一种基于PowerPC的直扩信号参数估计功能单元设计

摘要：文章通过平方倍频法对直扩信号的载波频率进行估计，然后通过自相关函数最小二乘拟合法对直扩信号的伪码速率进行估计，在此基础上进行基于PowerPC的通用软件无线电平台功能单元的设计，最终通过软件无线电平台下测试结果与软件仿真的对比，验证直扩信号参数估计功能单元设计的正确性。

0 引言

直扩通信系统具有工作信噪比高、抗干扰性强、截获率低、能够抑制多径干扰等优点，在移动通信、雷达、导航等多领域中都有着广泛的应用。直扩信号参数估计成为现代通信对抗的检测热点问题，开展直扩信号参数估计可为后续的侦查提供有利的参数依据。

针对直扩信号的参数估计一般集中于信号的载波频率、伪码速率这两个参数。目前直扩信号参数估计方法主要有：平方检测法、二次谱检测法、谱相关检测法、高阶谱检测法、相关检测法以及小波检测法。

本文采用基于平方倍频法和自相关函数最小二乘拟合法对直扩信号进行参数估计，在通用软件无线电平台上对直扩信号参数估计的功能单元进行设计，通过通用软件无线电平台测试结果与仿真结果的对比验证了通用软件无线电平台下直扩信号参数估计功能单元的正确性。

1 直扩信号参数估计算法

直扩信号的调制方式一般采用BPSK，调制后的信号振幅保持不变，信号相位随伪随机码变化。要估计出直扩信号的载波频率，首先需去除相位变化所带来的影响，可采用改进的平方倍频法，该方法在通用软件无线电平台上简单、易行，并且可使直扩信号的能量集中，具有较好的估计精度。直扩信号载波频率估计的思路为：对信号进行平方处理并求其自相关结果，对自相关结果进行FFT变换得到 平方后信号的功率谱，通过对载波频率的二倍频频率进行检测，即可得到直扩信号载波频率的估计值。

在载波频率估计的前提下，采用自相关函数最小二乘拟合法对伪码速率进行估计，此方法与谱分析检测法相比的优势在于不仅适用于周期信号，同时可对非周期信号进行估计，且在通用软件无线电平台上比较容易实现。直扩信号伪码速率估计的思路为：对输入信号进行预处理，利用得到的载波频率估计值对接收到的直扩信号进行混频、滤波，得到伪随机序列，对整形后的伪随机序列求取自相关函数，根据自相关函数过零点进行伪码速率估计。

2 基于PowerPC的参数估计功能单元设计

通用软件无线电平台功能单元的设计思想为对接收到的射频信号直接进行数字化，将其变换为适合PowerPC处理器处理的数据流，然后通过参数估计算法来完成直扩信号的参数估计。基于FPGA+PowerPC的通用软件无线电平台架构如图1所示。

基于PowerPC的直扩信号参数估计处理过程为：平台与射频前端直连，从天线接收而来的射频信号经射频滤波、下变频处理，将直扩信号搬移至适合处理的中频，AD单元对数据源信号进行模拟到数字的转换，FPGA单元从AD单元读取数据，并且进行数据的存储、封装处理。Power PC单元在确定FPGA单元是活动的状态下，开始与FPGA单元进行交互。交互可分为两种方式，一种是连续模式，在这种工作模式下，FPGA单元会一直把数据包通过SRIO接口发送到PowerPC单元;另外一种是触发模式，在这种工作模式下，PowerPC单元通过SRIO接口主动向FPGA单元要求数据包。两个单元间的交互是通过握手机制来完成的，FPGA单元发送完成PowerPC单元要求的数据包后，由PowerPC单元进行直扩信号的载波频率估计，再进行伪码速率的估计，单元内的交互通过Vxworks的信号量机制完成，在参数估计完成之后同样会给FPGA单元发送信号，向FPGA单元请求下一个数据包。

PowerPC单元内直扩信号参数估计的具体流程如下：

Step 1：设输入的直扩信号为A·D(t)C(t)cos(2πfct+φ)，其中D(t)为信源输入的数据信息，C(t)为移位寄存器产生的伪随机序列，fc为载波频率，φ为初始相位。对其进行预处理及采样，信号表示为S(nT);

Step 2：对采样信号进行平方及自相关处理，结果为：

Step 3：对自相关处理后的结果进行FFT处理，得到直扩信号的功率谱密度为P(ω);

Step 4：对功率谱密度P(ω)进行载波频率2倍频处峰值检测，求解载波频率的估计值fc为d·fs/(2N)，其中d为峰值点的位置，fs为采样频率N为FFT处理的点数;

Step 5：用载波频率的估计值fc对输入数据进行混频、滤波、整形处理，得到去载波处理的基带直扩信号调制序列估计结果为A·D(t)C(t);

Step 6：对基带直扩信号调制序列进行自相关处理，得到归一化自相关结果为，其中

Step 7：对归一化自相关结果

进行最小二乘线性拟合，得到自相关函数过零点结果为(-b/a,0)。

Step 8：利用自相关函数过零点(-b/a,0)求解直扩信号伪码速率的估计值为fp=-a/b。

直扩信号参数估计流程如下图2所示。

3 仿真分析

在通用软件无线电平台功能单元设计的基础上，进一步对直扩信号参数估计功能单元进行测试验证。其中PowerPC选用的器件为E600系列的MPC8640D处理器。该处理器的工作主频为1.0GHz、最高处理能力可达32GFLOPs，可满足实时、大数据量的直扩信号参数估计要求。测试产生调制方式为BPSK的非周期直扩信号，其中信号载波频率为20MHz、伪码速率1MHz、采样频率为100MHz、160MHz。[!--empirenews.page--]

由图3可以看出，采样率为100MHz平方倍频法的直扩信号载波频率估计比例峰值。通过采样频率和采样点数搜索到频率谱线比例峰值位置，可以求得对应的频率值为40MHz，将其除2就可以得到直扩信号载波频率估计值为20MHz。由图4可以看出，平方倍频法的直扩信号载波频率估计测试结果。随着采样率的增大，载波频率估计精度逐渐提高。当采样率为100MHz、采样点数为4096时，直扩信号载波频率估计值误差约为1kHz;当采样率为160MHz、采样点数为4096时，直扩信号载波频率估计值误差趋近于0。

由图5可以看出，采样率为100MHz直扩信号去载波后的归一化自相关函数。通过估计的载波频率、采样频率和采样点数得到归一化自相关函数过零点的位置，进一步求得直扩信号伪码速率。由图6可以看出，自相关函数最小二乘拟合法的伪码速率估计测试结果。随着采样率的增大，伪码速率的估计均方误差逐渐减小。当采样率为100MHz、采样点数为12288时直扩信号伪码速率估计值误差约为50kHz;当采样率为160M Hz、采样点数为12288时直扩信号伪码速率估计值误差约为40kHz。

为验证直扩信号参数估计功能单元设计的正确性，在MATLAB软件环境下采用相同的参数进行仿真对比。表1为采样率100MHz、不同处理点数条件下载波频率估计的对比结果。表2为采采样率100MHz、不同处理点数条件下伪码速率估计对比结果。

由表1和表2可以看出，直扩信号参数估计功能单元测试结果与软件仿真结果基本吻合，从而验证了基于平方倍频法和自相关函数最小二乘拟合法的直扩信号参数估计功能单元设计的正确性。

4 结论

本文针对直扩信号的特点，基于PowerPC的通用软件无线电平台对直扩信号进行了参数估计。本文主要通过平方倍频法和自相关函数最小二乘拟合法对直扩信号的载波频率和伪码速率这两个参数进行了估计。通过软件无线电平台功能单元测试结果与软件仿真的对比，验证了基于平方倍频法和自相关函数最小二乘拟合法直扩信