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

　　摘要：文章通過(guò)平方倍頻法對(duì)直擴(kuò)信號(hào)的載波頻率進(jìn)行估計(jì)，然后通過(guò)自相關(guān)函數(shù)最小二乘擬合法對(duì)直擴(kuò)信號(hào)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(wú)線電平臺(tái)功能單元的設(shè)計(jì)，最終通過(guò)軟件無(wú)線電平臺(tái)下測(cè)試結(jié)果與軟件仿真的對(duì)比，驗(yàn)證直擴(kuò)信號(hào)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(dòng)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(hào)參數(shù)估計(jì)成為現(xiàn)代通信對(duì)抗的檢測(cè)熱點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展直擴(kuò)信號(hào)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(duì)直擴(kuò)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)一般集中于信號(hào)的載波頻率、偽碼速率這兩個(gè)參數(shù)。目前直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法主要有：平方檢測(cè)法、二次譜檢測(cè)法、譜相關(guān)檢測(cè)法、高階譜檢測(cè)法、相關(guān)檢測(cè)法以及小波檢測(cè)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(duì)直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，在通用軟件無(wú)線電平臺(tái)上對(duì)直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)的功能單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)通用軟件無(wú)線電平臺(tái)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了通用軟件無(wú)線電平臺(tái)下直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)功能單元的正確性。

　　1 直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)算法

　　直擴(kuò)信號(hào)的調(diào)制方式一般采用BPSK，調(diào)制后的信號(hào)振幅保持不變，信號(hào)相位隨偽隨機(jī)碼變化。要估計(jì)出直擴(kuò)信號(hào)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)線電平臺(tái)上簡(jiǎn)單、易行，并且可使直擴(kuò)信號(hào)的能量集中，具有較好的估計(jì)精度。直擴(kuò)信號(hào)載波頻率估計(jì)的思路為：對(duì)信號(hào)進(jìn)行平方處理并求其自相關(guān)結(jié)果，對(duì)自相關(guān)結(jié)果進(jìn)行FFT變換得到 平方后信號(hào)的功率譜，通過(guò)對(duì)載波頻率的二倍頻頻率進(jìn)行檢測(cè)，即可得到直擴(kuò)信號(hào)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(duì)偽碼速率進(jìn)行估計(jì)，此方法與譜分析檢測(cè)法相比的優(yōu)勢(shì)在于不僅適用于周期信號(hào)，同時(shí)可對(duì)非周期信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，且在通用軟件無(wú)線電平臺(tái)上比較容易實(shí)現(xiàn)。直擴(kuò)信號(hào)偽碼速率估計(jì)的思路為：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，利用得到的載波頻率估計(jì)值對(duì)接收到的直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，得到偽隨機(jī)序列，對(duì)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(guò)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(wú)線電平臺(tái)功能單元的設(shè)計(jì)思想為對(duì)接收到的射頻信號(hào)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(guò)參數(shù)估計(jì)算法來(lái)完成直擴(kuò)信號(hào)的參數(shù)估計(jì)。基于FPGA+PowerPC的通用軟件無(wú)線電平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

　　基于PowerPC的直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)處理過(guò)程為：平臺(tái)與射頻前端直連，從天線接收而來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)射頻濾波、下變頻處理，將直擴(kuò)信號(hào)搬移至適合處理的中頻，AD單元對(duì)數(shù)據(jù)源信號(hào)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(chǔ)、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(xù)模式，在這種工作模式下，F(xiàn)PGA單元會(huì)一直把數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。兩個(gè)單元間的交互是通過(guò)握手機(jī)制來(lái)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(hào)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(guò)Vxworks的信號(hào)量機(jī)制完成，在參數(shù)估計(jì)完成之后同樣會(huì)給FPGA單元發(fā)送信號(hào)，向FPGA單元請(qǐng)求下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　PowerPC單元內(nèi)直擴(kuò)信號(hào)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(hào)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(duì)其進(jìn)行預(yù)處理及采樣，信號(hào)表示為S(nT);

　　Step 2：對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平方及自相關(guān)處理，結(jié)果為：

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

　　Step 4：對(duì)功率譜密度P(ω)進(jìn)行載波頻率2倍頻處峰值檢測(cè)，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(duì)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(hào)調(diào)制序列估計(jì)結(jié)果為A·D(t)C(t);

　　Step 6：對(duì)基帶直擴(kuò)信號(hào)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(duì)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(guò)零點(diǎn)結(jié)果為(-b/a,0)。

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

　　直擴(kuò)信號(hào)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(wú)線電平臺(tái)功能單元設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)功能單元進(jìn)行測(cè)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(hào)參數(shù)估計(jì)要求。測(cè)試產(chǎn)生調(diào)制方式為BPSK的非周期直擴(kuò)信號(hào)，其中信號(hào)載波頻率為20MHz、偽碼速率1MHz、采樣頻率為100MHz、160MHz。