CN101826912A - 基于tdma技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法及基带接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，它包括滤波、转换单倍采样信号流、对每一路单倍采样信号流进行解调、将各路解调码序列按照顺序进行存储；所述信号处理方法根据帧同步和位同步联合检测的输出，在所存储的各路解调码序列中选择一路，并恢复帧结构。本发明利用TDMA系统帧同步相对容易的特点，针对平方法位同步的缺陷，提供了一种进行帧同步和位同步联合检测，并根据检测的输出完成解调码序列的最终选择和帧结构恢复的基带信号处理的实现方法。与现有技术相比，提高了同步的精度，特别是克服了低信噪比和深衰落条件下位同步的不稳定性。

Description

基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法及基带接收机

技术领域

本发明涉及数字无线通信技术领域，特别是一种数字无线集群通信系统中基站的基带接收机及其实现方法。

背景技术

数字通信的基带接收机，其目的是完成所接收的基带信号的处理，从中获取解调后的数据信号。无论射频前端采用何种方案，通常来说，基带部分的信号处理包括四个基本步骤：成形滤波、位同步、解调、帧同步。

典型的数字无线集群系统是TETRA数字无线集群系统，采用pi/4DQPSK的调制方式，采用TDMA/FDMA的多址方式。现有技术下，TETRA基站的基带信号处理方式如图1所示为：多倍过采样的信号经过平方根升余弦滤波器101后；由位同步装置102来提取成单倍的同步信号；再经过pi/4DQPSK解调器103来还原成数据码序列；最后由帧同步装置104来恢复数据的帧结构。

基站位同步的主要功能是从过采样的信号中选择码间干扰最小的一路用作数据解调。帧同步的主要功能，是从前端解调得到的码序列中，识别出上行链路的训练序列，并根据此训练序列来确定对应帧的数据格式。

现有技术下，在TDMA系统中，帧同步相对比较容易，一般采用根据接收码序列和训练序列之间的汉明距离来进行判决的方法。而位同步往往采用平方法。在信噪比较高和衰落不明显的条件下，平方法有很好的性能。因此，现有技术下，TDMA系统中接收机的性能很大程度上取决于位同步装置的性能。

在无线集群通信的环境中，有时会有信噪比不高或者衰落较深的情况发生。在信噪比不高和深衰落的条件下，平方法的性能下降将导致定时错误的概率增加，进而直接导致虚假同步和同步丢失的概率大大增加。平方法性能下降的主要原因是平方法需要较长的时间进行累积才能达到较好性能，但是深衰落的环境使得长时间累积达不到预想的效果，甚至会带来错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，能够保证基带接收机稳定和精确地接收信号。为此，本发明采用以下技术方案：它包括以下步骤：

1-1)、对多倍过采样的信号流进行滤波；

1-2)、将滤波后的多倍过采样信号流转换为多路并行的单倍采样信号流；

1-3)、对每一路单倍采样信号流进行解调，得到各路解调码序列；

1-4)、将各路解调码序列按照顺序进行存储；

所述信号处理方法对信号进行帧同步和位同步联合检测，包括以下步骤：

对滤波后的所述多倍过采样信号流同时进行功率检测的步骤；

对滤波后的多倍过采样信号流同时进行位同步检测的步骤；

提供帧同步窗口信号的步骤；

在所述帧同步窗口信号的控制下，对多路并行的单倍采样信号流的解调码序列同时进行帧同步检测的步骤；

在帧同步窗口信号的控制下，根据功率检测、位同步检测和帧同步检测的输出，进行帧同步和位同步联合判决的步骤。

所述信号处理方法根据帧同步和位同步联合检测的输出，在所存储的各路解调码序列中选择一路，并恢复帧结构。

由于采用本发明的技术方案，本发明利用TDMA系统帧同步相对容易的特点，针对平方法位同步的缺陷，提供了一种进行帧同步和位同步联合检测，并根据检测的输出完成解调码序列的最终选择和帧结构恢复的基带信号处理的实现方法。与现有技术相比，本发明提高了同步的精度，特别是克服了低信噪比和深衰落条件下位同步的不稳定性。

此外，本发明的帧同步和位同步联合判决是在帧同步时间窗口中进行的，这样不仅降低了帧同步的虚假同步概率，同时帧同步检测的运算被限制在帧同步时间窗口内进行，很大程度上减少了帧同步检测的运算量。

本发明所提供的信号处理方法还可同时采用以下进一步的技术方案：

在帧同步和位同步联合检测步骤中所述的对多路并行的单倍采样信号流的解调码序列同时进行帧同步检测，是依照训练序列，对所述各路按照顺序的解调码序列进行汉明距离计算。

所述的帧同步和位同步联合检测，是在帧同步窗口信号的控制下工作，在帧同步时间窗口内完成帧同步检测、帧同步和位同步联合判决。

所述的帧同步和位同步联合判决，包括如下步骤：

4-1)、根据多倍过采样信号的功率检测结果估算输入信号信噪比并进行信噪比判决，得到信噪比低于最低可接受值、信噪比介于最低可接收值和优秀门限值之间、信噪比高于优秀门限值三种情况，信噪比低于最低可接受值的情况则直接返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离，不进行后续判决；

所述解调符号，是发送机端调制符号的还原，由解调器输出。与发送机端的调制器工作相对应，接收机端的解调器输出解调符号，反映射成输出比特，连续的输出比特构成解调码序列。

4-2)、利用按照顺序的各路解调码序列对应的汉明距离进行是否获得帧同步的判决，在信噪比高于优秀门限值的情况下，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离为0；在信噪比低于优秀门限值的情况下，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离小于阈值TH；

4-3)、如果获得满足判决条件的解调码序列，则当前解调符号为帧同步标志；如果未能获得满足判决条件的解调码序列，则返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离；

4-4)、进行获得位同步的判决，在信噪比高于优秀门限值的情况下，取位同步检测的输出为位同步的标志；在信噪比低于优秀门限值的情况下，取汉明距离最小的解调码序列顺序号作为位同步的标志，如果存在多路解调码序列具有相同的最小汉明距离，则选取中间一路解调码序列。

如果在帧同步时间窗口内未能来得及完成4-1)-4-4)，则不作出判决，回到空闲状态，等待下一个帧同步窗口信号。

所述的汉明距离计算采用以下步骤进行：

1)、将多路解调码序列按照顺序相应地存放于多个数据缓冲区内；

2)、在帧同步窗口信号控制下进行汉明距离计算，计算的方法是，在帧同步时间窗口内，根据每一个解调符号，计算对应的数据缓冲区内解调码序列和训练序列之间的汉明距离。

以上所述的帧同步时间窗口，其起始时刻，指的是发射距离离基站最近的移动台，在信号处理时延最小的情况下，所发送的突发序列中包含的正常训练序列完整到达基站的时刻；其结束时刻，指的是发射距离离基站最远的移动台，所发送的突发序列中包含的训练序列完整到达基站，并经历最大时延的信号处理的时刻。

所述的帧同步窗口信号由帧同步窗口定时器提供。帧同步窗口定时器在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出。

本发明另一个所要解决的技术方案是提供一种利用上述方法的基带接收机。为此，本发明采用以下技术方案：基带接收机包括成形滤波器、位同步装置、解调器、帧同步检测装置，还包括：

1)、过采样串并转换装置，所述过采样串并转换装置将经过所述成形滤波器之后的串行多倍过采样信号流，转换成并行的多路单倍采样信号流，并将这些单倍采样信号流，按照顺序对应地送交给后续的各路所述解调器；

所述基带接收机设有多路的所述解调器以分别处理所述多路单倍采样信号流，所述基带接收机设有多路帧同步检测装置以分别对所述解调器输出的多路解调码序列进行帧同步检测；

2)、解调码序列存储器，所述解调码序列存储器用来按照顺序存储所有各路所述解调器输出的多路解调码序列，交由多路选择器去选择最终的一路输出；

3)、帧同步窗口定时器，所述帧同步窗口定时器用来根据TDMA突发结构，估算出上行TDMA突发到达的时间窗口，并据此提供帧同步窗口信号给所述各路帧同步检测装置、帧同步和位同步联合判决装置；以及提供复位信号给所述解调码序列存储器；

4)、功率检测装置，所述功率检测装置，其作用是检测所述成形滤波器之后、所述过采样串并转换装置之前的接收信号的功率，进而交给帧同步和位同步联合判决装置去估算接收信号的信噪比；

5)、帧同步和位同步联合判决装置，所述帧同步和位同步联合判决装置执行帧同步和位同步联合判决，首先根据功率检测装置的输出，估算接收信号的信噪比；然后根据接收信号信噪比的不同，在所述各路帧同步检测装置的检测输出和所述位同步装置的检测输出基础上进行帧同步和位同步联合判决；

6)、多路选择器，所述多路选择器根据所述帧同步和位同步联合判决装置输出的位同步标志，来选择所述解调码序列存储器中的多路解调码序列之中的一路，并根据帧同步标志来恢复帧结构，作为整个基带接收机的数据输出。

所述帧同步检测装置，其主体是汉明距离计算装置。所述汉明距离计算装置，其作用是计算数据缓冲区内解调码序列与训练序列之间的汉明距离；所述数据缓冲区，设置在汉明距离计算装置前，存放用于计算汉明距离的解调码序列。

所述帧同步检测装置的数据缓冲区长度不小于训练序列的长度。

由于采用本发明的上述技术方案，本发明能够利用上述方法进行信号处理。按照本发明的阐述，经过成形滤波器滤波之后的多倍过采样信号流，不是经过位同步来选定为单独的一个单倍采样信号流进行解调和帧同步；而是由过采样串并转换装置转换成多路的单倍采样信号流，每一路的单倍采样信号流都经历一个解调和帧同步的过程。这一组按照顺序的帧同步检测装置的检测输出，连同所述位同步装置的检测输出，交由所述帧同步和位同步联合判决装置来判决获取最终的位同步标志和帧同步标志，再由所述多路选择器根据这个最终的位同步标志来选择所述解调码序列存储器内所有按照顺序的各路解调码序列中的一路，并根据帧同步标志来恢复其帧结构，作为整个基带接收机的输出数据。由此，本发明利用TDMA系统帧同步相对容易的特点，分别在多路解调码序列上进行帧同步，避免了由于位同步错误造成的数据丢失，降低了帧同步的同步丢失概率。同时通过帧同步窗口定时器的采用，降低了帧同步的虚假同步概率。采用本发明可以提高同步的精度，特别是克服了低信噪比和深衰落条件下位同步的不稳定性，从而保障接收机稳定和精确地接收信号。

本发明所述基带接收机，包括构成基带接收机的成形滤波器、位同步装置、解调器、帧同步检测装置、过采样串并转换装置、解调码序列存储器、帧同步窗口定时器、功率检测装置、帧同步和位同步联合判决装置和多路选择器，都可以使用FPGA、DSP等不同数字信号处理器件实现，并可以与采用不同实现方法的射频前端电路配合使用。

附图说明

图1为现有技术下基带接收机的原理框图。

图2为本发明所述基带接收机的结构框图。

图3为本发明基带信号处理方法的流程图。

图4为本发明帧同步和位同步联合判决方法的流程图。

具体实施方式

参照图2。以应用于TETRA集群基站的基带接收机为例，本发明所提供的基带接收机其组成包括平方根升余弦滤波器201、过采样串并转换装置202、差分解调器203、解调码序列存储器204、数据缓冲区205、汉明距离计算装置206、帧同步窗口定时器207、功率检测装置208、平方法位同步装置209、帧同步和位同步联合判决装置210以及多路选择器211。

所述平方根升余弦滤波器201负责将输入的多倍过采样信号流进行成形滤波，其后连接过采样串并转换装置202。所述过采样串并转换装置将串行的多倍过采样信号流转换成多路并行的单倍采样信号流，其后连接多路的差分解调器203。每个差分解调器设有连接各自数据缓冲区205和连接解调码序列存储器204的接口。各个数据缓冲区与对应的汉明距离计算装置206相连接。所述帧同步窗口定时器207在时隙时钟触发下工作，并设有与各路汉明距离计算装置、帧同步和位同步联合判决装置210的接口，以提供帧同步窗口信号；以及设有与解调码序列存储器的接口，以提供复位信号。所述功率检测装置208连接于平方根升余弦滤波器与帧同步和位同步联合判决装置之间。所述平方法位同步装置连接于平方根升余弦滤波器与帧同步和位同步联合判决装置之间。所述帧同步和位同步联合判决装置设有分别连接帧同步窗口定时器、功率检测装置、平方法位同步装置、各路汉明距离计算装置、以及多路选择器211的接口。所述多路选择器连接解调码序列存储器以及帧同步和位同步联合判决装置，负责选择并输出最终恢复帧结构的解调码序列。

如图3所示，基带信号处理流程如下：

基带接收机接收到多倍过采样信号流301。本实施例中为16倍过采样信号流。

所接收信号流首先经过成形滤波302。本实施例中的成形滤波器为平方根升余弦滚降成形滤波器。

然后由过采样串并转换装置进行串并转换303。在本实施例中，串行的16倍过采样信号流被转换成并行的16路单倍信号流，按顺序标记为第1路到第16路。

这些多路信号流分别被送进后续的多个解调器进行多路并行解调304。本实施例中，这些解调器为pi/4DQPSK差分解调器。

解调输出的第1路到第16路解调码序列，都存储到解调码序列存储器305。由于本发明所述的基带接收机的存储器存储的是解调码序列，相比于存储解调之前的信号流，所需要的存储空间更小。

进行帧同步和位同步联合检测306，获得帧同步标志和位同步标志。

多路选择器在接收到来自帧同步和位同步联合判决装置的输出后，根据位同步标志从存储在解调码序列存储器中的16路解调码序列中选择一路，并根据帧同步标志恢复帧结构307。

参照图2，帧同步和位同步联合检测方法包括以下步骤：

步骤一，从滤波之后的16倍过采样信号流上获得的功率检测输出，作为帧同步和位同步联合判决装置的输入。

步骤二，从滤波之后的16倍过采样信号流上获得的位同步检测输出，作为帧同步和位同步联合判决装置的输入。本实施例中采用平方法位同步。

步骤三，帧同步窗口定时器提供的帧同步窗口信号，作为16路帧同步检测装置、帧同步和位同步联合判决装置的使能信号。

步骤四，前述16路差分解调后输出的解调码序列，不光存储在解调码序列存储器内，同时也作为16路帧同步检测装置的输入。在帧同步窗口信号到达前，解调码序列首先经数据缓冲区进行缓冲存储；当帧同步窗口信号到达时，每一路汉明距离计算装置将存储在对应数据缓冲区的解调码序列与训练序列进行汉明距离计算。本实施例中，选取数据缓冲区为30bit缓冲区。

16路帧同步检测装置计算获得的一组16个按照顺序的汉明距离计算结果，作为帧同步和位同步联合判决装置的输入。

步骤五，由帧同步和位同步联合判决装置进行帧同步和位同步的判决。

如图4所示，帧同步和位同步联合判决装置的工作流程为：

帧同步窗口信号到达之前，帧同步和位同步联合判决装置处于空闲状态401；当帧同步窗口信号到达402后，帧同步和位同步联合判决装置进入工作状态。在接收到根据新的解调符号计算的一组汉明距离403后，首先根据功率检测装置的输出估算输入信号信噪比并进行信噪比判决。

如果信噪比低于最低可接受值404，则返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离，不进行后续的同步判决。

如果信噪比低于优秀门限值405，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离小于阈值TH，图4中标注为408。本实施例中阈值TH为3。未能满足条件则返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离；如果获得满足条件的解调码序列，则当前符号为帧同步标志。获得帧同步标志后，取汉明距离最小的一路为位同步标志。如果存在多路解调码序列具有相同的最小汉明距离，则选取中间一路409。

如果信噪比高于优秀门限值，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离为0，图4中标注为406。未能满足条件则返回等待下一个解调符号；如果获得满足条件的解调码序列，则当前符号为帧同步标志。获得帧同步标志后，根据平方法位同步检测输出来选择其中一路407，作为位同步标志。

提供帧同步和位同步联合判决的输出410后，帧同步和位同步联合判决装置回到空闲状态401，等待下一个帧同步窗口信号。

如果在帧同步时间窗口内，帧同步和位同步联合判决装置未能来得及完成上述从信噪比判决到获取帧同步标志和位同步标志的一系列任务，则帧同步和位同步联合判决装置不提供输出，回到空闲状态，等待下一个帧同步窗口信号。

本发明针对TDMA突发结构的特点预设了帧同步时间窗口，大大降低了帧同步的虚假同步概率。而且分别在多路解调码序列上进行帧同步，避免了由于位同步错误造成的数据丢失，降低了帧同步的同步丢失概率。在上述同步技术得到实现的条件下，基带接收机的灵敏度性能得到了提高。

应当理解的是，以上所述从具体实施例的角度对本发明的技术内容进一步地披露，其目的在于让大家更容易了解本发明的内容，但不代表本发明的实施方式和权利保护局限于此。本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改，亦应归于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于它包括以下步骤：

1-1)、对多倍过采样的信号流进行滤波；

1-2)、将滤波后的多倍过采样信号流转换为多路并行的单倍采样信号流；

1-3)、对每一路单倍采样信号流进行解调，得到各路解调码序列；

1-4)、将各路解调码序列按照顺序进行存储；

所述信号处理方法对信号进行帧同步和位同步联合检测，包括以下步骤：

对滤波后的所述多倍过采样信号流同时进行功率检测的步骤；

对滤波后的多倍过采样信号流同时进行位同步检测的步骤；

提供帧同步窗口信号的步骤；

在所述帧同步窗口信号的控制下，对多路并行的单倍采样信号流的解调码序列同时进行帧同步检测的步骤；

在帧同步窗口信号的控制下，根据功率检测、位同步检测和帧同步检测的输出，进行帧同步和位同步联合判决的步骤；

所述信号处理方法根据帧同步和位同步联合检测的输出，在所存储的各路解调码序列中选择一路，并恢复帧结构。

2.如权利要求1所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于，在帧同步和位同步联合检测步骤中所述的对多路并行的单倍采样信号流的解调码序列同时进行帧同步检测，是依照训练序列，对所述各路按照顺序的解调码序列进行汉明距离计算。

3.如权利要求2所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于所述帧同步和位同步联合检测，是在帧同步窗口信号的控制下工作，在帧同步时间窗口内完成帧同步检测、帧同步和位同步联合判决。

4.如权利要求1所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于所述帧同步和位同步联合判决包括如下步骤：

4-1)、根据多倍过采样信号的功率检测结果估算输入信号信噪比并进行信噪比判决，得到信噪比低于最低可接受值、信噪比介于最低可接收值和优秀门限值之间、信噪比高于优秀门限值三种情况，信噪比低于最低可接受值的情况则直接返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离，不进行后续判决；

4-2)、利用按照顺序的各路解调码序列对应的汉明距离进行是否获得帧同步的判决，在信噪比高于优秀门限值的情况下，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离为0；在信噪比低于优秀门限值的情况下，判决获得帧同步的条件为至少相邻3路解调码序列对应的汉明距离小于阈值TH；

4-3)、如果获得满足判决条件的解调码序列，则当前解调符号为帧同步标志；如果未能获得满足判决条件的解调码序列，则返回等待下一个解调符号对应的新的一组汉明距离；

4-4)、进行获得位同步的判决，在信噪比高于优秀门限值的情况下，取位同步检测的输出为位同步的标志；在信噪比低于优秀门限值的情况下，取汉明距离最小的解调码序列顺序号作为位同步的标志，如果存在多路解调码序列具有相同的最小汉明距离，则选取中间一路解调码序列。

5.如权利要求4所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于如果在帧同步时间窗口内未能来得及完成4-1)-4-4)，则不作出判决，回到空闲状态，等待下一个帧同步窗口信号。

6.如权利要求2所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于它采用以下步骤进行汉明距离计算：

1)、将多路解调码序列按照顺序相应地存放于多个数据缓冲区内；

2)、在帧同步窗口信号控制下进行汉明距离计算，计算的方法是，在帧同步时间窗口内，根据每一个解调符号，计算对应的数据缓冲区内解调码序列和训练序列之间的汉明距离。

7.如权利要求1所述的基于TDMA技术的数字无线集群通信系统中基站的基带接收机的信号处理方法，其特征在于所述的帧同步窗口信号由帧同步窗口定时器提供。帧同步窗口定时器在一个时隙时钟信号的控制下，用计数定时的方法来获得帧同步时间窗口的起始时刻和结束时刻，并将此帧同步时间窗口用信号的方式输出。

8.利用权利要求1所述方法的基带接收机，包括成形滤波器、位同步装置、解调器、帧同步检测装置，其特征在于它还包括：

1)、过采样串并转换装置，所述过采样串并转换装置将经过所述成形滤波器之后的串行多倍过采样信号流，转换成并行的多路单倍采样信号流，并将这些单倍采样信号流，按照顺序对应地送交给后续的各路所述解调器；

所述基带接收机设有多路的所述解调器以分别处理所述多路单倍采样信号流，所述基带接收机设有多路帧同步检测装置以分别对所述解调器输出的多路解调码序列进行帧同步检测；

2)、解调码序列存储器，所述解调码序列存储器用来按照顺序存储所有各路所述解调器输出的多路解调码序列，交由多路选择器去选择最终的一路输出；

3)、帧同步窗口定时器，所述帧同步窗口定时器用来根据TDMA突发结构，估算出上行TDMA突发到达的时间窗口，并据此提供帧同步窗口信号给所述各路帧同步检测装置、帧同步和位同步联合判决装置；以及提供复位信号给所述解调码序列存储器；

4)、功率检测装置，所述功率检测装置，其作用是检测所述成形滤波器之后、所述过采样串并转换装置之前的接收信号的功率，进而交给帧同步和位同步联合判决装置去估算接收信号的信噪比；

5)、帧同步和位同步联合判决装置，所述帧同步和位同步联合判决装置执行帧同步和位同步联合判决，首先根据功率检测装置的输出，估算接收信号的信噪比；然后根据接收信号信噪比的不同，在所述各路帧同步检测装置的检测输出和所述位同步装置的检测输出基础上进行帧同步和位同步联合判决；

6)、多路选择器，所述多路选择器根据所述帧同步和位同步联合判决装置输出的位同步标志，来选择所述解调码序列存储器中的多路解调码序列之中的一路，并根据帧同步标志来恢复帧结构，作为整个基带接收机的数据输出。

9.如权利要求8所述的基带接收机，其特征在于所述帧同步检测装置，其主体是汉明距离计算装置；所述汉明距离计算装置，其作用是计算数据缓冲区内解调码序列与训练序列之间的汉明距离；所述数据缓冲区设置在汉明距离计算装置前，存放用于计算汉明距离的解调码序列。

10.根据权利要求9所述的基带接收机，其特征在于所述帧同步检测装置的数据缓冲区长度不小于训练序列的长度。

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