ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·探索与观察 中国人民３２０９０安佰强 周 强 董旭明 杨铁新 【摘要】通过对比分析时域载频估计法和频域载频估计法，对频率居中法进实施优化，改进其抗噪性能，降低算法复杂度，实现对通信信号 的载频实时估计，并进行Ｍａｔｌａｂ仿真验证。最终在ＦＰＧＡ．ｋ．实现，达到以最少的计算资源获得最大载频实时估计精度的目的 【关键词】数字通信；载频实时估计；Ｍａｔｌａｂ４￣＂真；ＦＰＧＡ实现 ０引言 ＝ 载频是数字通信信号最基本的参数之一，对载频进行实时、准 确的估计，是对通信信号进行调制识别和分析，对通信设备进行有 · ／Ⅳ （３） 效侦察和干扰的前提。关于载频的估计，已经有很多成熟的算法， 但这些算法不是需要调制类型等先验知识，就是计算方法复杂，不 利于进行实时估计。本文通过对常用的时域载频估计法和频域载频 估计法进行对比分析，并对频域载频估计法中的频率居中法进行改 进，以最少的计算资源获得最大的载频估计精度，并且非常容易在 ＦＰＧＡ上实现 式中， ｆ）为信号的 ｚ变换， 为采样频率，｜Ⅳ为 ｚ变换点数。 频率居中法实际上是依据频谱峰值左右的对称性来估计载频 的。这种方法虽然提高了估计精度和抗噪声能力，但同样具有一定 的局限性。如图ｌ所示，当频率峰值接近频谱边缘时，频谱峰值的 对称性会遭到破坏，从而产生较大误差 １基本原理 时域法载频估计，通过计量一定数量的信号周期总共占有多长 ∑ 一∑枷 时间来推算载波的频率。设对接收到的信号 的频率进行采样， 数出一段信号极性改变ｒ１次的时间，设这段时间有ｍ个采样点，即 这段时间为 ＝ ，则信号的载频可以估计为： · （１） ａ）谱峰对称性较好的频谱 （ｂ）谱峰对称性较差的频谱 图１频率居中法载频估计 改进频率居中法，令ａｔ＝ｍａｘ（Ｚ），以ａｔ／２和ａｔ／４为门限，截取 频谱谱峰对称性较好的中间一段数据，再按（３）式进行计算，可 表示为： 由于ｍ为整数个采样时钟周期，因此对时间计量的最大精度为 …个采样时钟周期，所以载频估计的相对精度为 ，当ｍ较小时， 误差会很大。 频域法载频估计，对接收到的信号做 变换，将时域信息变 换成频域信息。频谱上的峰值对应的频率点即为信号载频。设采样 频率为． ，傅立叶变换点数为Ｎ点，频谱峰值对应频点为ｍ，则载 频为： ＝＝ —∑ｉｌＺ。（ｉ）ｆ ∑ＩＺ’（０１ · ／Ｎ ——————一 Ｎ／２－１ 其中： 等 （２） 载频精度也会随之提高。但实际 ｚ ： ｂｚ出（ｏ 利用这种方法估计载频，理论上的估计精度为： 采用这种方法，在频谱谱峰对称性受到破坏的情况下，仍能够 比较精确的估计出信号的载波频率。 ２算法仿真 ￣ＱＰＳＫ调制信号为例，在不同的噪声条件下分别用两种方法 对ＱＰＳＫ调制信号进行载频估计。 ｌ卜，这种方法没有充分利用其它频点的信息，在有噪声时很难精确 估计载频。 频率居中法是基于上述方法的～种改进，它充分利用了各个频 点所携带的频率信息，具有精度高、受噪声影响小的特点。其计算 公式为： 假设信号载频 ＝２５ＭＨｚ。码元速 ＝＝ｌＭＨｚ，采样频瓤 ＩＯＯＭＨｚ，每个噪声条件下积累５Ｏ次估计结果并求平均值。仿真结 ·６６· 屯早世界 ＥＬＥＣ＿ＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ· ｊ黄啕习雹 赛 果如图２所示。 稍 磐 靛 器 替 骚 ＳＮＲ＾ｄＢ 图２时域法与改进的频率居中法载频估计抗噪性能比较 通过仿真对比分析可得，在较高的信噪比下，时域法和改进的频 率居中法对信号载频的估计精度相差不大，但随着信噪比的降低，时 域法估计误差明显增大，而改进的频率居中法变化不大。在信噪比低 于０ｄＢ的情况下，频率居中法仍可以较好的估计出载波频率。 ３ 在ＦＰＧＡ上的实现 数字通信信号经过采集处理以后，以Ｉ、Ｑ两路正交信号的方式 传输到ＦｐＧＡ上，其中每路信号以１６ｂｉｔ有符号二进制数表示。载频 估计算法的实现流程如图３所示。图中对应变量符号的数字代表变 量符号所使用的二进制位数。 由图３所示中可以看出，整个计算流程主要包括一个 块、三个乘法模块和一个除法模块，这些都是占用ＦＰＧＡ资源较多 的模块，可以直接使用Ｘｉｌｉｎｘ提供的ＩＰＣｏｒｅ，其中 珀ｑＩＰＣｏｒｅ设置 为流水线工作模式，并选择“Ｓｃａｌｅｄ”。其它ＩＰＣｏｒｅ都支持流水线 处理方式。 图３载频估计流程图 图中输出结果 对应为ＦＦＴ的频谱点数，换算成载频为 ＝厶· ／Ｎ。在本系统中， 嗽置为２０４８点，ｆｉＰＮ＝２０４８，采用 改进的频率居中法来估计载频，误差应该小于，：／Ⅳ，继而推断出可 以采用１６ｂｉｔ￣进制数表示厶，其中高１ｌｂｉｔ代表整数部分，低５ｂｉｔ代 表小数部分。对整数和小数位的设置可以通过除法的ＩＰＣｏｒｅ完成。 载频估计的输入是两路正交Ｉ、Ｑ信号，各用１６ｂｉｔ￣进制符号数 表示，经￣＿ＦＦｒ４ｇ立叶变换求出频谱后，用３２ｂｉｔ￣进制无符号数表 示频谱幅度 ｆ的最大取值为Ⅳ／２－１，即１０２３，可以用ｌＯｂｉｔ＿￣进制 无符号数表示。因此，乘法模块ｚ（ｉ）·ｆ的两路输入信号的位宽分别 为３２ｂｉｔ和１０ｂｉｔ。在之后的求和过程中，信号的位宽还会增加，除法 模块的输入位宽也会随之增大。这些增加的位宽超出了计算结果 的需要，使得采用的乘法和除法ＩＰＣｏｒｅ浪费了大量的资源。 可以通过优化算法来节约这部分资源。载频的估计，关键在于 求频谱谱峰所对应的频点位置，对谱峰的幅度并不关心。因此，在 计算频谱时可以不使用占用资源较大的乘法器，而直接将经过 变换的两路正交信号取绝对值相加。通过这种方法不仅节约了资 源，而且降低了数据位宽，进而降低了后续计算模块使用的资源。 优化后的算法流程如图４所示。 图４优化的载频估计流程图 优化前后使用资源的情况如表１所示。 表１载频估计算法优化前后资源使用比较 ＼＼资源 优化前 优化后 ＼ 数量 资源使用 数量 资源使用 ＸｔｒｅｍｅＤＳＰ：２０ ＸｔｒｅｍｅＤＳＰ：２０ ＦＦＴ １个 Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭｓ：７ １个 Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭＳ：７ ＬＵＴ４ｓ：２８０ 乘法 ３个 ＬＵＴ４ｓ：２８０ Ｖｉ＂ ＵＪＴ４ｓ：１７Ｏ ＬＵＴ４ｓ：３１４ 除法 １５１ 相同 １５＂ 相同 从表中可以看出，对算法做适当的优化，可以节约大量的片上 资源，并降低算法的实现难度。在ＩＳＥ１１．３版本中的除法ＩＰＣｏｒｅ，被 除数和除数位宽最大为３２ｂｉｔ。因此需要对输入的位宽做取舍，选择 被除数位宽３２ｂｈ，除数位宽２２ｂｉｔ。虽然优化前后的除法ＩＰＣｏｒｅ使用 资源相同，但是优化前除法输入位宽舍去的比优化后的要多，其计 算精度不如优化后的除法模块。 ４结论 本文提出的优化的频率居中法可以在较高的信噪比下对通信 信号进行载频实时估计，在ＦＰＧＡ中实现时，能够降低算法实现难 度，节约片上资源。 参考文献 …李坡．宽带数字侦察接收系统关键技术研究与实现［Ｄ】，长沙国 防科学技术大学博士学位论文，２０１０． ［２】阙隆树．数字通信信号自动调制识别中的分类器设计与实现［Ｄ】． 西南交通大学硕士学位论文，２０１０． 【３１胡建伟，汤建龙，杨绍全．使用小波变换的ＭＰＳＫ信号调制类型 识别Ⅱ】＿电路与系统学报，２００６，１１（３）：１３０—１３４． ［４］＿Ｙ－－－，＿＃－乾，赵国庆，郑文秀．基于现代谱估计的ＰＳＫ信号频率估计 方法Ｕ１．现代电子技术，２００３，２３：４４—４７． 作者简介： 安佰强（１９８２一），男，山东日照人，硕士，工程师，现供职 于３２０９０，研究方向：信息获取、处理与识别技术。 电子世鼻 ·６７·
