一種基于PowerPC的直擴信號參數(shù)估計功能單元設計

摘要：文章通過平方倍頻法對直擴信號的載波頻率進行估計，然后通過自相關函數(shù)最小二乘擬合法對直擴信號的偽碼速率進行估計，在此基礎上進行基于PowerPC的通用軟件無線電平臺功能單元的設計，最終通過軟件無線電平臺下測試結果與軟件仿真的對比，驗證直擴信號參數(shù)估計功能單元設計的正確性。

0 引言

直擴通信系統(tǒng)具有工作信噪比高、抗干擾性強、截獲率低、能夠抑制多徑干擾等優(yōu)點，在移動通信、雷達、導航等多領域中都有著廣泛的應用。直擴信號參數(shù)估計成為現(xiàn)代通信對抗的檢測熱點問題，開展直擴信號參數(shù)估計可為后續(xù)的偵查提供有利的參數(shù)依據(jù)。

針對直擴信號的參數(shù)估計一般集中于信號的載波頻率、偽碼速率這兩個參數(shù)。目前直擴信號參數(shù)估計方法主要有：平方檢測法、二次譜檢測法、譜相關檢測法、高階譜檢測法、相關檢測法以及小波檢測法。

本文采用基于平方倍頻法和自相關函數(shù)最小二乘擬合法對直擴信號進行參數(shù)估計，在通用軟件無線電平臺上對直擴信號參數(shù)估計的功能單元進行設計，通過通用軟件無線電平臺測試結果與仿真結果的對比驗證了通用軟件無線電平臺下直擴信號參數(shù)估計功能單元的正確性。

1 直擴信號參數(shù)估計算法

直擴信號的調制方式一般采用BPSK，調制后的信號振幅保持不變，信號相位隨偽隨機碼變化。要估計出直擴信號的載波頻率，首先需去除相位變化所帶來的影響，可采用改進的平方倍頻法，該方法在通用軟件無線電平臺上簡單、易行，并且可使直擴信號的能量集中，具有較好的估計精度。直擴信號載波頻率估計的思路為：對信號進行平方處理并求其自相關結果，對自相關結果進行FFT變換得到 平方后信號的功率譜，通過對載波頻率的二倍頻頻率進行檢測，即可得到直擴信號載波頻率的估計值。

在載波頻率估計的前提下，采用自相關函數(shù)最小二乘擬合法對偽碼速率進行估計，此方法與譜分析檢測法相比的優(yōu)勢在于不僅適用于周期信號，同時可對非周期信號進行估計，且在通用軟件無線電平臺上比較容易實現(xiàn)。直擴信號偽碼速率估計的思路為：對輸入信號進行預處理，利用得到的載波頻率估計值對接收到的直擴信號進行混頻、濾波，得到偽隨機序列，對整形后的偽隨機序列求取自相關函數(shù)，根據(jù)自相關函數(shù)過零點進行偽碼速率估計。

2 基于PowerPC的參數(shù)估計功能單元設計

通用軟件無線電平臺功能單元的設計思想為對接收到的射頻信號直接進行數(shù)字化，將其變換為適合PowerPC處理器處理的數(shù)據(jù)流，然后通過參數(shù)估計算法來完成直擴信號的參數(shù)估計?；贔PGA+PowerPC的通用軟件無線電平臺架構如圖1所示。

基于PowerPC的直擴信號參數(shù)估計處理過程為：平臺與射頻前端直連，從天線接收而來的射頻信號經(jīng)射頻濾波、下變頻處理，將直擴信號搬移至適合處理的中頻，AD單元對數(shù)據(jù)源信號進行模擬到數(shù)字的轉換，F(xiàn)PGA單元從AD單元讀取數(shù)據(jù)，并且進行數(shù)據(jù)的存儲、封裝處理。Power PC單元在確定FPGA單元是活動的狀態(tài)下，開始與FPGA單元進行交互。交互可分為兩種方式，一種是連續(xù)模式，在這種工作模式下，F(xiàn)PGA單元會一直把數(shù)據(jù)包通過SRIO接口發(fā)送到PowerPC單元;另外一種是觸發(fā)模式，在這種工作模式下，PowerPC單元通過SRIO接口主動向FPGA單元要求數(shù)據(jù)包。兩個單元間的交互是通過握手機制來完成的，F(xiàn)PGA單元發(fā)送完成PowerPC單元要求的數(shù)據(jù)包后，由PowerPC單元進行直擴信號的載波頻率估計，再進行偽碼速率的估計，單元內的交互通過Vxworks的信號量機制完成，在參數(shù)估計完成之后同樣會給FPGA單元發(fā)送信號，向FPGA單元請求下一個數(shù)據(jù)包。

PowerPC單元內直擴信號參數(shù)估計的具體流程如下：

Step 1：設輸入的直擴信號為A·D(t)C(t)cos(2πfct+φ)，其中D(t)為信源輸入的數(shù)據(jù)信息，C(t)為移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機序列，fc為載波頻率，φ為初始相位。對其進行預處理及采樣，信號表示為S(nT);

Step 2：對采樣信號進行平方及自相關處理，結果為：

Step 3：對自相關處理后的結果進行FFT處理，得到直擴信號的功率譜密度為P(ω);

Step 4：對功率譜密度P(ω)進行載波頻率2倍頻處峰值檢測，求解載波頻率的估計值fc為d·fs/(2N)，其中d為峰值點的位置，fs為采樣頻率N為FFT處理的點數(shù);

Step 5：用載波頻率的估計值fc對輸入數(shù)據(jù)進行混頻、濾波、整形處理，得到去載波處理的基帶直擴信號調制序列估計結果為A·D(t)C(t);

Step 6：對基帶直擴信號調制序列進行自相關處理，得到歸一化自相關結果為，其中

Step 7：對歸一化自相關結果

進行最小二乘線性擬合，得到自相關函數(shù)過零點結果為(-b/a,0)。

Step 8：利用自相關函數(shù)過零點(-b/a,0)求解直擴信號偽碼速率的估計值為fp=-a/b。

直擴信號參數(shù)估計流程如下圖2所示。

3 仿真分析

在通用軟件無線電平臺功能單元設計的基礎上，進一步對直擴信號參數(shù)估計功能單元進行測試驗證。其中PowerPC選用的器件為E600系列的MPC8640D處理器。該處理器的工作主頻為1.0GHz、最高處理能力可達32GFLOPs，可滿足實時、大數(shù)據(jù)量的直擴信號參數(shù)估計要求。測試產(chǎn)生調制方式為BPSK的非周期直擴信號，其中信號載波頻率為20MHz、偽碼速率1MHz、采樣頻率為100MHz、160MHz。[!--empirenews.page--]

由圖3可以看出，采樣率為100MHz平方倍頻法的直擴信號載波頻率估計比例峰值。通過采樣頻率和采樣點數(shù)搜索到頻率譜線比例峰值位置，可以求得對應的頻率值為40MHz，將其除2就可以得到直擴信號載波頻率估計值為20MHz。由圖4可以看出，平方倍頻法的直擴信號載波頻率估計測試結果。隨著采樣率的增大，載波頻率估計精度逐漸提高。當采樣率為100MHz、采樣點數(shù)為4096時，直擴信號載波頻率估計值誤差約為1kHz;當采樣率為160MHz、采樣點數(shù)為4096時，直擴信號載波頻率估計值誤差趨近于0。

由圖5可以看出，采樣率為100MHz直擴信號去載波后的歸一化自相關函數(shù)。通過估計的載波頻率、采樣頻率和采樣點數(shù)得到歸一化自相關函數(shù)過零點的位置，進一步求得直擴信號偽碼速率。由圖6可以看出，自相關函數(shù)最小二乘擬合法的偽碼速率估計測試結果。隨著采樣率的增大，偽碼速率的估計均方誤差逐漸減小。當采樣率為100MHz、采樣點數(shù)為12288時直擴信號偽碼速率估計值誤差約為50kHz;當采樣率為160M Hz、采樣點數(shù)為12288時直擴信號偽碼速率估計值誤差約為40kHz。

為驗證直擴信號參數(shù)估計功能單元設計的正確性，在MATLAB軟件環(huán)境下采用相同的參數(shù)進行仿真對比。表1為采樣率100MHz、不同處理點數(shù)條件下載波頻率估計的對比結果。表2為采采樣率100MHz、不同處理點數(shù)條件下偽碼速率估計對比結果。

由表1和表2可以看出，直擴信號參數(shù)估計功能單元測試結果與軟件仿真結果基本吻合，從而驗證了基于平方倍頻法和自相關函數(shù)最小二乘擬合法的直擴信號參數(shù)估計功能單元設計的正確性。

4 結論

本文針對直擴信號的特點，基于PowerPC的通用軟件無線電平臺對直擴信號進行了參數(shù)估計。本文主要通過平方倍頻法和自相關函數(shù)最小二乘擬合法對直擴信號的載波頻率和偽碼速率這兩個參數(shù)進行了估計。通過軟件無線電平臺功能單元測試結果與軟件仿真的對比，驗證了基于平方倍頻法和自相關函數(shù)最小二乘擬合法直擴信