FPGA實(shí)現OFDM水聲通信系統定時(shí)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(gè)子信道進(jìn)行并行數據傳輸，因此其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強。

　　OFDM系統自身的正交多載波調制特點(diǎn)，決定了其對同步誤差十分敏感。能否實(shí)現準確的符號定時(shí)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(xiàn)性調頻(Linear Frequency Modula-tion，LFM)信號具有良好的時(shí)頻聚集性，使得LFM信號適合作為OFDM水聲通信系統的定時(shí)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(shí)現OFDM水聲通信系統的定時(shí)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(jīng)過(guò)DQPSK映射成一個(gè)復數數據序列X[O]，X[1]，…，X[N一1]，經(jīng)過(guò)串并轉換后將N個(gè)并行符號調制到N個(gè)子載波上，經(jīng)過(guò)IFFT后成為時(shí)域抽樣值x[n]：

　　再經(jīng)過(guò)添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)、插入LFM同步信號、D/A轉換等步驟，最后經(jīng)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(jīng)接收換能器轉換成電信號，經(jīng)信號調理以及A/D采集、FFT等一系列逆過(guò)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(guān)特性，將其作為OFDM符號的定時(shí)同步信號。OFDM水聲通信系統發(fā)送信號的幀結構如圖2所示。在接收端采用滑動(dòng)相關(guān)檢測的方法，獲得相關(guān)峰的位置，實(shí)現定時(shí)符號的準確同步，然后經(jīng)過(guò)發(fā)送端的逆過(guò)程即可實(shí)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(diǎn)

　　LFM信號是雷達系統中應用極為廣泛的一種大時(shí)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(shí)信號表示為：

　　其時(shí)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按線(xiàn)性規律變化，自相關(guān)峰是非常尖銳的。

　　LFM信號具有拋物線(xiàn)式的非線(xiàn)性相位譜，且Bτ》1，τ為信號時(shí)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(guān)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(shí)、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(huì )由于多途帶來(lái)明顯的偽峰。經(jīng)過(guò)實(shí)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(diǎn)討論LFM信號在FPGA上的產(chǎn)生和同步檢測。