一種基于PowerPC的直擴信號參數估計功能單元設計

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

　　0 引言

　　直擴通信系統具有工作信噪比高、抗干擾性強、截獲率低、能夠抑制多徑干擾等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信、雷達、導航等多領(lǐng)域中都有著(zhù)廣泛的應用。直擴信號參數估計成為現代通信對抗的檢測熱點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展直擴信號參數估計可為后續的偵查提供有利的參數依據。

　　針對直擴信號的參數估計一般集中于信號的載波頻率、偽碼速率這兩個(gè)參數。目前直擴信號參數估計方法主要有：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)函數最小二乘擬合法對直擴信號進(jìn)行參數估計，在通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺上對直擴信號參數估計的功能單元進(jìn)行設計，通過(guò)通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺測試結果與仿真結果的對比驗證了通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺下直擴信號參數估計功能單元的正確性。

　　1 直擴信號參數估計算法

　　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(lái)的影響，可采用改進(jìn)的平方倍頻法，該方法在通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺上簡(jiǎn)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(jìn)行平方處理并求其自相關(guān)結果，對自相關(guān)結果進(jìn)行FFT變換得到 平方后信號的功率譜，通過(guò)對載波頻率的二倍頻頻率進(jìn)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(guān)函數最小二乘擬合法對偽碼速率進(jìn)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(shí)可對非周期信號進(jìn)行估計，且在通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺上比較容易實(shí)現。直擴信號偽碼速率估計的思路為：對輸入信號進(jìn)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(jìn)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(guān)函數，根據自相關(guān)函數過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行偽碼速率估計。

　　2 基于PowerPC的參數估計功能單元設計

　　通用軟件無(wú)線(xiàn)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(jìn)行數字化，將其變換為適合PowerPC處理器處理的數據流，然后通過(guò)參數估計算法來(lái)完成直擴信號的參數估計?；贔PGA+PowerPC的通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺架構如圖1所示。

　　基于PowerPC的直擴信號參數估計處理過(guò)程為：平臺與射頻前端直連，從天線(xiàn)接收而來(lái)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單元對數據源信號進(jìn)行模擬到數字的轉換，FPGA單元從AD單元讀取數據，并且進(jìn)行數據的存儲、封裝處理。Power PC單元在確定FPGA單元是活動(dòng)的狀態(tài)下，開(kāi)始與FPGA單元進(jìn)行交互。交互可分為兩種方式，一種是連續模式，在這種工作模式下，FPGA單元會(huì )一直把數據包通過(guò)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(guò)SRIO接口主動(dòng)向FPGA單元要求數據包。兩個(gè)單元間的交互是通過(guò)握手機制來(lái)完成的，FPGA單元發(fā)送完成PowerPC單元要求的數據包后，由PowerPC單元進(jìn)行直擴信號的載波頻率估計，再進(jìn)行偽碼速率的估計，單元內的交互通過(guò)Vxworks的信號量機制完成，在參數估計完成之后同樣會(huì )給FPGA單元發(fā)送信號，向FPGA單元請求下一個(gè)數據包。

　　PowerPC單元內直擴信號參數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)為信源輸入的數據信息，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(jìn)行預處理及采樣，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，結果為：

　　Step 3：對自相關(guān)處理后的結果進(jìn)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(jìn)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(diǎn)的位置，fs為采樣頻率N為FFT處理的點(diǎn)數;

　　Step 5：用載波頻率的估計值fc對輸入數據進(jìn)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(jìn)行自相關(guān)處理，得到歸一化自相關(guān)結果為，其中

　　Step 7：對歸一化自相關(guān)結果

　　進(jìn)行最小二乘線(xiàn)性擬合，得到自相關(guān)函數過(guò)零點(diǎn)結果為(-b/a,0)。

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

　　直擴信號參數估計流程如下圖2所示。

　　3 仿真分析

　　在通用軟件無(wú)線(xiàn)電平臺功能單元設計的基礎上，進(jìn)一步對直擴信號參數估計功能單元進(jìn)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(mǎn)足實(shí)時(shí)、大數據量的直擴信號參數估計要求。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。