CN101841908A - 基于相关峰均比的td-scdma下行同步装置 - Google Patents

Abstract

一种基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，包括：功率比检测模块，用于接收来自基站的码片速率为1.28Mbit/s的基带信号，根据TD信号的特殊帧结构，取其中连续的四段不同长度的信号，计算相邻段信号内的码片平均功率之比，并将该比值与门限值相比较，如果大于门限值则启动相关峰均比判决模块；相关峰均比判决模块，用于在每个码片上分别求出与32组同步码的相关结果的最大值及该最大值所对应的同步码组，比较得到所述N个相关结果的最大值和平均值，如果最大值和平均值的比值大于门限值，则输出相应的同步码组号，并根据最大值所在的位置计算出下一个时隙切换点的位置。本发明有效保证成功率的前提下、降低算法的复杂度。

Description

基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置

技术领域

本发明涉及一种TD-SCDMA下行同步装置，能快速准确地实现TD-SCDMA小区码组捕获。

背景技术

TD-SCDMA是我国自主研发、拥有自主知识产权的国际3G标准之一，它与WCDMA、CDMA2000一起成为国际主流三大标准之一。2009年1月7日，工业和信息产业部对重组后的新中国移动发放拥有自主知识产权的TD-SCDMA运营牌照，明确由中国移动运营TD-SCDMA。同时工信部还指出，TD-SCDMA发展在3G发展中具有重要的地位。目前，工业和信息化部、国家发改委、财政部、国资委、科技部等相关部门研究制定了一系列扶持TD-SCDMA发展政策，包括TD-SCDMA技术研发和产业链完善纳入电子发展基金和集成电路专项资金支持范围，TD-SCDMA产品和应用纳入政府采购扶持范围，从事TD-SCDMA等移动通信软件开发的企业及相关软件产品可以享受《鼓励软件产品和集成电路产业发展的若干政策》的政策优惠等。同时作为运营主体的中国移动，也成立了专项资金用来扶持TD产业的发展。一切迹象表明：TD将迎来一个前所未有的发展机遇。

当前小区搜索采用的方法有时域或频域内的全搜寻比较法、特征窗搜寻法和基于帧结构的搜寻法。时域、频域的全搜寻比较法是在全局范围内作相关搜寻，这种方法的成功率较高，但是计算量非常大，因此功耗也很大；特征窗搜寻法试图通过搜索下行导频时隙(DwPTS)中的下行同步码(SYNC_DL)与两边部分保护时隙范围内的信号功率之比的最大值来实现，但此时会由于除法精度和算法复杂度等一系列问题使算法难度加大，而且算法时延大，实时性不好，不容易实现；帧结构搜寻法均旨在通过简单地计数SYNC_DL前后0码片的个数再结合相关计算来实现，由于受到滤波器和信噪比的影响，在计数SYNC_DL前后0码片的个数时容易受到干扰，成功率不高。

发明内容

为了克服现有小区搜索方法对信噪比变化敏感且不能兼顾成功率和计算复杂度的不足，本发明提出了一种在有效保证成功率的前提下、对信噪比变化不敏感且有效降低算法复杂度的基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，包括：

功率比检测模块，用于接收来自基站的码片速率为1.28Mbit/s的基带信号，根据TD信号的特殊帧结构，取其中连续的四段不同长度的信号，计算相邻段信号内的码片平均功率之比，并将该比值与所设置的比值门限值相比较，如果大于比值门限值，则启动相关峰均比判决模块在接下来的N个码片范围内进行相关计算，N为自然数，N的取值范围：50～200；

相关峰均比判决模块，用于在检测到使能信号的高电平后开始启动进行相关计算，每次计算N个码片范围上的相关，在每个码片上分别求出与32组同步码的相关结果的最大值及该最大值所对应的同步码组，然后比较得到所述N个相关结果的最大值和平均值，判断最大值和平均值的比值是否满足所设置的峰均比门限值，如果大于峰均比门限值，则输出相应的同步码组号，并根据最大值所在的位置计算出下一个时隙切换点的位置，给出相应的上、下行时隙切换信号。

作为优选的一种方案：所述功率比检测模块中，连续的四段不同长度的信号W1、W2、W3、W4的长度分别为90chip、48chip、64chip、80chip，W1、W2、W3、W4分别为四个窗口内的信号功率之和，当W3所在位置与同步码重合时，各码片平均功率之比W1/W2、W3/W4将同时取得最大值，W4后面设有16chip的噪声留给上行同步码的定时提前发送用。

进一步，所述相关峰均比判决模块中，在每个码片时间内，每接收到一个信号点都要与32组同步码做串行的相关计算，同时串行比较出32个相关结果中的最大值作为当前码片上的相关判决结果，即码片相关最大值，然后比较出连续的N个码片相关最大值中的最大值和平均值，此时所得到的最大值称为区间相关最大值，将区间相关最大值和平均值的比值作为峰均比值，再判断该峰均比值是否满足设置的门限要求，如果满足，则码片相关最大值取得极值时W3窗口即为同步码组，并依此计算出下一个时隙切换点的位置。

再进一步，N的取值范围：50～100。

本发明的技术构思为：基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置包括两个模块：功率比检测模块和相关峰均比判决模块。接收端匹配滤波之后的TD信号依次经过这两个模块后，能准确找出接收信号中所包含的同步码及该同步码起始码片所在的位置，利用该位置信息还可以进一步根据数据帧结构中同步码与TDD切换点之间的固定位置关系，通过码片计数的方式找到切换点的位置，从而给出相应的上、下行时隙切换信号。

根据TD-SCDMA的帧结构，如图1所示，我们可以发现这样一个特殊结构，如图2所示。其中，TS0时隙是用户数据，其末尾是16chip的保护带，不含任何有效信息，只有噪声；而DwPTS时隙前32chip也是保护时隙，只有噪声，后64chip码片为下行同步码，在TD-SCDMA系统中是满功率发送的；最后一段GP用来区分上、下行时隙，也只有噪声，功率值很小。因此，在每个子帧的这个位置上，接收到的信号将经历高-低-高-低的功率跃迁过程。因此，我们设计了一个特殊的检测窗口，如图3所示。根据图3，我们定义如下功率比：

${\mathrm{\η}}_{12}=\frac{\underset{n=0}{\overset{89}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m)/90}{\underset{n=0}{\overset{47}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m+90)/48}---\left(1\right)$

${\mathrm{\η}}_{34}=\frac{\underset{n=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m+90+48)/64}{\underset{n=0}{\overset{79}{\mathrm{\Σ}}}y(n+m+90+48+64)/80}---\left(2\right)$

假设定时误差为θ，如果m＝θ，那么则W3能够最大限度地收集到SYNC_DL的能量，同时W2和W4都是纯噪点，另外W1是TS0的能量点，因而η₁₂(θ)，η₃₄(θ)将同时取得最大值。当m≠θ时，W2和W4也将收集到上下行链路的信号能量，η₁₂(θ)，η₃₄(θ)的值相对较小。因此我们可以设置一个门限η_th，如果检测到在某个位置上时两个功率比同时大于设置的门限值(η₁₂(θ)＞η_th，η₃₄(θ)＞η_th)，那么我们就认为完成了一个粗同步的过程，该门限值由Matlab仿直得到。如果只检测一个比值，由于噪声和信道的影响容易造成较大的误差，而同时检测多个功率比能够在不显著增加复杂度的情况下加强可靠性。图4为一帧信号中各码片位置上的功率比检测结果。

当功率比检测到大于门限值的码片时，输出相关使能信号的高电平，维持时间为N个1.28M时钟周期。在相关使能信号高电平时，启动相关计算模块，分别计算出在当前码片位置上W3窗口的64个信号点与32组下行同步码之间的相关结果，并串行比较出这32个相关结果中的最大值，作为当前码片位置上的相关判决结果，该最大值称为码片相关最大值。然后将W3窗口向后移动一个码片，再计算出这个位置上的码片相关最大值，依次进行下去，直到计算完N码片为止，同时记录下各最大值所对应的下行同步码组号。在计算码片相关最大值的同时，串行比较出这N码片相关最大值中的最大值，该最大值称为区间相关最大值。进一步累加N个码片相关最大值的和，并按照(4)判断是否满足峰均比门限要求。

$\frac{\mathrm{Peak}}{\mathrm{TotalEnergy}/N}>{\mathrm{th}}_{\mathrm{peakavg}}---\left(4\right)$

上式中，Peak为区间相关最大值，Total Energy为N个码片相关最大值的和，取其平均值后，再求得峰均比的值，如果本次检测得到的峰均比值大于所设置的门限th_peakavg，那么就认为当前的相关码片范围内包含了正确的下行同步码，且区间相关最大值所在的位置就是下行同步码所在的位置，并可以给出相应的同步码组序号。进一步如果从该位置开始利用帧结构的固有关系，可以计数到下一个切换点的位置，从而给出上、下行时隙切换开关信号。相关峰均比门限值由Matlab仿真得到。图5所示为N＝50时候的相关计算例子。

本发明的有益效果主要表现在：在有效保证成功率的前提下，成功地降低了算法实现的复杂度，算法性能对信噪比变化不敏感，且无需复杂的电路设计。经实际检测，算法的稳定性好、准确度高。

附图说明

图1为TD-SCDMA的帧结构。TSk表示第k个时隙，DwPTS表示下行导频时隙，UpPTS表示上行导频时隙，GP表示保护间隔。

图2为TD-SCDMA帧结构中的特殊部分，其中SYNC_DL表示在下行导频时隙中具体采用的下行同步码组。

图3为本发明所设计的功率比检测窗口。

图4为功率检测模块的Matlab仿真结果，其中signal number表示经历的数据样本数量。

图5为相关计算过程示意图。

图6为系统的FPGA实现框图。

图7为输入的用来检测的TD信号。

图8为输入信号的Matlab显示。

图9为功率比检测的FPGA运行结果。

图10为整体的FPGA运行结果。

图11为N＝50时系统的整体运行结果。

图12为N＝100时系统的整体运行结果。

图13为N＝200时系统的整体运行结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1～图6，一种基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，包括：

功率比检测模块，用于接收来自基站的码片速率为1.28Mbit/s的基带信号，根据TD信号的特殊帧结构，取其中连续的四段不同长度的信号，计算相邻段信号内的码片平均功率之比，并将该比值与所设置的比值门限值相比较，如果大于比值门限值，则启动相关峰均比判决模块在接下来的N个码片范围内进行相关计算，N为自然数，N的取值范围：50～200；

相关峰均比判决模块，用于在检测到使能信号的高电平后开始启动进行相关计算，每次计算N个码片范围上的相关，在每个码片上分别求出与32组同步码的相关结果的最大值及该最大值所对应的同步码组，然后比较得到所述N个相关结果的最大值和平均值，判断最大值和平均值的比值是否满足所设置的峰均比门限值，如果大于峰均比门限值，则输出相应的同步码组号，并根据最大值所在的位置计算出下一个时隙切换点的位置，给出相应的上、下行时隙切换信号。

所述功率比检测模块中，连续的四段不同长度的信号W1、W2、W3、W4的长度分别为90chip、48chip、64chip、80chip，W1、W2、W3、W4分别为四个窗口内的信号功率之和，当W3所在位置与同步码重合时，各码片平均功率之比W1/W2、W3/W4将同时取得最大值，W4后面设有16chip的噪声留给上行同步码的定时提前发送用。

所述相关峰均比判决模块中，在每个码片时间内，每接收到一个信号点都要与32组同步码做串行的相关计算，同时串行比较出32个相关结果中的最大值作为当前码片上的相关判决结果，即码片相关最大值，然后比较出连续的N个码片相关最大值中的最大值和平均值，此时所得到的最大值称为区间相关最大值，将区间相关最大值和平均值的比值作为峰均比值，再判断该峰均比值是否满足设置的门限要求，如果满足，则码片相关最大值取得极值时W3窗口即为同步码组，并依此计算出下一个时隙切换点的位置。

N的取值范围：50～200。N可以选择取值50、100、200等，当N选择较小时，计算的复杂度降低，相对而言，成功率较低，当N选择50时，成功率为95％(5dB信噪比)；当N选择200时，成功率为99％(5dB信噪比)。

图1中，TS0～TS6为7个常规时隙，DwPTS、GP、UpPTS为三个特殊时隙。其中，DwPTS为下行导频时隙，UpPTS为上行导频时隙，GP是两个导频时隙之间的保护带。TS0时隙总是被固定地用作下行，TS1一般用作上行，其他时隙则可以很据业务需求灵活地配置成上行或下行。每个5ms长的子帧信号中都含有两个切换点，第一个切换点的位置在上下行导频时隙之间，第二个切换点的位置可以由运营商来设置，这里我们将其设置在TS3、TS4时隙之间。

图2是图1的一部分。

图3是根据上述的TD特殊帧结构所设置的检测窗口。各窗口的码片长度分别为90chip、48chip、64chip、80chip，当W3窗口与下行同步码重合时，图3与图2重合。

图4是功率检测过程的一次Matlab仿真结果。从图中可以清楚地看到，当W3窗口与下行同步码重合时，式(1)、(2)的各功率比将同时取得最大值；而在其他码片位置时，两个功率比不可能同时取得最大值，这也正是设置两个功率比的原因。

图5所示是相关计算过程示意图。在相关使能信号高电平的50个时钟周期内，当W3窗口所在位置与下行同步码重合时，码片相关最大值将取得最大值。

图6中使用了多个时钟信号(CLK)，并且在相关判决之前，还要完成相位反转的过程，主要是因为TD-SCDMA同步码在发送端数据经过了π/4的相位偏转。相位偏转模块需要输入实部(CORRI)和虚部(CORRQ)，同时输出偏转后的实部(PHSI)和虚部(PHSQ)，具体计算如式(3)所示：

$(x+y\×j)\×\exp (\mathrm{\π}/4)=[(x+y)+(y-x)\×j]\×\sqrt{2}/2---\left(3\right)$

偏转之后的复信号实部为(x+y)，虚部为(y-x)。每次相关计算需要64个信号点数据，每个信号点对应于一组同步码中的一个码片，由于需要同时获得这64个信号点，而且还要同时移位，因此我们设计了一个数据缓冲区以完成数据从串行输入到并行输出的过程。当相关使能信号(corren)为高电平时，取出缓冲区的输出数据开始计算。每计算出与一组同步码的相关结果就与上一次相关结果进行比较，当检测到符合相关峰均比门限要求的点时，就开始进行TDD开关切换的码片计数，根据计数结果输出上、下行时隙的切换开关信号(switch)和码组序号(syncnum)。

图7是被用来做实验的TD-SCDMA物理层发射信号数据，由外部信号源提供，分为I、Q两路信号。为了更清楚的观察，提取输入数据的一部份再经相应的格式转换后用Matlab表示出来即为图8所示。图8中的信号signal I和signal Q即为图7中的A2FI[7:0]、A2FQ[7:0]，通过比较可以很容易地发现两者的包络是相同的，图8第三幅图是输入信号的功率值，方框内的信号即为下行同步码。同步码的前、后各有48chip、96chip的保护时隙，不含任何有效信息，都是噪声，所以功率较小，而同步码在DwPTS时隙则为满功率发送，功率相对较大。由于受到发送端滤波器的影响，同步码前面保护时隙的一部分信号被滤波输出覆盖，不容易看出来。

图9是功率比检测的FPGA运行结果，输入就是上图中的I、Q两路信号，当检测到符合门限的信号点时，输出一段相关使能信号的高电平。由图8可知，信号中的下行同步码在中间位置，而FPGA运行结果也在相应的位置上检测到了符合功率比门限的点。

图10是信号输入时功率比检测模块和相关峰均比判决模块的运行结果。图的上半部分就是功率检测的运行结果，在corren为高电平的50chip时间内做完50次相关，然后判决峰均比是否大于门限，如果大于门限则输出一个计数器的起动使能控制信号，控制信号高电平维持1个1.28M时钟，当识别到这个高电平时，根据区域相关最大值所在的位置计算出当前码片位置赋值给计数器，计数器从这个值开始计数。然后根据计数器的值给出上、下行时隙切换信号，如图中的switchup、switchdown；图中sync[5:0]就是检测到的下行同步码组号，是第1组，正是在信号源中设置的。

图11是N＝50时整体的FPGA运行结果。图中，CLK 128M、CLK512M、CLK 2560M、CLK 5120M分别为系统各模块所需的工作时钟；signalI、signalQ就是系统的输入信号；energy是输入信号的能量，从信号包络来看，可以很容易地发现，图中竖线左边部分就是下行同步码，前后都有一定长度的保护带，功率相对较小；corr_en是检测到符合功率比门限的点后输出的相关使能信号，高电平时间为50个1.28M时钟周期；maxenergy是与同步码相关计算结果的模值平方；scopemax是串行比较点相关最大值所得的结果；cnten是检测到符合峰均比门限的点后输出的指示信号，也即计数器使能信号，也是计数器的置数信号；index max是区域相关最大值在50个相关点上的位置；start是计数器的初始值；syncnum是检测到的同步码组号，与原先设置相一致。

图12与图11类似，区别为N＝100。同样发现同步取得成功，检测到的同步码组号为1。

图13与图11类似，区别为N＝200。同样发现同步取得成功，检测到的同步码组号为1。

Claims (4)

1.一种基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，其特征在于：所述TD-SCDMA下行同步装置包括：

功率比检测模块，用于接收来自基站的码片速率为1.28Mbit/s的基带信号，根据TD信号的特殊帧结构，取其中连续的四段不同长度的信号，计算相邻段信号内的码片平均功率之比，并将该比值与所设置的比值门限值相比较，如果大于比值门限值，则启动相关峰均比判决模块在接下来的N个码片范围内进行相关计算，N为自然数，N的取值范围：50～200；

相关峰均比判决模块，用于在检测到使能信号的高电平后开始启动进行相关计算，每次计算N个码片范围上的相关，在每个码片上分别求出与32组同步码的相关结果的最大值及该最大值所对应的同步码组，然后比较得到所述N个相关结果的最大值和平均值，判断最大值和平均值的比值是否满足所设置的峰均比门限值，如果大于峰均比门限值，则输出相应的同步码组号，并根据最大值所在的位置计算出下一个时隙切换点的位置，给出相应的上、下行时隙切换信号。

2.如权利要求1所述的基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，其特征在于：所述功率比检测模块中，连续的四段不同长度的信号W1、W2、W3、W4的长度分别为90chip、48chip、64chip、80chip，W1、W2、W3、W4分别为四个窗口内的信号功率之和，当W3所在位置与同步码重合时，各码片平均功率之比W1/W2、W3/W4将同时取得最大值，W4后面设有16chip的噪声留给上行同步码的定时提前发送用。

3.如权利要求2所述的基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，其特征在于：所述相关峰均比判决模块中，在每个码片时间内，每接收到一个信号点都要与32组同步码做串行的相关计算，同时串行比较出32个相关结果中的最大值作为当前码片上的相关判决结果，即码片相关最大值，然后比较出连续的N个码片相关最大值中的最大值和平均值，此时所得到的最大值称为区间相关最大值，将区间相关最大值和平均值的比值作为峰均比值，再判断该峰均比值是否满足设置的门限要求，如果满足，则码片相关最大值取得极值时W3窗口即为同步码组，并依此计算出下一个时隙切换点的位置。

4.如权利要求1～3之一所述的基于相关峰均比的TD-SCDMA下行同步装置，其特征在于：N的取值范围：50～100。

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