CN101521524B - 一种td-scdma信号的频率误差测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及TD-SCDMA终端射频一致性测试应用领域，提供一种TD-SCDMA信号的频率误差测试方法。通过对TD-SCDMA终端发射的射频信号进行下变频、A/D变换，使之变为数字信号，将此信号与数字本振混频形成I路信号，并与数字本振移相90°混频形成Q路信号，形成TD-SCDMA信号数据流，采用载波提取方法消除调制信息，对接收信号的功率谱进行平滑处理，提高在低信噪比条件下对射频信号的频率误差测试准确性；通过采用FFT变换和CZT变换有效的结合，提高TD-SCDMA射频信号的频率误差测试的精度。该方法可以在低信噪比下精确测量TD-SCDMA终端发出射频信号的频率误差，同时具有较大范围内测量频率误差能力。

Description

一种TD-SCDMA信号的频率误差测试方法

所属技术领域

本发明涉及TD-SCDMA终端射频一致性测试应用领域，提供一种TD-SCDMA信号的频率误差测试方法，具体地说涉及TD-SCDMA终端测试装置在低信噪比下测量TD-SCDMA终端发出射频信号的频率误差。

背景技术

TD-SCDMA终端频率误差测试在TD-SCDMA终端研发、生产以及射频故障定位等方面都有着非常重要的作用，常见的应用于TD-SCDMA终端整机射频一致性测试、板级频率校准测试等场合。

已有的频率误差测量其技术方法主要是：(1)利用按照块内时不变信道估计和联合检测算法得到的结果进行处理，根据靠近信道估计码的部分数据符号的判决结果对信道变化进行估计，利用估计的偏差进行跌代校准运算处理，最终得到恢复的发送数据和精确的偏差估计。这种方法在一定的频差范围内可以得到很好的频率偏差测量结果，其信噪比性能良好。但是，这种方法在TD-SCDMA终端发射射频信号载波频偏较大情况下测量频率误差时，测试精度很差，无法满足TD-SCDMA终端板级频率校准测试的技术指标要求。(2)利用下行导频时隙(DwPTS)中下行同步序列(SYNC_DL)。SYNC_DL是已知的序列，接收的信号可能是多个SYNC_DL的多径组成，先分析接收到的信号，再由本地生成无相位旋转的参考信号，两者相比，可得到相位差。因为SYNC_DL较短，只有64码片，包含的相位变化信息有限，所以频率误差测量精度比较差。该测试方法无法满足TD-SCDMA终端频率误差测试的技术要求。(3)通过对接收信号的信道估计码进行信道估计以得到参考信号的主要分量，通过将参考信号的主要分量和接收信号进行比较，得到频率误差。TD-SCDMA系统的参数为：时隙长为864chip，每个时隙有两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip中间码和一个长度为16chip的GP组成。由于每个时隙的信道估计码长度只有144chip，包含的相位变化信息有限，所以和算法2存在同样的问题，频率误差测量精度差。该测试方法同样无法满足TD-SCDMA终端频率误差测试的技术要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种在低信噪比下测量TD-SCDMA终端发出射频信号的频率误差，同时具有较大范围内测量频率误差能力的TD-SCDMA信号的频率误差测量方法。

本发明所提供的TD-SCDMA信号的频率误差测试方法，按如下步骤进行测试：

(1)对TD-SCDMA终端发射的射频信号进行下变频；

(2)对变频后的TD-SCDMA信号进行采样时钟为f_s的A/D采样，使之变为数字信号；

(3)采样的数字信号与数字本振混频形成I路信号，同时与数字本振移相90°混频形成Q路信号；

(4)将I路信号与Q路信号进行FIR滤波和CIC抽取，最终形成TD-SCDMA信号数据流；

(5)根据信道估计码确定当前TD-SCDMA终端发送信号的时隙；

(6)利用公式(c)去除TD-SCDMA终端信号调制信息，得到新的一组数据S_new：

S_new＝(S_data)⁴                            (c)；

(7)将数据S_new后补0，使其长度N为1024，进行N点FFT变换，得到数据S_FFT；

(8)将数据S_FFT取模，找出模值最大的点为k₀，其时频率误差粗略估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_0\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_0-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(d\right);$

(9)当TD-SCDMA信号在信噪比较低情况下，利用公式(e)对数据S_FFT进行功率谱全序列频域平滑：

$S^{\′}\left(k\right)=\frac{1}{L}\underset{n=k}{\overset{k+L-1}{\mathrm{\Σ}}}h[k+L-n]{\left|S_{\mathrm{FFT}}\left(n\right)\right|}^2---\left(e\right)$

其中，S′(k)为平滑后的信号，S_FFT(n)为FFT变换后的信号h(n)为平滑窗函数，L为平滑窗宽度；

(10)将数据S′(k)取模，找出模值最大的点为k₁，在低信噪比下，频率误差粗略估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_1\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(f\right);$

(11)将数据S′(k)后补0，使其长度M为1024，在单位圆上在其度进行M点CZT变换，得到数据S_CZT；

(12)将数据S_CZT取模，找出模值最大的点为m，其时频率误差精确估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}[k_1\frac{f_s}{N}+{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}-\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}-{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}+\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(g\right).$

本发明通过对TD-SCDMA终端发射的射频信号进行下变频，变频后的TD-SCDMA信号进行A/D变换，使之变为数字信号，对数字信号与数字本振混频形成I路信号，同时与数字本振移相90°混频形成Q路信号，将I路信号与Q路信号进行FIR滤波和CIC抽取，最终形成TD-SCDMA信号数据流，将该信号数据流送入数据处理单元处理估计TD-SCDMA信号的频率误差。

本发明通过对QPSK信号的分析，QPSK信号的解析表达式为：

s(n)＝Aexp[j(2πf_cnT+θ_c+φ(nT))]，n＝1，…，N    (a)

其中：

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{nT}\right)=\underset{i=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α\Π}(\mathrm{nT}-{\mathrm{iT}}_b),\mathrm{\α}\∈{\left\{\frac{2\mathrm{\π}}{4}l\right\}}_{l=0}^3---\left(b\right)$

A为信号幅度，N为样本数，T为采样间隔，Ns为码元个数，Tb为码元宽度，∏为持续时间为Tb的脉冲成形函数，fc为信号的载波频率，θ_c为信号的初始相位。

由公式(a)可以知道，将采集的QPSK调制信号4次方，S_new＝(S_data)⁴

(c)，完全可以将调制信号的调制信息去除，去除调制信息的信号可以表示为：

s₁(n)＝Aexp[j(2πΔfnT+θ_c+ε_n)]+n′(n)            (c1)

其中，A为信号幅度， $\mathrm{\Δf}=4(f_c-{\hat{f}}_c)$ 为本地载波与信号的频率差的4倍，θ_c为初始相位，ε_n为相位噪声，n′(n)为高斯白噪声。

对上述去除调制信息的信号进行FFT变换，可得到离散频谱为：

其中S(k)的幅度相为：

$A_k=\frac{A_1\sin \left[\mathrm{\π}(k-\mathrm{\ΔfN}/f_s)\right]}{\sin [2\mathrm{\π}(k-\mathrm{\ΔfN}/f_s)/N]}---\left(c3\right)$

根据S(k)的频谱可测出幅度最大点处对应的离散频率点k₀，由式(c2)可得：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_0\frac{f_s}{N}\right]& k_0\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_0-1)\frac{f_s}{N}\right]& k_0>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(c4\right),$

因此，频率误差初步估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_0\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_0-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(d\right),$

当调制信号在信噪比较低的情况下，利用上述方法进行频率误差初步估计误差很大，同时也会影响FFT算法对频率误差测量的精度，因此在信噪比较低时，本发明采用功率谱全序列频域平滑方式对去除调制信息的信号进行频域平滑，提高在低信噪比下对信号的频率误差测量的能力。

$S^{\′}\left(k\right)=\frac{1}{L}\underset{n=k}{\overset{k+L-1}{\mathrm{\Σ}}}h[k+L-n]{\left|S_{\mathrm{FFT}}\left(n\right)\right|}^2---\left(e\right)$

其中，S′(k)为平滑后的信号，S_FFT(n)为FFT变换后的信号，h(n)为平滑窗函数，L为平滑窗宽度；

根据S′(k)的频谱可测出幅度最大点处对应的离散频率点k₁，由式(d)可得：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_1\frac{f_s}{N}\right]& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}\right]& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(e1\right)$

因此，在低信噪比下，频率误差初步估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_1\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(f\right)$

由于利用FFT变换方法测量频率误差精度有限，不能满足TD-SCDMA终端测试需求，因此，本发明采用线性调谐z变换(CZT)提高载频频偏测试精度，本发明将在单位圆上从

到

做夹角为

的CZT变换，得到M点的CZT变换结果(Z₀，Z₁，Z₂，……，Z_M)，这时频率分辨率为f_czt，如果Z_m＝max(Z₀，Z₁，Z₂，……，Z_M)，那么可计算出：

$\mathrm{\Δ}\hat{f}=\left\{\begin{array}{cc}{k}_1\frac{f_s}{N}+{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}-\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}-{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}+\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(f1\right)$

因此，频率误差高精度估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}[k_1\frac{f_s}{N}+{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}-\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}-{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}+\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(g\right).$

本发明通过对整个TD-SCDMA时隙采集的数据进行分析，使测试设备测量频率误差时测试范围的能力能够达到最大；通过对接收信号的功率谱进行平滑处理，提高在低信噪比条件下对TD-SCDMA射频信号的频率误差测试准确性；通过采用FFT变换和CZT变换有效的结合，提高TD-SCDMA射频信号的频率误差测试的精度；通过采用载波提取方法消除QPSK调制信息，不仅满足TD-SCDMA系统测试需求，还可以扩展到WCDMA、CDMA2000等其它移动通信系统中，具有较好的通用性。

附图说明

图1是TD-SCDMA终端测试设备接收通道框图；

图2是数字信号处理单元框图；

图3是在低信噪比时调制信号的频谱图和平滑后的频谱图；

图4是在不同信噪比下频率误差测试性能图。

具体实施方式

图1是本发明实际运用的TD-SCDMA终端综合测试仪接收通道的框图，图2是数字信号处理单元框图。考虑到TD-SCDMA终端综合测试仪的测试速度和并行测量能力，本发明采用的TD-SCDMA终端综合测试仪的数字信号处理单元由两个快速DSP处理器(720MHz的主频)、一个实时处理器(PowerPC)、一个快速、大容量的可编程芯片FPGA和多个随机存储器RAM组成。

下面结合附图并结合优选实施例来描述本发明的TD-SCDMA信号频率误差测试方法。本发明所提供的TD-SCDMA信号的频率误差测试方法按如下步骤进行：

(1)通过终端综合测试仪接收TD-SCDMA终端发出的射频信号，经滤波、放大后，与本振信号混频进行下变频。

(2)对变频后的TD-SCDMA信号进行采样时钟为f_s的A/D采样，使之变为数字信号。

(3)将采样的数字信号与数字本振混频形成I路信号，同时与数字本振移相90°混频形成Q路信号。

(4)将I路信号与Q路信号进行FIR滤波和CIC抽取，最终形成TD-SCDMA信号数据流，将该信号数据流送入数据处理单元。

(5)根据信道估计码在FPGA中确定当前TD-SCDMA终端发送信号的时隙。

(6)将该时隙采集的TD-SCDMA终端信号保存到寄存器Sdata中。

(7)在DSP1处理单元中，利用公式(c)：S_new＝(S_data)⁴去除TD-SCDMA终端信号调制信息，得到一组新数据S_new。

(8)将这组新数据S_new送入DSP2处理单元，在DSP2处理单元中，将在数据S_new后补0，使其长度N为1024，进行N点FFT变换，得到数据S_FFT。

(9)将数据S_FFT取模，找出模值最大的点为k₀，其时频率误差粗略估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_0\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_0-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_0>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(d\right).$

(10)当TD-SCDMA信号在信噪比较低情况下，利用公式(e)对数据S_FFT进行功率谱全序列频域平滑：

$S^{\′}\left(k\right)=\frac{1}{L}\underset{n=k}{\overset{k+L-1}{\mathrm{\Σ}}}h[k+L-n]{\left|S_{\mathrm{FFT}}\left(n\right)\right|}^2---\left(e\right)$

其中，S′(k)为平滑后的信号，S_FFT(n)为FFT变换后的信号，h(n)为平滑窗函数，L为平滑窗宽度。

(11)将数据S′(k)取模，找出模值最大的点为k₁，在低信噪比下，频率误差粗略估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}\left[k_1\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -\left[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}\right]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(f\right)$

(12)在PowerPC处理单元中，将数据S′(k)后补0，使其长度M为1024，在单位圆的

角度上进行M点CZT变换，得到数据S_CZT。

(13)将数据S_CZT取模，找出模值最大的点为m，其时频率误差高精度估计为：

$\hat{f}=\frac{\mathrm{\Δ}\hat{f}}{4}=\left\{\begin{array}{cc}[k_1\frac{f_s}{N}+{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}-\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1\≤\frac{N}{2}\\ -[(\frac{N}{2}-k_1-1)\frac{f_s}{N}-{\mathrm{mf}}_{\mathrm{czt}}+\frac{M}{2}{f}_{\mathrm{czt}}]/4& k_1>\frac{N}{2}\end{array}\right.---\left(g\right).$

图3是在低信噪比时调制信号的频谱图和平滑后的频谱图。图中I是在低信噪比时调制信号的频谱图，II是在低信噪比时调制信号平滑后的频谱图。图4是在不同信噪比下频率误差测试性能图。

本发明的有益效果是，可以在低信噪比下测量TD-SCDMA终端发出射频信号的频率误差，同时具有较大范围内测量频率误差能力，利用本发明，还可以扩展到WCDMA、CDMA2000等其它移动通信系统的终端发射信号的频率误差测量。

Claims (1)

1.一种TD-SCDMA信号的频率误差测试方法，其特征是按如下步骤进行测试： 

(1)对TD-SCDMA终端发射的射频信号进行下变频；

(2)对变频后的TD-SCDMA信号进行采样时钟为f_S的A/D采样，使之变为数字信号；

(3)采样的数字信号与数字本振混频形成I路信号，同时与数字本振移相90^o混频形成Q路信号；

(4)将I路信号与Q路信号进行FIR滤波和CIC抽取，最终形成TD-SCDMA信号数据流；

(5)根据信道估计码确定当前TD-SCDMA终端发送信号的时隙；

(6) 将该时隙采集的TD-SCDMA终端信号保存到寄存器S_data中，利用公式（c）去除TD-SCDMA终端信号调制信息，得到新的一组数据S_new：

                      （c）；

(7)将数据S_new后补0，使其长度N为1024，进行N点FFT变换，得到数据S_FFT；

(8)将数据S_FFT取模，找出模值最大的点为k₀，其时频率误差粗略估计为：

       （d）；

(9)当TD-SCDMA信号在信噪比较低情况下，利用公式（e）对数据S_FFT进行功率谱全序列频域平滑：

                      （e）

其中, 

为平滑后的信号，

为FFT变换后的信号，h(n)为平滑窗函数，L为平滑窗宽度；

(10)将数据

取模，找出模值最大的点为k₁，在低信噪比下，频率误差粗略估计为：

     （f）

(11)将数据

后补0，使其长度M为1024，这时频率分辨率为f_czt，在单位圆上从

到做夹角为的CZT变换，得到数据S_CTZ；

(12)将数据S_CTZ取模，找出模值最大的点为m，其时频率误差精确估计为：

   （g）。

Images