0 引 言
正交頻分復用" title="正交頻分復用">正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM" title="OFDM">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" title="FPGA">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。
在50 MHz主時鐘的控制下，FPGA內部邏輯以120 kHz的頻率控制LFM信號的輸出，數字信號經過D/A變換后輸出階梯形的時域信號，再經過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，實質上是獲得LFM信號的壓縮窄脈沖的過程，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提取法，匹配濾波的實現需要在頻域利用FFT和IFFT變換進行處理，它需要耗費較大的FPGA資源，復雜度較高。考慮到硬件資源和計算復雜度，本設計采用在時域滑動相關的方法實現LFM信號的檢測。該方法利用了LFM信號具有尖銳的自相關特性，根據相關運算的公式：
當接收到的LFM信號與本地存儲的LFM信號相同時(上式中j=0)。其相關值最大，出現尖銳的相關峰。圖5是采用FPGA實現LFM信號相關算法的原理框圖。
在發送端，一個周期LFM信號的點數為256，在接收端經過A/D采樣后得到8 b的數字量，存人長度為256 B的接收緩沖區，該緩沖區設計為先進先出(First-in First-out，FIFO)，作為滑動窗與本地相關序列進行相關運算。本地相關序列(存放在ROM中)與發送端發出的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，然后執行一次相關運算，得到256個16 b的數據，然后將這256個數據相加，即得到此時刻對應的相關值(用24 b存儲)。對得到的連續256個相關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，在實驗室水池進行了相關實驗。實驗中使用的FPGA為CycloneⅡEP2C20Q240C8，考慮到半雙工通信的情況，LFM信號的產生與檢測在同一片FPGA中實現，共使用了3 693個邏輯單元(Logic：Elements，LE)，占EP2C20芯片總LE的20%。實驗系統的基本框圖如圖6所示。
圖7的示波器型號為TDS2024，各通道觀測的信號如下：
CHl為發送端發出的LFM信號。由于D/A輸出的信號經過帶通濾波器濾波，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過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：該方案實現了LFM信號的產生，在多徑較為嚴重的實驗室水池中，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信號的相關峰位置，證明該方法作為OFDM水聲通信系統的定時同步方案是可行的。