以用來(lái)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(duì)預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行預(yù)失真處理，提高系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)采用DDWS方式產(chǎn)生LFM信號(hào)，產(chǎn)生LFM的基本原理框圖如圖4所示。

　　在50 MHz主時(shí)鐘的控制下，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯以120 kHz的頻率控制LFM信號(hào)的輸出，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A變換后輸出階梯形的時(shí)域信號(hào)，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(hào)。

　　2.2 LFM信號(hào)的檢測(cè)

　　接收端對(duì)LFM同步信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)質(zhì)上是獲得LFM信號(hào)的壓縮窄脈沖的過程，以此達(dá)到同步信號(hào)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(shí)現(xiàn)需要在頻域利用FFT和IFFT變換進(jìn)行處理，它需要耗費(fèi)較大的FPGA資源，復(fù)雜度較高。考慮到硬件資源和計(jì)算復(fù)雜度，本設(shè)計(jì)采用在時(shí)域滑動(dòng)相關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)的檢測(cè)。該方法利用了LFM信號(hào)具有尖銳的自相關(guān)特性，根據(jù)相關(guān)運(yùn)算的公式：

　　當(dāng)接收到的LFM信號(hào)與本地存儲(chǔ)的LFM信號(hào)相同時(shí)(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(shí)現(xiàn)LFM信號(hào)相關(guān)算法的原理框圖。

　　在發(fā)送端，一個(gè)周期LFM信號(hào)的點(diǎn)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，存人長(zhǎng)度為256 B的接收緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)設(shè)計(jì)為先進(jìn)先出(First-in First-out，F(xiàn)IFO)，作為滑動(dòng)窗與本地相關(guān)序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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(yùn)算，得到256個(gè)16 b的數(shù)據(jù)，然后將這256個(gè)數(shù)據(jù)相加，即得到此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的相關(guān)值(用24 b存儲(chǔ))。對(duì)得到的連續(xù)256個(gè)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(hào)的位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為驗(yàn)證LFM信號(hào)在水聲通信中用作同步信號(hào)的性能，在實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用的FPGA為CycloneⅡEP2C20Q240C8，考慮到半雙工通信的情況，LFM信號(hào)的產(chǎn)生與檢測(cè)在同一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)，共使用了3 693個(gè)邏輯單元(Logic：Elements，LE)，占EP2C20芯片總LE的20%。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本框圖如圖6所示。

　　圖7的示波器型號(hào)為TDS2024，各通道觀測(cè)的信號(hào)如下：

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

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

　　CH3為接收端FPGA檢測(cè)到LFM信號(hào)后的同步脈沖輸出。

　　由圖7可以看出：該方案實(shí)現(xiàn)了LFM信號(hào)的產(chǎn)生，在多徑較為嚴(yán)重的實(shí)驗(yàn)室水池中，在接收端正確完成了對(duì)LFM信號(hào)的同步檢測(cè)，可以較準(zhǔn)確地提取到LFM信號(hào)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(shí)同步方案是可行的。