OFDM水聲通信系統(tǒng)定時同步的FPGA實現(xiàn)

在50 MHz主時鐘的控制下，FPGA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，復雜度較高?？紤]到硬件資源和計算復雜度，本設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(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：
CHl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。