基于FPGA的BPSK信號載頻估計單元設(shè)計

　　摘要：根據(jù)BPSK調(diào)制信號調(diào)制機理和平方倍頻法原理，在FPGA平臺上設(shè)計實現(xiàn)了BPSK調(diào)制信號載波頻率估計單元。利用ModelSim仿真環(huán)境對載頻估計功能進行仿真，驗證了平方倍頻法對BPSK信號進行載波信號估計的有效性。仿真表明基于FPGA的 BPSK信號載頻估計單元，有較高的估計精度，且實現(xiàn)原理簡單，有一定的實際應(yīng)用價值。

　　0 引言

　　BPSK即二進制相移鍵控，是直擴信號中經(jīng)常使用的一種調(diào)制方式，利用載波的相位變化傳遞數(shù)字信息，信號的振幅、頻率保持恒定。BP SK調(diào)制方式具有較高傳輸效率、誤碼率低，不易受信道特性變化影響等特點，而且調(diào)制電路簡單易行，頻譜密度低，處理增益高，具有良好的低截獲概率可能，廣泛應(yīng)用于雷達、保密通信和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域。對BPSK信號的載頻估計為后續(xù)的跟蹤捕獲等處理提供載頻參數(shù)，具有重大意義。隨著信號處理技術(shù)和檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了很多估計載波頻率的方法，如平方倍頻法、小波相關(guān)法等。

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　　1 平方倍頻法頻率估計原理

　　BPSK調(diào)制信號用初始相位0和π分別表示二進制“1”和“0”，BPSK信號的時域數(shù)學(xué)表達式可以表示為：

　　Sbpsk（t）=A·D（t）cos（2πft+φ）

　　式中，A代表振幅，D（t）代表二進制信息，將D（t）與載波相乘，因D（t）只有兩種值，即“+1”和“-1”，分別代表“0”和“1”，使得BPSK調(diào)制信號只有兩種相位，則BPSK調(diào)制信號的生成。

　　根據(jù)BPSK的調(diào)制原理，利用二進制信息對載波信號進行相位調(diào)制，使載波信號相位突變，即BPSK信號同時含有載波信息和二進制信息。因此對BPSK調(diào)制信號的載頻估計應(yīng)該首先將二進制信息造成的相位突變消除，只留下載波或與載波有關(guān)的成分，再進行載頻估計。因為BPSK調(diào)制信號的二進制信息是±1構(gòu)成的序列，可以用平方處理消除二進制信息的影響，提取其中僅與載波有關(guān)的成分進行載波頻率估計。

　　2 基于FPGA的載頻估計單元設(shè)計

　　載波頻率估計單元首先實現(xiàn)對BPSK調(diào)制信號進行平方處理，然后將平方后的信號進行快速傅里葉變換（FFT），對頻域進行二倍頻的頻域采樣點輸出，最后通過FFT變換的頻率分辨率與輸出采樣點的比例關(guān)系完成載頻的估計。

　　對載頻估計模塊的設(shè)計主要分為四部分：乘法器、FFT單元、平方求和單元、判決單元。

　　根據(jù)平方倍頻法原理，對輸入信號首先要進行平方處理。本單元使用XilinX公司提供的Multiplier IP核，版本為4.0。Multiplier IP核的兩個輸入信號為8位的有符號定點數(shù)，輸出信號是16位的有符號定點數(shù)。將平方后的信號進行傅里葉變換之前，需要對信號進行預(yù)處理。載頻估計單元的關(guān)鍵模塊是傅里葉變換模塊。使用的傅里葉模塊是由Xilinx公司提供的Fast Fourier Transform IP核，版本號為7.1。該IP核要求輸入數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)形式，因為通過乘法器計算后的數(shù)據(jù)是實數(shù)，因此對數(shù)據(jù)的預(yù)處理是加上一個為0的虛部，同時為了減少傅里葉變換的計算量，減少計算時間，這里將輸入數(shù)據(jù)進行截短，只留數(shù)據(jù)的前8位，然后傳送給Fast Fourier transform IP核進行計算。

　　Fast Fourier Transform IP核的功能是對輸入的復(fù)數(shù)信號進行快速傅里葉運算，運算點數(shù)為1024點，輸出的計算結(jié)果也為復(fù)數(shù)，xk_re為輸出信號的實部，xk_im為輸出信號的虛部，對計算結(jié)果進行求模需要用到兩個乘法器Multiplier IP核和一個加法器Adder Subtracter IP核，即將xk_re和xk_im分別自乘后相加，得到的結(jié)果輸入判決模塊。通過Fast Fourier Transform IP核進行頻域變換后的結(jié)果會有直流分量存在，并且存在于輸出頻譜的零點處，判決模塊在進行譜峰搜索時須跳過直流分量。因為計算的點數(shù)為1024點，而且輸出的頻域是對稱的，因此每次搜索只需搜索到512點即可。當(dāng)搜索到譜峰值時輸出譜峰對應(yīng)的采樣點位置即二倍頻采樣點，即可輸出最后的估計結(jié)果。

　　3 仿真

　　在ModelSim6.5b環(huán)境下，分別對不同碼速和不同載波頻率條件下載頻估計單元進行仿真測試

　　當(dāng)BPSK調(diào)制信號的信息速率為4000kHz時，在不同的載波頻率條件下，載頻估計仿真單元的仿真結(jié)果誤差低，精度很高?？梢钥闯?，隨著載波頻率的逐漸增高，誤差也逐漸增高，這是因為隨著載波頻率的增加，載波的周期變小，每個周期內(nèi)的采樣點數(shù)也在變小，因此誤差也隨之增加，但仿真結(jié)果表明載頻估計單元依然能夠有效地對BPSK調(diào)制信號進行有效的載波估計。

　　4 結(jié)論

　　本文根據(jù)BPSK信號的調(diào)制機理和平方倍頻法原理，在FPGA平臺上完成了BPSK載波信號的生成模塊和載波頻率估計單元的設(shè)計和實現(xiàn);在 ModelSim6.5b環(huán)境中，在不同的參數(shù)下對載波頻率估計單元進行仿真測試，仿真結(jié)果表明用平方倍頻法對BPSK調(diào)制信號進行載頻估計具有精度高、誤差低的特點，同時在FPGA平臺上利用Xilinx公司提供的IP核進行設(shè)計具有實現(xiàn)容易的特點，因此本載波頻率估計單元具有很高的實際應(yīng)用意義。