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

在50 MHz主時(shí)鐘的控制下，FPGA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?？紤]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。