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(huán)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(tǒng)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(tǒng)發(fā)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(fā)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(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(guī)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(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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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?？紤]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(fā)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(qū)，該緩沖區(qū)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(fā)送端發(fā)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(zhí)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(xù)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(tǒng)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(fā)送端發(fā)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(tǒng)的定時同步方案是可行的。