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

　　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，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，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，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，驗證直擴(kuò)信號參數(shù)估計功能單元設(shè)計的正確性。

　　0 引言

　　直擴(kuò)通信系統(tǒng)具有工作信噪比高、抗干擾性強、截獲率低、能夠抑制多徑干擾等優(yōu)點，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)估計成為現(xiàn)代通信對抗的檢測熱點問題，開展直擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(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，在通用軟件無線電平臺上對直擴(kuò)信號參數(shù)估計的功能單元進(jìn)行設(shè)計，通過通用軟件無線電平臺測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比驗證了通用軟件無線電平臺下直擴(kuò)信號參數(shù)估計功能單元的正確性。

　　1 直擴(kuò)信號參數(shù)估計算法

　　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，具有較好的估計精度。直擴(kuò)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(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值。

　　在載波頻率估計的前提下，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，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(jìn)行估計，且在通用軟件無線電平臺上比較容易實現(xiàn)。直擴(kuò)信號偽碼速率估計的思路為：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)過零點進(jìn)行偽碼速率估計。

　　2 基于PowerPC的參數(shù)估計功能單元設(shè)計

　　通用軟件無線電平臺功能單元的設(shè)計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)估計算法來完成直擴(kuò)信號的參數(shù)估計?；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，再進(jìn)行偽碼速率的估計，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(nèi)直擴(kuò)信號參數(shù)估計的具體流程如下：

　　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(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)過零點結(jié)果為(-b/a,0)。

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

　　直擴(kuò)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(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對直擴(kuò)信號參數(shù)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(dá)32GFLOPs，可滿足實時、大數(shù)據(jù)量的直擴(kuò)信號參數(shù)估計要求。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。