FPGA实现OFDM水声通信系统定时同步
引 言
正交频分复用（orthogonal frequency division multiplexing，ofdm）技术是一种多载波调制技术，它将宽带信道分解为相互正交的一组窄带子信道，利用各个子信道进行并行数据传输，因此其频谱利用率高、抗多径衰落能力强。
ofdm系统自身的正交多载波调制特点，决定了其对同步误差十分敏感。能否实现准确的符号定时同步和载波频率同步，将直接影响到ofdm通信系统的性能。由于线性调频（linear frequency modula-tion，lfm）信号具有良好的时频聚集性，使得lfm信号适合作为ofdm水声通信系统的定时同步信号。在接收端，利用lfm信号的自相关特性检测其相关峰的位置，可以实现ofdm水声通信系统的定时同步。
1 基本原理介绍
1.1 ofdm水声通信系统原理
典型的ofdm水声通信系统原理框图如图1所示。
输入的数据符号经过dqpsk映射成一个复数数据序列x［o］，x［1］，…，x［n一1］，经过串并转换后将n个并行符号调制到n个子载波上，经过ifft后成为时域抽样值x［n］：
再经过添加循环前缀（cyclic prefix，cp）、插入lfm同步信号、d/a转换等步骤，最后经水声换能器转换成声信号在水声信道中传输。在接收端，信号经接收换能器转换成电信号，经信号调理以及a/d采集、fft等一系列逆过程，即可完成数据符号的解调。
为了正确恢复数据符号，本系统利用lfm信号较好的自相关特性，将其作为ofdm符号的定时同步信号。ofdm水声通信系统发送信号的帧结构如图2所示。在接收端采用滑动相关检测的方法，获得相关峰的位置，实现定时符号的准确同步，然后经过发送端的逆过程即可实现ofdm信号的解调，最后恢复出原始的数据符号。
1.2 lfm信号的特点
lfm信号是雷达系统中应用极为广泛的一种大时宽一带宽信号。lfm信号的复数表达式为：
其中：μ=b/r为频率的变化斜率，b（=△f）为频率变化范围。实信号表示为：
其时域波形和自相关输出如图3所示，可以明显看出lfm信号的频率在脉冲周期内按线性规律变化，自相关峰是非常尖锐的。
lfm信号具有抛物线式的非线性相位谱，且bτ》1，τ为信号时宽，b为信号带宽。因此lfm信号具有很好的脉冲压缩特性。它的模糊函数（自相关函数）曲面具有尖锐的主峰和较低的裙边。它对多普勒频移不敏感，即使存在较大的多普勒频移，它仍具有良好的脉冲压缩特性。水声信道具有强多途、时、空、频变的特性，采用lfm信号作为同步信号，可以获得较好的相关检测性能，不会由于多途带来明显的伪峰。经过实验，验证了lfm信号作为系统的同步信号可以获得较好的同步性能。因此本文重点讨论lfm信号在fpga上的产生和同步检测。
2 lfm信号的产生和检测
2.1 lfm信号的产生
lfm信号的产生方法通常有i，q两路数字式产生法和中频直接产生法两种。前者实现时较复杂，适用于频率高、带宽大的场合。水声信号一般工作在较低频段，适合用中频直接产生法产生lfm信号。根据本实验室ofdm水声通信系统的可用带宽要求，利用直接数字合成（directed digital synthesis，dds）技术直接产生扫描频率为13～16 khz的lfm信号。
dds技术又可进一步分为直接数字波形合成（ddws）和直接数字频率合成（ddfs）两种，二者在实现结构上略有不同。ddws也称为数字波形存储直读式波形产生系统，它把经过理想采样的数字波形预先存储，使用时通过查表进行d/a变换而得到所需的模拟信号。该方法产生的lfm信号基本上不受调频斜率的限制，可以用来产生任意波形（包括复杂波形及大数据量组合波形），还可对预先存储的数据波形进行预失真处理，提高系统的性能。本设计采用ddws方式产生lfm信号，产生lfm的基本原理框图如图4所示。
在50 mhz主时钟的控制下，fpga内部逻辑以120 khz的频率控制lfm信号的输出，数字信号经过d/a变换后输出阶梯形的时域信号，再经过带通滤波器滤除带外噪声后得到双极性的lfm信号。
2.2 lfm信号的检测
接收端对lfm同步信号的检测，实质上是获得lfm信号的压缩窄脉冲的过程，以此达到同步信号提取的目的。采用的方法一般有匹配滤波法和相关提取法，匹配滤波的实现需要在频域利用fft和ifft变换进行处理，它需要耗费较大的fpga资源，复杂度较高。考虑到硬件资源和计算复杂度，本设计采用在时域滑动相关的方法实现lfm信号的检测。该方法利用了lfm信号具有尖锐的自相关特性，根据相关运算的公式：
当接收到的lfm信号与本地存储的lfm信号相同时（上式中j=0）。其相关值最大，出现尖锐的相关峰。图5是采用fpga实现lfm信号相关算法的原理框图。
在发送端，一个周期lfm信号的点数为256，在接收端经过a/d采样后得到8 b的数字量，存人长度为256 b的接收缓冲区，该缓冲区设计为先进先出（first-in first-out，fifo），作为滑动窗与本地相关序列进行相关运算。本地相关序列（存放在rom中）与发送端发出的lfm序列相同，rom的容量也是256×8 b。
每完成一次a/d采样，得到的8 b数据存入fifo，然后执行一次相关运算，得到256个16 b的数据，然后将这256个数据相加，即得到此时刻对应的相关值（用24 b存储）。对得到的连续256个相关值构成的序列处理后求最大值，即可判决出接收到lfm信号的位置。
3 实验结果
为验证lfm信号在水声通信中用作同步信号的性能，在实验室水池进行了相关实验。实验中使用的fpga为cycloneⅱep2c20q240c8，考虑到半双工通信的情况，lfm信号的产生与检测在同一片fpga中实现，共使用了3 693个逻辑单元（logic：elements，le），占ep2c20芯片总le的20%。实验系统的基本框图如图6所示。
图7的示波器型号为tds2024，各通道观测的信号如下：
chl为发送端发出的lfm信号。由于d/a输出的信号经过带通滤波器滤波，因此信号的高频和低频部分有衰减。
ch2为接收信号（换能器输出的信号经过5 000倍放大和带通滤波处理后）。
ch3为接收端fpga检测到lfm信号后的同步脉冲输出。
由图7可以看出：该方案实现了lfm信号的产生，在多径较为严重的实验室水池中，在接收端正确完成了对lfm信号的同步检测，可以较准确地提取到lfm信号的相关峰位置，证明该方法作为ofdm水声通信系统的定时同步方案是可行的。
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ofdm系统自身的正交多载波调制特点，决定了其对同步误差十分敏感。能否实现准确的符号定时同步和载波频率同步，将直接影响到ofdm通信系统的性能。由于线性调频（linear frequency modula-tion，lfm）信号具有良好的时频聚集性，使得lfm信号适合作为ofdm水声通信系统的定时同步信号。在接收端，利用lfm信号的自相关特性检测其相关峰的位置，可以实现ofdm水声通信系统的定时同步。
1 基本原理介绍
1.1 ofdm水声通信系统原理
典型的ofdm水声通信系统原理框图如图1所示。
输入的数据符号经过dqpsk映射成一个复数数据序列x［o］，x［1］，…，x［n一1］，经过串并转换后将n个并行符号调制到n个子载波上，经过ifft后成为时域抽样值x［n］：
再经过添加循环前缀（cyclic prefix，cp）、插入lfm同步信号、d/a转换等步骤，最后经水声换能器转换成声信号在水声信道中传输。在接收端，信号经接收换能器转换成电信号，经信号调理以及a/d采集、fft等一系列逆过程，即可完成数据符号的解调。
为了正确恢复数据符号，本系统利用lfm信号较好的自相关特性，将其作为ofdm符号的定时同步信号。ofdm水声通信系统发送信号的帧结构如图2所示。在接收端采用滑动相关检测的方法，获得相关峰的位置，实现定时符号的准确同步，然后经过发送端的逆过程即可实现ofdm信号的解调，最后恢复出原始的数据符号。
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lfm信号是雷达系统中应用极为广泛的一种大时宽一带宽信号。lfm信号的复数表达式为：
其中：μ=b/r为频率的变化斜率，b（=△f）为频率变化范围。实信号表示为：
其时域波形和自相关输出如图3所示，可以明显看出lfm信号的频率在脉冲周期内按线性规律变化，自相关峰是非常尖锐的。
lfm信号具有抛物线式的非线性相位谱，且bτ》1，τ为信号时宽，b为信号带宽。因此lfm信号具有很好的脉冲压缩特性。它的模糊函数（自相关函数）曲面具有尖锐的主峰和较低的裙边。它对多普勒频移不敏感，即使存在较大的多普勒频移，它仍具有良好的脉冲压缩特性。水声信道具有强多途、时、空、频变的特性，采用lfm信号作为同步信号，可以获得较好的相关检测性能，不会由于多途带来明显的伪峰。经过实验，验证了lfm信号作为系统的同步信号可以获得较好的同步性能。因此本文重点讨论lfm信号在fpga上的产生和同步检测。
2 lfm信号的产生和检测
2.1 lfm信号的产生
lfm信号的产生方法通常有i，q两路数字式产生法和中频直接产生法两种。前者实现时较复杂，适用于频率高、带宽大的场合。水声信号一般工作在较低频段，适合用中频直接产生法产生lfm信号。根据本实验室ofdm水声通信系统的可用带宽要求，利用直接数字合成（directed digital synthesis，dds）技术直接产生扫描频率为13～16 khz的lfm信号。
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图7的示波器型号为tds2024，各通道观测的信号如下：
chl为发送端发出的lfm信号。由于d/a输出的信号经过带通滤波器滤波，因此信号的高频和低频部分有衰减。
ch2为接收信号（换能器输出的信号经过5 000倍放大和带通滤波处理后）。
ch3为接收端fpga检测到lfm信号后的同步脉冲输出。
由图7可以看出：该方案实现了lfm信号的产生，在多径较为严重的实验室水池中，在接收端正确完成了对lfm信号的同步检测，可以较准确地提取到lfm信号的相关峰位置，证明该方法作为ofdm水声通信系统的定时同步方案是可行的。
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