[发明专利]一种基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器及补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及高速OFDM水声通信Modem实时信号处理领域，主要是一种基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器及补偿方法。

背景技术

近年来，OFDM技术在水声通信领域已得了广泛的应用，该项技术能够很好地解决由于多径效应而引起的频率选择性衰落问题，然而由于严重的多普勒频移导致的信号伸缩与载波频率偏移，使得OFDM水声通信系统的接收端产生了较为严重的子载波间干扰。多普勒频移主要是由发射机与接收机之间的相对运动、水体自身的复杂运动而引起的，由于水声信道的频带较窄，导致了多普勒频移对水声通信系统的影响比陆上无线电磁通信严重得多。水声通信通常为宽带信号，信号带宽与载频相近，此时，多普勒效应的影响不仅表现为载波频率偏移，还包括信号的伸展或压缩。因此，如何有效抑制或者消除多普勒效应对于OFDM水声通信系统的影响已成为一个重要的问题。

目前国内外水声通信Modem的FPGA主要用来进行数据采集和信号源产生及控制，信号处理算法如解调、匹配滤波、多普勒补偿、均衡解码等复杂算法在低功耗的DSP上完成，低功耗DSP往往强调低功耗，而对复杂的算法处理能力不足，为了达到实时性牺牲了信号处理的部分性能，采用单片FPGA实现水声通信Modem的数据采集、控制与信号处理的产品还处于探索性研究阶段，由于FPGA集成了丰富的可配置的逻辑块资源，还包括大量面向计算密集应用的DSP单元，块状RAM资源和高速通信的收发单元，可以进行复杂的信号处理任务，所以在FPGA上完成计算量大的任务，可以更好的发挥Modem的性能。

OFDM水声Modem中，同时进行时频二维的搜索，相关器的数量可达两千多个，低功耗的DSP难以完成实时运算，而FPGA可以利用自带的FFT IP核和乘法器实时完成大量的相关运算，并且可以根据算法选择合适的结构(并行或流水)在规定时间内完成多普勒补偿，所以采用FPGA方案是合理选择。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器及补偿方法，采用FPGA方案能充分发挥FPGA对大计算量算法实时性的优势，它可以实现两千多个的相关器实时实现，并且在计算效率和实时处理能力上较以往基于低功耗DSP的多普勒补偿器的性能有着明显的提升。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器，主要由数据预处理模块、重采样模块、复相关模块、N个复相关器最大值比较模块和载波补偿模块组成；整个算法采用流水线处理，节省了FPGA的面积。其中，数据预处理模块采用FPGA自带的RAM以乒乓读写的方式，以N倍速率读取写入的数据N次；重采样模块模块采用线性插值的方法，以减少计算量和算法的复杂度。复相关模块中的FFT和IFFT采用FPGA自带的IP核，并且采用流水线模式，复数乘法器采用自带IP核；合理选取复数乘法器的时延保证整个算法在较高的时钟频率下运行。N个复相关器最大值比较模块采用寄存器的方式寄存当前值复相关的最大值，然后与下一批数据复相关最大值进行比较，寄存两者之间的最大值及最大值所在的位置，复相关完成后，同时找出复相关最大值以及最大值的位置。

本发明所述的这种采用基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器的补偿方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将输入的数据进行数据预处理，以大于N倍输入数据速率循环读取输入数据，FPGA的数据读取时钟频率至少设为N倍输入数据速率，然后用N倍输入数据速率的时钟频率进行后续的信号处理，N为复相关器的个数；

(2)、对高速率读取的数据进行重采样，重采样采用线性插值算法；

(3)、对重采样的数据与本地存储的m序列做复相关；

(4)、比较N个相关器的最大值，估计出多普勒时间伸缩因子a和载波频偏ε；

(5)、对估计后的a和ε进行载波补偿，然后与输入的数据进行数据相乘。

本发明的有益效果为：本发明时频二维搜索多普勒补偿器可以同时估计多普勒时间伸缩因子a和载波频偏ε，采用高时钟频率循环读取输入数据，后续的信号处理采用高时钟流水线方式处理，节省了大量的逻辑资源。数据重采样采用线性插值方法实现，减少了FPGA的实现难度。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的OFDM水声Modem时频二维搜索多普勒补偿器内部构架示意框图

图2为本发明图1中重采样算法线性插值原理示意框图；