OFDM水聲通信系統定時(shí)同步的FPGA實(shí)現

在50 MHz主時(shí)鐘的控制下，FPGA內部邏輯以120 kHz的頻率控制LFM信號的輸出，數字信號經(jīng)過(guò)D／A變換后輸出階梯形的時(shí)域信號，再經(jīng)過(guò)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(shí)質(zhì)上是獲得LFM信號的壓縮窄脈沖的過(guò)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(shí)現需要在頻域利用FFT和IFFT變換進(jìn)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(shí)域滑動(dòng)相關(guān)的方法實(shí)現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(shí)(上式中j=0)。其相關(guān)值最大，出現尖銳的相關(guān)峰。圖5是采用FPGA實(shí)現LFM信號相關(guān)算法的原理框圖。

在發(fā)送端，一個(gè)周期LFM信號的點(diǎn)數為256，在接收端經(jīng)過(guò)A／D采樣后得到8 b的數字量，存人長(cháng)度為256 B的接收緩沖區，該緩沖區設計為先進(jìn)先出(First-in First-out，FIFO)，作為滑動(dòng)窗與本地相關(guān)序列進(jìn)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數據存入FIFO，然后執行一次相關(guān)運算，得到256個(gè)16 b的數據，然后將這256個(gè)數據相加，即得到此時(shí)刻對應的相關(guān)值(用24 b存儲)。對得到的連續256個(gè)相關(guān)值構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(shí)驗結果
為驗證LFM信號在水聲通信中用作同步信號的性能，在實(shí)驗室水池進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗。實(shí)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FPGA中實(shí)現，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)驗系統的基本框圖如圖6所示。

圖7的示波器型號為T(mén)DS2024，各通道觀(guān)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(guò)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(guò)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(shí)現了LFM信號的產(chǎn)生，在多徑較為嚴重的實(shí)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水聲通信系統的定時(shí)同步方案是可行的。