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OFDM水声通信系统定时同步的FPGA实现

发布时间:2020-07-21 19:27:50 阅读: 来源:脚轮厂家

0 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。目前已经在数字视频广播(DVB-T2)、无线局域网(802.11a/g])等系统中成功得到应用,并且成为第四代移动通信的核心技术之一。水声信道是一个时、空、频变的多径信道,它具有强多径、窄频带和强噪声等特点,将OFDM传输技术应用到水声通信中,已成为水声通信的研究热点之一。 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。

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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。

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