FPGA实现OFDM水声通信系统定时同步

2011-09-21 11:16:39来源: 互联网

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。

  

典型的OFDM水声通信系统原理框图

 

  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。

  

DDWS产生LFM的基本原理框图

 

  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。

关键字:OFDM

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0921/article_2511.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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