OFDM水聲通信系統定時同步的FPGA實現

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。