OFDM水聲通信系統(tǒng)定時同步的FPGA實現(xiàn)
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正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術(shù)是一種多載波調(diào)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，利用各個子信道進行并行數(shù)據(jù)傳輸，因此其頻譜利用率高、抗多徑衰落能力強。目前已經(jīng)在數(shù)字視頻廣播(DVB-T2)、無線局域網(wǎng)(802．11a／g])等系統(tǒng)中成功得到應用，并且成為第四代移動通信的核心技術(shù)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(shù)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(tǒng)自身的正交多載波調(diào)制特點，決定了其對同步誤差十分敏感。能否實現(xiàn)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(tǒng)的性能。由于線性調(diào)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(tǒng)的定時同步信號。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，可以實現(xiàn)OFDM水聲通信系統(tǒng)的定時同步。
1 基本原理介紹
1．1 OFDM水聲通信系統(tǒng)原理
典型的OFDM水聲通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
輸入的數(shù)據(jù)符號經(jīng)過DQPSK映射成一個復數(shù)數(shù)據(jù)序列X[O]，X[1]，…，X[N一1]，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后將N個并行符號調(diào)制到N個子載波上，經(jīng)過IFFT后成為時域抽樣值x[n]：
再經(jīng)過添加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)、插入LFM同步信號、D／A轉(zhuǎn)換等步驟，最后經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號調(diào)理以及A／D采集、FFT等一系列逆過程，即可完成數(shù)據(jù)符號的解調(diào)。
為了正確恢復數(shù)據(jù)符號，本系統(tǒng)利用LFM信號較好的自相關(guān)特性，將其作為OFDM符號的定時同步信號。OFDM水聲通信系統(tǒng)發(fā)送信號的幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。在接收端采用滑動相關(guān)檢測的方法，獲得相關(guān)峰的位置，實現(xiàn)定時符號的準確同步，然后經(jīng)過發(fā)送端的逆過程即可實現(xiàn)OFDM信號的解調(diào)，最后恢復出原始的數(shù)據(jù)符號。
1．2 LFM信號的特點
LFM信號是雷達系統(tǒng)中應用極為廣泛的一種大時寬一帶寬信號。LFM信號的復數(shù)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(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(nèi)按線性規(guī)律變化，自相關(guān)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(shù)(自相關(guān)函數(shù))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(guān)檢測性能，不會由于多途帶來明顯的偽峰。經(jīng)過實驗，驗證了LFM信號作為系統(tǒng)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(chǎn)生和同步檢測。
2 LFM信號的產(chǎn)生和檢測
2．1 LFM信號的產(chǎn)生
LFM信號的產(chǎn)生方法通常有I，Q兩路數(shù)字式產(chǎn)生法和中頻直接產(chǎn)生法兩種。前者實現(xiàn)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(chǎn)生法產(chǎn)生LFM信號。根據(jù)本實驗室OFDM水聲通信系統(tǒng)的可用帶寬要求，利用直接數(shù)字合成(Directed Digital Synthesis，DDS)技術(shù)直接產(chǎn)生掃描頻率為13～16 kHz的LFM信號。
DDS技術(shù)又可進一步分為直接數(shù)字波形合成(DDWS)和直接數(shù)字頻率合成(DDFS)兩種，二者在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上略有不同。DDWS也稱為數(shù)字波形存儲直讀式波形產(chǎn)生系統(tǒng)，它把經(jīng)過理想采樣的數(shù)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(chǎn)生的LFM信號基本上不受調(diào)頻斜率的限制，可以用來產(chǎn)生任意波形(包括復雜波形及大數(shù)據(jù)量組合波形)，還可對預先存儲的數(shù)據(jù)波形進行預失真處理，提高系統(tǒng)的性能。本設計采用DDWS方式產(chǎn)生LFM信號，產(chǎn)生LFM的基本原理框圖如圖4所示。
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