基于FPGA的BPSK信号载频估计单元设计

　　摘要：根据BPSK调制信号调制机理和平方倍频法原理，在FPGA平台上设计实现了BPSK调制信号载波频率估计单元。利用ModelSim仿真环境对载频估计功能进行仿真，验证了平方倍频法对BPSK信号进行载波信号估计的有效性。仿真表明基于FPGA的 BPSK信号载频估计单元，有较高的估计精度，且实现原理简单，有一定的实际应用价值。

　　0 引言

　　BPSK即二进制相移键控，是直扩信号中经常使用的一种调制方式，利用载波的相位变化传递数字信息，信号的振幅、频率保持恒定。BP SK调制方式具有较高传输效率、误码率低，不易受信道特性变化影响等特点，而且调制电路简单易行，频谱密度低，处理增益高，具有良好的低截获概率可能，广泛应用于雷达、保密通信和导航定位等领域。对BPSK信号的载频估计为后续的跟踪捕获等处理提供载频参数，具有重大意义。随着信号处理技术和检测技术的飞速发展，涌现出了很多估计载波频率的方法，如平方倍频法、小波相关法等。

　　1 平方倍频法频率估计原理

　　BPSK调制信号用初始相位0和π分别表示二进制“1”和“0”，BPSK信号的时域数学表达式可以表示为：

　　Sbpsk（t）=A·D（t）cos（2πft+φ）

　　式中，A代表振幅，D（t）代表二进制信息，将D（t）与载波相乘，因D（t）只有两种值，即“+1”和“-1”，分别代表“0”和“1”，使得BPSK调制信号只有两种相位，则BPSK调制信号的生成。

　　根据BPSK的调制原理，利用二进制信息对载波信号进行相位调制，使载波信号相位突变，即BPSK信号同时含有载波信息和二进制信息。因此对BPSK调制信号的载频估计应该首先将二进制信息造成的相位突变消除，只留下载波或与载波有关的成分，再进行载频估计。因为BPSK调制信号的二进制信息是±1构成的序列，可以用平方处理消除二进制信息的影响，提取其中仅与载波有关的成分进行载波频率估计。

　　2 基于FPGA的载频估计单元设计

　　载波频率估计单元首先实现对BPSK调制信号进行平方处理，然后将平方后的信号进行快速傅里叶变换（FFT），对频域进行二倍频的频域采样点输出，最后通过FFT变换的频率分辨率与输出采样点的比例关系完成载频的估计。

　　对载频估计模块的设计主要分为四部分：乘法器、FFT单元、平方求和单元、判决单元。

　　根据平方倍频法原理，对输入信号首先要进行平方处理。本单元使用XilinX公司提供的MulTIplier IP核，版本为4.0。MulTIplier IP核的两个输入信号为8位的有符号定点数，输出信号是16位的有符号定点数。将平方后的信号进行傅里叶变换之前，需要对信号进行预处理。载频估计单元的关键模块是傅里叶变换模块。使用的傅里叶模块是由Xilinx公司提供的Fast Fourier Transform IP核，版本号为7.1。该IP核要求输入数据为复数形式，因为通过乘法器计算后的数据是实数，因此对数据的预处理是加上一个为0的虚部，同时为了减少傅里叶变换的计算量，减少计算时间，这里将输入数据进行截短，只留数据的前8位，然后传送给Fast Fourier transform IP核进行计算。

　　Fast Fourier Transform IP核的功能是对输入的复数信号进行快速傅里叶运算，运算点数为1024点，输出的计算结果也为复数，xk_re为输出信号的实部，xk_im为输出信号的虚部，对计算结果进行求模需要用到两个乘法器MulTIplier IP核和一个加法器Adder Subtracter IP核，即将xk_re和xk_im分别自乘后相加，得到的结果输入判决模块。通过Fast Fourier Transform IP核进行频域变换后的结果会有直流分量存在，并且存在于输出频谱的零点处，判决模块在进行谱峰搜索时须跳过直流分量。因为计算的点数为1024点，而且输出的频域是对称的，因此每次搜索只需搜索到512点即可。当搜索到谱峰值时输出谱峰对应的采样点位置即二倍频采样点，即可输出最后的估计结果。

　　3 仿真

　　在ModelSim6.5b环境下，分别对不同码速和不同载波频率条件下载频估计单元进行仿真测试

　　当BPSK调制信号的信息速率为4000kHz时，在不同的载波频率条件下，载频估计仿真单元的仿真结果误差低，精度很高。可以看出，随着载波频率的逐渐增高，误差也逐渐增高，这是因为随着载波频率的增加，载波的周期变小，每个周期内的采样点数也在变小，因此误差也随之增加，但仿真结果表明载频估计单元依然能够有效地对BPSK调制信号进行有效的载波估计。

　　4 结论

　　本文根据BPSK信号的调制机理和平方倍频法原理，在FPGA平台上完成了BPSK载波信号的生成模块和载波频率估计单元的设计和实现;在 ModelSim6.5b环境中，在不同的参数下对载波频率估计单元进行仿真测试，仿真结果表明用平方倍频法对BPSK调制信号进行载频估计具有精度高、误差低的特点，同时在FPGA平台上利用Xilinx公司提供的IP核进行设计具有实现容易的特点，因此本载波频率估计单元具有很高的实际应用意义。