CN100375571C - Wcdma系统接入信道频偏估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种WCDMA系统接入信道频偏估计方法，包括如下步骤：步骤一，在不做频偏补偿的情况下检测接入信道信号中的前导部分，从而得到能量最大的多径位置；步骤二，将能量最大的多径位置的接收数据先做解扰解签名处理，再将处理结果分成若干小段；步骤三，将每小段内的数据进行相干积分处理，积分得到的结果称之为符号；步骤四，计算不同符号之间的自相关函数；步骤五，计算相邻符号之间相位角度转动的估计值；步骤六，根据符号间相位角度差和符号间的时间差算出频偏估计值。本发明的方法克服了现有技术中频偏估计不够准确、消耗硬件资源太大等缺点。

Description

WCDMA系统接入信道频偏估计方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统的接入信道频偏估计方法，特别涉及一种宽带码分多址(WCDMA)通信系统上行链路的接入信道频偏估计方法。

背景技术

随着移动通信的迅猛发展，人们对移动通信的质量及其提供的业务类型要求也越来越高，第三代移动通信的提出及发展正是符合了人们的这种需求，因此备受瞩目。宽带码分多址(WCDMA)是第三代移动通信系统标准化组织(3rdGeneration Partnership Proiect，3GPP)提出的无线传输技术(Radio TransmissionTechnology，RTT)方案，它不但能提供高质量的话音服务，而且能够提供与固定网络类似的多媒体业务。

在宽带码分多址(WCDMA)系统中，接入信道是其中一个非常重要的部分，业务的开始都是先经历接入信道接入后再建立业务链路。接入信道接收系统要检测的信号包括两部分，即前导和消息，如图1所示。其中前导有16比特的签名重复256次构成，如图2所示。其中前导检测担负着三大任务：1、检测该前导是否包含有效签名；2、检测该接入信道中含有多少有效的多径；3、频偏估计。本发明涉及的就是其中频偏估计的方法。

在现有技术中，通常预设若干个频偏(一般为4个，+/-200Hz，+/-800Hz，分别用Δf_i，i＝0，1，2，3)对接收信号进行频偏补偿，对于某个签名，对应每个频偏都有一个最大能量(用MaxEnerger_i表示采用Δf_i得到的最大能量值，i＝0，1，2，3)，那么如果MaxEnerger_i在4个最大能量中最大，就将Δf_i作为该次前导检测的频偏估计值。该频偏估计值将用于接入信道中前导之后的消息部分解调时的初始频偏补偿。由于实际系统中频偏大概在-1500到1500Hz范围(3GPP要求系统能对付这个范围内的频偏)。当前方法中，对频偏的估计非常的粗糙，表现在以下几个方面：

1、无论信噪比多高，只要实际频偏不在预设的几个频偏上，那么估计都不可能准确。

2、在实际频偏离预设值远(比如+/-1500Hz)，得到的频偏估计值和实际频偏相差太大，这将降低接收性能。

3、预设多个频偏值将消耗大量的硬件资源。

其中频偏估计值与实际频偏的偏差对消息解调性能带来的损失如图6所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种WCDMA系统接入信道频偏估计方法，克服现有技术中频偏估计不够准确、消耗硬件资源太大等缺点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种WCDMA系统接入信道频偏估计方法，根据相干积分结果中信号的旋转角度估计接入信道的频偏。

具体的，本发明提供的一种WCDMA系统接入信道频偏估计方法，应用于WCDMA系统的上行链路，其特点在于，包括如下步骤：

步骤一，在不做频偏补偿的情况下检测接入信道信号中的前导部分，从而得到能量最大的多径位置；

步骤二，将在能量最大的多径位置上接收的前导部分的数据先进行解扰解签名处理，再将处理结果分成若干小段；

步骤三，将每小段内的数据进行相干积分处理，积分得到的结果称之为符号；

步骤四，计算不同符号之间的自相关函数；

步骤五，计算相邻符号之间相位角度差；

步骤六，根据符号间相位角度差和符号间的时间差算出频偏估计值。

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤一中，具体包括如下步骤：

先和扰码相关执行解扰操作；

再经过快速哈达码变换执行解签名操作，从多径中找到能量最大的多径位置。

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤二中，是通过把解扰解签名后的数据以能被4096整除的整数N_chip为单位分成m小段，其中 $m=\frac{4096}{N_{\mathrm{chip}}}.$

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤三中，该符号 $S_i=s{e}^{j2\mathrm{\π\Δf}{t}_i},$ 其中i＝0，…，m-1；S为没有频偏的信号，Δf为频偏，t_i为时间。

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤四中，可通过下式计算不同符号之间的自相关函数R(i，k)，

$R(i,k)=S_{i+k}*{\stackrel{\‾}{S}}_i,$

其中i＝0，…，m-2；k＝1，…，m-1；R(i，k)为复数，

表示相干积分得到的结果的符号S_i的共轭符号。

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤五中，可通过下式计算相邻符号之间相位角度差

${\mathrm{\Δ\θ}}_{i,k}=\frac{a\tan \left(\frac{\mathrm{Imag}\left(R(i,k)\right)}{\mathrm{Real}\left(R(i,k)\right)}\right)}{k},$

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{(m-1)*(m-2)}\underset{i=0}{\overset{m-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{i,k}$

其中Imag，Real分别表示取复数R(i，k)的虚部和实部；atan(x)表示对x求反tangent运算。

上述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特点在于，在步骤六中，根据相邻符号之间的相位角度差

和相邻符号之间的时间差T计算频偏估计值Δf：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}}{2\mathrm{\π}*T}.$

本发明提出的频偏估计的方法与现有技术相比较，其优点在于：

1、信噪比越高，估计越准确，甚至偏差趋近于0，如图4、图5所示，图5中由于信噪比更高，即相对来说干扰更小，在干扰小的情况下，通过相位角度旋转的方式估计出来的频偏更准确，所以频偏估计值的标准方差(标准方差代表估计频偏偏离实际频偏的平均偏离情况)就明显比图4中的更小。而相对于传统的频偏估计方法来说，由于其只有固定的几个预设频偏，因此信噪比再高也没有用。

2、即使频偏非常大(比如+/-1500Hz)，频偏估计值和实际频偏值不会相差太大，如图4、图5所示，频偏估计值的标准方差比较平稳，不会随频偏变大而与真实频偏偏离太远，从而提高接入信道接收性能。

3、本发明方法不仅估计的频偏要比现有技术准确，而且所需的硬件资源远远少于现有技术预设多个频偏所需硬件资源。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为WCDMA系统上行接入信道信号示意图；

图2为WCDMA系统上行接入信道前导部分示意图；

图3为本发明具体实施步骤示意图；

图4为EcI0＝-20dB时仿真得到的估计频偏的标准方差；

图5为EcI0＝-15dB时仿真得到的估计频偏的标准方差；

图6为频偏估计偏差对消息解调性能带来的损失。

具体实施方式

本发明频偏估计方法的原理如下：

假设没有频偏的信号为S，那么有频偏的时候的信号为se^j2πΔft，其中Δf为频偏，单位为Hz(赫兹)，t为时间，单位s(秒)。假设t1，t2为两个不同的时刻，且 $S_i=s{e}^{j2\mathrm{\π\Δf}{t}_i},$ 用

表示S_i的共轭符号，那么

$S_2*{\stackrel{\‾}{S}}_1={\left|S\right|}^2{e}^{j2\mathrm{\π\Δf}(t_2-t_1)}={\left|S\right|}^2{e}^{\mathrm{j\Δ\θ}}=f(\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δt}),$ 其中Δt＝t₂-t₁

$\tan \mathrm{gent}\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=\frac{\mathrm{Imag}\left(f(\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δt})\right)}{\mathrm{Real}\left(f(\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δt})\right)},$

其中Imag，Real分别表示取复数的虚部和实部。

所以2πΔfΔt＝Δθ＝atan(f(Δf，Δt))

即： $\mathrm{\Δf}=\frac{a\tan \left(f(\mathrm{\Δf},\mathrm{\Δt})\right)}{2\mathrm{\π\Δt}}$ 为频偏估计值。

下面结合附图和实施例对本发明所述技术方案作进一步详细说明，根据下面所述具体实施方式，同一领域的技术人员可以很容易实现本发明。

如图3所示，本发明的方法主要包括以下步骤：

步骤301、在不做频偏补偿的情况下检测前导，具体包括先和扰码相关执行解扰操作，再经过FHT(快速哈达码变换)执行解签名操作，从多径中找到能量最大的多径位置。

步骤302、将在能量最大的多径位置上接收的前导部分的数据(整个前导包含4096 chip数据)先解扰解签名，再把解扰解签名后的数据以N_chip(比如256或者512等能被4096整除的整数)为单位分成若干小段，设 $m=\frac{4096}{N_{\mathrm{chip}}}.$

步骤303、每小段内的数据相干积分，积分得到的结果在这里称之为符号(复数符号)，用S_i表示，其中 $S_i=s{e}^{j2\mathrm{\π\Δf}{t}_i}$ 其中i＝0，…，m-1；S为没有频偏的信号，Δf为频偏，t_i为时间。

步骤304、计算不同符号之间的自相关函数R(i，k)，

$R(i,k)=S_{i+k}*{\stackrel{\‾}{S}}_i,i=0,...,m-2,k=1,...,m-1.$

R(i，k)为复数。

步骤305、计算相邻符号之间相位角度差：

${\mathrm{\Δ\θ}}_{i,k}=\frac{a\tan \left(\frac{\mathrm{Imag}\left(R(i,k)\right)}{\mathrm{Real}\left(R(i,k)\right)}\right)}{k},$

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{(m-1)*(m-2)}\underset{i=0}{\overset{m-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{i,k};$

其中Imag，Real分别表示取复数的虚部和实部；atan(x)表示对x求反tangent运算。

步骤306、根据相邻符号之间的相位角度差

和相邻符号之间的时间差T(单位：秒)计算频偏估计值：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}}{2\mathrm{\π}*T}$

这样得到的频偏估计值，比现有技术中预设若干个频偏的方法得到的频偏估计值更为准确。

图4和图5为仿真结果，从图中可以得到两个结论：按照本发明的频偏估计方法，首先，即使实际频偏偏离较大的情况下(比如+/-1500Hz)仍然可以比较准确地估计频偏；其次，EcI0＝-15比EcI0＝-20信噪比要高(EcI0为WCDMA中表示信噪比的一种概念，EcI0(单位dB)＝10*log(1码片信号的能量/1码片噪声的能量))，图中y轴“仿真中得到的频偏估计值的标准方差”是说明估计准确度的一个指标，标准方差越小，说明估计越准确，从图中可以看出信噪比大的时候估计更准确。

按照本发明方法，只需要计算一个预设频偏的计算量，估计出频偏之后，只需要用这个频偏去补偿来自天线端口的数据，并对步骤301中得到能量较大的若干条多径进行前导检测(这部分的计算量非常小)，而现有技术中通常采用4个预设频偏，因此采用本发明方法，只需要比现有技术所需资源的1/4略多一点点，大大减少了所需资源。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种WCDMA系统接入信道频偏估计方法，应用于WCDMA系统的上行链路，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在不做频偏补偿的情况下检测接入信道信号中的前导部分，从而得到能量最大的多径位置；

步骤二，将在能量最大的多径位置上接收的前导部分的数据先进行解扰解签名处理，再将处理结果分成若干小段；

步骤三，将每小段内的数据进行相干积分处理，积分得到的结果称之为符号；

步骤四，计算不同符号之间的自相关函数；

步骤五，计算相邻符号之间相位角度差；

步骤六，根据符号间相位角度差和符号间的时间差算出频偏估计值。

2.根据权利要求1所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤一中，具体包括如下步骤：

先和扰码相关执行解扰操作；

再经过快速哈达码变换执行解签名操作，从多径中找到能量最大的多径位置。

3.根据权利要求2所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤二中，是通过把解扰解签名后的数据以能被4096整除的整数N_chip为单位分成m小段，其中 $m=\frac{4096}{N_{\mathrm{chip}}}.$

4.根据权利要求3所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤三中，该符号 $S_i={\mathrm{Se}}^{j2\mathrm{\π}{\mathrm{\Δft}}_i},$ 其中i＝0，…，m-1；S为没有频偏的信号，Δf为频偏，t_i为时间。

5.根据权利要求4所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤四中，可通过下式计算不同符号之间的自相关函数R(i，k)，

$R(i,k)=S_{i+k}*{\stackrel{-}{S}}_i,$

其中i＝0，…，m-2；k＝1，…，m-1；R(i，k)为复数，

表示相干积分得到的结果的符号S_l的共轭符号。

6.根据权利要求5所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤五中，可通过下式计算相邻符号之间相位角度差

${\mathrm{\Δ\θ}}_{i,k}=\frac{a\tan \left(\frac{\mathrm{Imag}\left(R(i,k)\right)}{\mathrm{Real}\left(R(i,k)\right)}\right)}{k},$

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{(m-1)*(m-2)}\underset{i=0}{\overset{m-2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\θ}}_{i,k}$

其中Imag，Real分别表示取复数R(i，k)的虚部和实部；atan(x)表示对x求反tangent运算。

7.根据权利要求6所述的WCDMA系统接入信道频偏估计方法，其特征在于，在步骤六中，根据相邻符号之间的相位角度差

和相邻符号之间的时间差T计算频偏估计值Δf：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\θ}}}{2\mathrm{\π}*T}.$

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