一種基于PowerPC的直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)功能單元設(shè)計(jì)

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

0 引言

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

針對直擴(kuò)信號的參數(shù)估計(jì)一般集中于信號的載波頻率、偽碼速率這兩個(gè)參數(shù)。目前直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)方法主要有：平方檢測法、二次譜檢測法、譜相關(guān)檢測法、高階譜檢測法、相關(guān)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(guān)函數(shù)最小二乘擬合法對直擴(kuò)信號進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，在通用軟件無線電平臺上對直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)的功能單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過通用軟件無線電平臺測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比驗(yàn)證了通用軟件無線電平臺下直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)功能單元的正確性。

1 直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)算法

直擴(kuò)信號的調(diào)制方式一般采用BPSK，調(diào)制后的信號振幅保持不變，信號相位隨偽隨機(jī)碼變化。要估計(jì)出直擴(kuò)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(jìn)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(kuò)信號的能量集中，具有較好的估計(jì)精度。直擴(kuò)信號載波頻率估計(jì)的思路為：對信號進(jìn)行平方處理并求其自相關(guān)結(jié)果，對自相關(guān)結(jié)果進(jìn)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(jìn)行檢測，即可得到直擴(kuò)信號載波頻率的估計(jì)值。

在載波頻率估計(jì)的前提下，采用自相關(guān)函數(shù)最小二乘擬合法對偽碼速率進(jìn)行估計(jì)，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(shí)可對非周期信號進(jìn)行估計(jì)，且在通用軟件無線電平臺上比較容易實(shí)現(xiàn)。直擴(kuò)信號偽碼速率估計(jì)的思路為：對輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，利用得到的載波頻率估計(jì)值對接收到的直擴(kuò)信號進(jìn)行混頻、濾波，得到偽隨機(jī)序列，對整形后的偽隨機(jī)序列求取自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)過零點(diǎn)進(jìn)行偽碼速率估計(jì)。

2 基于PowerPC的參數(shù)估計(jì)功能單元設(shè)計(jì)

通用軟件無線電平臺功能單元的設(shè)計(jì)思想為對接收到的射頻信號直接進(jìn)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(jì)算法來完成直擴(kuò)信號的參數(shù)估計(jì)?；贔PGA+PowerPC的通用軟件無線電平臺架構(gòu)如圖1所示。

基于PowerPC的直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)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(kuò)信號搬移至適合處理的中頻，AD單元對數(shù)據(jù)源信號進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA單元從AD單元讀取數(shù)據(jù)，并且進(jìn)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(jìn)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(gè)單元間的交互是通過握手機(jī)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(jìn)行直擴(kuò)信號的載波頻率估計(jì)，再進(jìn)行偽碼速率的估計(jì)，單元內(nèi)的交互通過Vxworks的信號量機(jī)制完成，在參數(shù)估計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)包。

PowerPC單元內(nèi)直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)的具體流程如下：

Step 1：設(shè)輸入的直擴(kuò)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(jī)序列，fc為載波頻率，φ為初始相位。對其進(jìn)行預(yù)處理及采樣，信號表示為S(nT);

Step 2：對采樣信號進(jìn)行平方及自相關(guān)處理，結(jié)果為：

Step 3：對自相關(guān)處理后的結(jié)果進(jìn)行FFT處理，得到直擴(kuò)信號的功率譜密度為P(ω);

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

Step 5：用載波頻率的估計(jì)值fc對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻、濾波、整形處理，得到去載波處理的基帶直擴(kuò)信號調(diào)制序列估計(jì)結(jié)果為A·D(t)C(t);

Step 6：對基帶直擴(kuò)信號調(diào)制序列進(jìn)行自相關(guān)處理，得到歸一化自相關(guān)結(jié)果為，其中

Step 7：對歸一化自相關(guān)結(jié)果

進(jìn)行最小二乘線性擬合，得到自相關(guān)函數(shù)過零點(diǎn)結(jié)果為(-b/a,0)。

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

直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)功能單元進(jìn)行測試驗(yàn)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(dá)32GFLOPs，可滿足實(shí)時(shí)、大數(shù)據(jù)量的直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)要求。測試產(chǎn)生調(diào)制方式為BPSK的非周期直擴(kuò)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(kuò)信號載波頻率估計(jì)比例峰值。通過采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)搜索到頻率譜線比例峰值位置，可以求得對應(yīng)的頻率值為40MHz，將其除2就可以得到直擴(kuò)信號載波頻率估計(jì)值為20MHz。由圖4可以看出，平方倍頻法的直擴(kuò)信號載波頻率估計(jì)測試結(jié)果。隨著采樣率的增大，載波頻率估計(jì)精度逐漸提高。當(dāng)采樣率為100MHz、采樣點(diǎn)數(shù)為4096時(shí)，直擴(kuò)信號載波頻率估計(jì)值誤差約為1kHz;當(dāng)采樣率為160MHz、采樣點(diǎn)數(shù)為4096時(shí)，直擴(kuò)信號載波頻率估計(jì)值誤差趨近于0。

由圖5可以看出，采樣率為100MHz直擴(kuò)信號去載波后的歸一化自相關(guān)函數(shù)。通過估計(jì)的載波頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)得到歸一化自相關(guān)函數(shù)過零點(diǎn)的位置，進(jìn)一步求得直擴(kuò)信號偽碼速率。由圖6可以看出，自相關(guān)函數(shù)最小二乘擬合法的偽碼速率估計(jì)測試結(jié)果。隨著采樣率的增大，偽碼速率的估計(jì)均方誤差逐漸減小。當(dāng)采樣率為100MHz、采樣點(diǎn)數(shù)為12288時(shí)直擴(kuò)信號偽碼速率估計(jì)值誤差約為50kHz;當(dāng)采樣率為160M Hz、采樣點(diǎn)數(shù)為12288時(shí)直擴(kuò)信號偽碼速率估計(jì)值誤差約為40kHz。

為驗(yàn)證直擴(kuò)信號參數(shù)估計(jì)功能單元設(shè)計(jì)的正確性，在MATLAB軟件環(huán)境下采用相同的參數(shù)進(jìn)行仿真對比。表1為采樣率100MHz、不同處理點(diǎn)數(shù)條件下載波頻率估計(jì)的對比結(jié)果。表2為采采樣率100MHz、不同處理點(diǎn)數(shù)條件下偽碼速率估計(jì)對比結(jié)果。

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

4 結(jié)論

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