OFDM水声通信定时同步的FPGA实现

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，存入长度为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：

CH1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。