OFDM水聲通信系統定時同步的FPGA實現
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正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術是一種多載波調制技術，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據傳輸，因此其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強。目前已經在數字視頻廣播(DVB-T2)、無線局域網(802．11a／g])等系統中成功得到應用，并且成為第四代移動通信的核心技術之一。水聲信道是一個時、空、頻變的多徑信道，它具有強多徑、窄頻帶和強噪聲等特點，將OFDM傳輸技術應用到水聲通信中，已成為水聲通信的研究熱點之一。
OFDM系統自身的正交多載波調制特點，決定了其對同步誤差十分敏感。能否實現準確的符號定時同步和載波頻率同步，將直接影響到OFDM通信系統的性能。由于線性調頻(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水聲通信系統的定時同步信號。在接收端，利用LFM信號的自相關特性檢測其相關峰的位置，可以實現OFDM水聲通信系統的定時同步。
1 基本原理介紹
1．1 OFDM水聲通信系統原理
典型的OFDM水聲通信系統原理框圖如圖1所示。
輸入的數據符號經過DQPSK映射成一個復數數據序列X[O]，X[1]，…，X[N一1]，經過串并轉換后將N個并行符號調制到N個子載波上，經過IFFT后成為時域抽樣值x[n]：
再經過添加循環前綴(Cyclic Prefix，CP)、插入LFM同步信號、D／A轉換等步驟，最后經水聲換能器轉換成聲信號在水聲信道中傳輸。在接收端，信號經接收換能器轉換成電信號，經信號調理以及A／D采集、FFT等一系列逆過程，即可完成數據符號的解調。
為了正確恢復數據符號，本系統利用LFM信號較好的自相關特性，將其作為OFDM符號的定時同步信號。OFDM水聲通信系統發送信號的幀結構如圖2所示。在接收端采用滑動相關檢測的方法，獲得相關峰的位置，實現定時符號的準確同步，然后經過發送端的逆過程即可實現OFDM信號的解調，最后恢復出原始的數據符號。
1．2 LFM信號的特點
LFM信號是雷達系統中應用極為廣泛的一種大時寬一帶寬信號。LFM信號的復數表達式為：
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按線性規律變化，自相關峰是非常尖銳的。
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(自相關函數)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檢測性能，不會由于多途帶來明顯的偽峰。經過實驗，驗證了LFM信號作為系統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上的產生和同步檢測。
2 LFM信號的產生和檢測
2．1 LFM信號的產生
LFM信號的產生方法通常有I，Q兩路數字式產生法和中頻直接產生法兩種。前者實現時較復雜，適用于頻率高、帶寬大的場合。水聲信號一般工作在較低頻段，適合用中頻直接產生法產生LFM信號。根據本實驗室OFDM水聲通信系統的可用帶寬要求，利用直接數字合成(Directed Digital Synthesis，DDS)技術直接產生掃描頻率為13～16 kHz的LFM信號。
DDS技術又可進一步分為直接數字波形合成(DDWS)和直接數字頻率合成(DDFS)兩種，二者在實現結構上略有不同。DDWS也稱為數字波形存儲直讀式波形產生系統，它把經過理想采樣的數字波形預先存儲，使用時通過查表進行D／A變換而得到所需的模擬信號。該方法產生的LFM信號基本上不受調頻斜率的限制，可以用來產生任意波形(包括復雜波形及大數據量組合波形)，還可對預先存儲的數據波形進行預失真處理，提高系統的性能。本設計采用DDWS方式產生LFM信號，產生LFM的基本原理框圖如圖4所示。
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