FPGA實(shí)現(xiàn)OFDM水聲通信系統(tǒng)定時(shí)同步

引 言

　　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(guò)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(guò)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(guò)IFFT后成為時(shí)域抽樣值x[n]：

　　再經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)發(fā)送端的逆過(guò)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(guò)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)。