FPGA實現(xiàn)OFDM水聲通信系統(tǒng)定時同步

引 言

　　正交頻分復用(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。

　　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 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(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

　　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)符號經(jīng)過DQPSK映射成一個復數(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。

　　1.2 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(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。