CN101651650B - 一种同步与频偏的联合估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步与频偏的联合估计方法及装置。所述方法包括如下步骤：将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；产生对应于所述频率偏移值的相位偏移序列；将本地主同步特征序列与所述相位偏移序列对应点相乘得到频偏分支序列；将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。依照本发明，能够提高同步系统的同步位置检测的成功率，以及，扩展频偏估计的范围。

Description

一种同步与频偏的联合估计方法及装置

技术领域

本发明属于移动通信领域，特别是涉及一种应用在3GPP LTE(第三代伙伴计划的长期演进)系统中的同步与频偏的联合估计方法及装置。

背景技术

随着社会的发展以及技术的进步，人们对移动通信系统的要求不断提高，希望系统能提供大容量、高速率、低延时的数据传输服务。为了满足这种日益增长的需求，3GPP组织提出了3G系统的长期演进计划(LTE)。LTE系统采用了正交频分复用(OFDM)的传输技术，在这种传输技术下，系统采用了互相正交的载波，提高了频谱效率以及系统对频率选择性信道的鲁棒性。作为代价，这种系统相对于单载波系统而言，对于收发机之间的频率偏移比较敏感。

LTE系统标准中规定恒包络零自相关(CAZAC)序列用于主同步信号，在传统的小区初搜方案中，一般采用本地特征序列与接收信号求滑动相关，并检测峰值位置，以确定同步符号所在的起始位置。

本申请发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在如下的缺点：

在收发机之间的晶振偏差较小时，该序列在频域、时域都具有非常好的相关性，从而可以利用相关峰值的位置来完成收发机之间的时间同步；然而当晶振偏差较大时，相关峰值位置就会有偏差，利用该位置作出的同步判断就会使得同步系统性能下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种同步与频偏的联合估计方法及装置，以提高同步系统的同步位置检测的成功率，扩展频偏估计的范围。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种同步与频偏的联合估计方法，包括如下步骤：

将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；

产生对应于所述频率偏移值的相位偏移序列；

将本地主同步特征序列与所述相位偏移序列对应点相乘得到频偏分支序列；

将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；

获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。

上述的方法，其中，还包括：

在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

上述的方法，其中，获取所述相关值序列中的相关峰值为：对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。

上述的方法，其中，获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值为：将相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值。

上述的方法，其中，所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

一种同步与频偏的联合估计装置，包括：

频偏分支划分单元，用于将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；

相位偏移序列产生单元，用于产生对应于所述频率偏移值的相位偏移序列；

频偏分支序列产生单元，用于将本地主同步特征序列与所述相位偏移序列对应点相乘得到频偏分支序列；

序列相关单元，用于将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；

联合估计单元，用于获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。

上述的装置，其中，所述联合估计单元中包括：

第二频偏估计子单元，用于在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

求和子单元，用于将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

上述的装置，其中，所述序列相关单元进一步用于：

对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。

上述的装置，其中，所述联合估计单元进一步用于：

将相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值。

上述的装置，其中，所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：有效地提高了同步系统的同步位置检测的成功率，尤其是在大频偏(频率偏移与1/2载波间隔可以比拟时)的情况下；并且，在不影响精度的情况下，还扩展了频率偏移估计的范围。

附图说明

图1为LTE系统帧结构示意图；

图2a为LTE频分双工系统中同步信号的映射示意图；

图2b为LTE时分双工系统中同步信号的映射示意图；

图3为本发明实施例的同步与频偏的联合估计方法流程图；

图4为本发明实施例的同步与频偏的联合估计装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心在于，在没有任何先验信息的情况下，为避免大的频偏对同步精度的影响，在本地采用最大似然的方法产生多组频偏分支序列，通过将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，来实现同步与频偏的联合估计，从而有效的提高同步的准确度，并扩展频偏估计的范围。

为使本技术领域的人员更好的理解本发明的技术方案，下面以LTE(同时适用于TDD和FDD两种模式)系统为例，结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为LTE系统的帧结构示意图，其中，TDD模式下的第1、6子帧用于特殊子帧。图2a为LTE频分双工系统中同步信号的映射示意图，图2b为LTE时分双工系统中同步信号的映射示意图。可以看出，无论是FDD模式，还是TDD模式，主同步信号出现的周期都是5ms的一个半帧的时间。另外，根据3GPP协议，主同步信号采用zadoff-chu序列，其表达式为：

$d_u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{\mathrm{\πun}(n+1)}{63}}& n=\mathrm{0,1},...,30\\ e^{-j\frac{\mathrm{\πu}(n+1)(n+2)}{63}}& n=\mathrm{31,32},...,61\end{array}\right.,$

其中u包含了小区分组信息，这个序列在时域和频域都具备非常好的相关特性。

LTE系统中主同步信号长度为62点，占用系统中以直流(DC)为中心的1.4M带宽。

参照图3，本发明实施例的同步与频偏的联合估计方法，应用于3GPP LTE系统中，包括如下步骤：

步骤301：将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；

根据实际系统应用环境，确定频率偏移的大致范围，并将此范围划分为多个分支。优选地，所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

例如，系统的载波间隔ΔF为15kHz，则频率偏移范围为-7.5KHz～7.5KHz，将该频率偏移范围划分为3个分支，3个分支对应的频率偏移值δF分别为：-7.5KHz、0、7.5KHz。

步骤302：产生对应于所述频率偏移值的相位偏移序列；

本步骤中，针对步骤301中的每个频率偏移值，分别产生一个相位偏移序列。在不影响同步性能的情况下，为减小计算量，提高同步速度，可以采用0.96MHz的采样率。这种情况下，每个同步符号时间上跨度为64个采样点，当频率偏移值为δF时，两个相邻采样点之间的相位偏移为

于是，产生的相位偏移序列为：

其中，i＝0，...，63。

步骤303：将本地主同步特征序列与所述相位偏移序列对应点相乘得到频偏分支序列；

本步骤中，是将本地主同步特征序列分别与各相位偏移序列进行对位点乘，得到多个频偏分支序列。其中，每个本地主同步特征序列对应一组频偏分支序列，每组频偏分支序列的个数均为步骤301中的分支的数目。

LTE系统中，有3个本地主同步特征序列。将这3个62点的主同步特征序列补0后，进行64点IFFT操作，产生时域主同步特征序列；然后将时域主同步特征序列与相位偏移序列

对位点乘，得到频偏分支序列。

经过上面的步骤，可以获得3×3＝9个频偏分支序列。

步骤304：将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；

对于接收序列，可以先进行低通滤波，下采样到0.96MHz采样率。以5ms、4800个采样点为一个周期与频偏分支序列进行滑动相关，可以获得9个相关值序列。其中，所述滑动相关可以采用FFT的方式实现，即，利用循环相关与线性相关的关系，采用块进块出的方式实现滑动相关。

然后，检测每个相关值序列的峰值，得到9个相关峰值，并保存相关峰值的位置。为了提高检测成功率，还可以对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。即，以4800点为周期，对多个周期的对应采样点的相关值进行加权平均。

步骤305：获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。

对9个相关峰值进行比较，获取其中的最大值。根据所述最大值得到对应的频偏分支序列，根据得到的频偏分支序列得到对应的本地主同步特征序列和频率偏移值。

为节省计算量，也可用不必对所有相关峰值进行比较。而是在步骤304中每产生一个相关值序列时，在本步骤中就将该相关值序列的相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值，在得到所述最大值后，步骤304中就可以停止对剩下的频偏分支序列的所述相关运算。

以上步骤得到频偏估计值只是一个粗略的值，为进一步提高频偏估计精度，在本发明的其他实施例中，在步骤305之后还包括：

在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

参照图4，本发明实施例的同步与频偏的联合估计装置，应用于3GPP LTE系统中，包括频偏分支划分单元、相位偏移序列产生单元、频偏分支序列产生单元、序列相关单元和联合估计单元。

频偏分支划分单元，用于将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值。根据实际系统应用环境，确定频率偏移的大致范围，并将此范围划分为多个分支。优选地，所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

相位偏移序列产生单元，用于产生对应于所述频率偏移值的相位偏移序列。

频偏分支序列产生单元，用于将本地主同步特征序列与所述相位偏移序列对应点相乘得到频偏分支序列。

序列相关单元，用于将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值。为了提高检测成功率，还可以对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，即，所述序列相关单元进一步用于：对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。

联合估计单元，用于获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。为节省计算量，所述联合估计单元进一步用于：将相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值。

为进一步提高频偏估计精度，在本发明的其他实施例的联合估计单元中还包括：

第二频偏估计子单元，用于在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

求和子单元，用于将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种同步与频偏的联合估计方法，应用于3GPP LTE系统中，其特征在于，包括如下步骤：

将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；

对于每个所述频率偏移值，分别产生一个相位偏移序列；

将本地主同步特征序列分别与每个所述相位偏移序列对应点相乘，得到多个频偏分支序列，其中，每个所述本地主同步特征序列对应一组频偏分支序列，每组频偏分支序列的数目均为所述分支的数目；

将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；

获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

获取所述相关值序列中的相关峰值为：对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值为：将相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

6.一种同步与频偏的联合估计装置，应用于3GPP LTE系统中，其特征在于，包括：

频偏分支划分单元，用于将频率偏移范围划分为多个分支，每个分支对应一个频率偏移值；

相位偏移序列产生单元，用于对于每个所述频率偏移值，分别产生一个相位偏移序列；

频偏分支序列产生单元，用于将本地主同步特征序列分别与每个所述相位偏移序列对应点相乘，得到多个频偏分支序列，其中，每个所述本地主同步特征序列对应一组频偏分支序列，每组频偏分支序列的数目均为所述分支的数目；

序列相关单元，用于将接收信号与所述频偏分支序列进行滑动相关，得到相关值序列，并获取所述相关值序列中的相关峰值；

联合估计单元，用于获取多个频偏分支序列对应的相关峰值中的最大值，将该最大值对应的主同步特征序列作为实际采用的主同步信号，对应的相关峰值位置作为主同步信号位置，对应的频率偏移值作为粗略的频偏估计值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述联合估计单元中包括：

第二频偏估计子单元，用于在主同步信号位置处，通过将所述主同步信号与接收信号相关求得相位差，并根据所述相位差进行计算得到第二频偏估计值；

求和子单元，用于将所述粗略的频偏估计值与所述第二频偏估计值相加，并将相加结果作为最终的频偏估计值。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述序列相关单元进一步用于：

对多个子帧的相关值序列进行一阶平滑，得到相关值平滑序列，将所述相关值平滑序列的峰值作为所述相关峰值。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述联合估计单元进一步用于：

将相关峰值与预设的门限值进行比较，当所述相关峰值大于预设的门限值时，将该大于预设的门限值的相关峰值作为所述最大值。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述多个分支的相邻分支之间的间隔为1/2载波间隔。

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