CN102123431B - 应用于gsm系统的时隙同步和时隙功率检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测方法，其中时隙同步方法包括：对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换；提取FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，捕获FB突发，输出时隙粗同步脉冲信号；提取SCH信道中的基带数据I_S和Q_S，捕获SB突发，输出时隙精确同步脉冲信号；时隙功率检测方法包括上述时隙同步方法的步骤以及根据时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙功率。本发明还提供了应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测系统，通过本发明的技术，能实现直放站的GSM信号时隙精确同步，同时也实现了时隙功率的准确检测，为基站功放的时隙关断提供了同步参考。

Description

应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测方法及系统

技术领域

本发明涉及移动通信系统应用技术，特别涉及一种应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测方法及系统。

背景技术

目前GSM移动通信系统，采用的是时分复用技术(TDMA)，每一个基本帧包括8个时隙，多个基本帧组成一个复帧，用户进行通话和相关的控制信号只占用其中的一个时隙，因此对某一个载波在某一个时间段内并不是8个时隙都是有信号的，特别在话务量少的时候，只有其中的很少时隙有信号，而目前的GSM直放站中，无论设备状态是忙或者是闲，各时隙是否有用户占用，设备中的功放都是常开的，而功放在设备中消耗的能源是最大的，占据了能耗的主要部分。

在能源紧张的今天，如果在无用户占用的时隙上对功放进行时隙关断，就可以降低整机设备的能耗，实现绿色能源的目的，从而降低运行成本。但是实现时隙关断的前提是要进行准确的时隙同步和时隙功率检测，如果同步不够精确，就会造成掉话，从而影响通话质量。在目前直放站行业，由于没有实现时隙精确同步，所以信号功率只是通过在一段时间内对信号能量进行统计平均，基于平均能量得出某时间段内的信号功率，这种计算方法有一定的局限性，因为只有在时隙同步后在一个时隙时间内计算信号功率才是准确的，而在没有精确的时隙同步作为参考情况下，根据这种方法检测的数据，在话务量少或对基站进行功率控制时，带来了很大的误差，从而造成监控方面的错误判断。

在直放站等网络优化边缘设备中，由于缺乏基带数据的信令信息，所以难以实现时隙的同步，从而无法实现准确的时隙功率检测，也就无法为时隙关断提供同步参考，造成直放站的功放无法准确进行时隙关断。

发明内容

本发明提供应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测方法及系统，解决了GSM通信系统直放站在缺乏基带数据信令信息情况下难以实现时隙同步、时隙功率检测不准确从而无法为功放的时隙关断提供同步参考的问题。

一种应用于GSM系统的时隙同步方法，包括步骤：

步骤一、采用软件无线电技术，锁定BCH信道，对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换，设定相对GSM码元速率整数倍的过采样率值；

步骤二、从所述基带数据I和Q中提取FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，从基带数据I_F和Q_F中捕获所述FCCH信道的FB突发(频率校正突发脉冲序列)，根据所述FB突发输出一个时隙粗同步脉冲信号；

步骤三、根据所述时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发(同步突发脉冲序列)的时间范围，从所述基带数据I和Q中提取所述SCH信道中的基带数据I_S和Q_S，根据所述时间范围从所述基带数据I_S和Q_S中捕获所述SB突发，输出一个时隙精确同步脉冲信号。

一种应用于GSM系统的时隙功率检测方法，包括上述时隙同步方法的步骤，以及在获得所述时隙精确同步脉冲信号之后，根据所述时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。

一种应用于GSM系统的时隙同步系统，包括采样率变换模块，时隙粗同步模块，时隙精确同步模块；

所述采样率变换模块，用于对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换；

所述时隙粗同步模块，用于从所述基带数据I和Q中提取FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，从基带数据I_F和Q_F中捕获所述FCCH信道的FB突发，并根据所述FB突发输出一个时隙粗同步脉冲信号；

所述时隙精确同步模块，用于根据所述时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发时间范围，从所述基带数据I和Q中提取所述SCH信道中的基带数据I_S和Q_S，根据所述时间范围从所述基带数据I_S和Q_S中捕获所述SB突发，输出一个时隙精确同步脉冲信号。

一种应用于GSM系统的时隙功率检测系统，包括上述应用于GSM系统的时隙同步系统，以及时隙功率计算模块；

所述时隙功率计算模块，用于根据所述时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。

与现有技术相比，本发明采用软件无线电技术对BCH信道的基带数据进行抽取，使用相对简单而且易于实现的算法，提取FCCH信道的基带数据，捕获FB突发实现时隙粗同步，输出粗同步脉冲信号为捕获SB突发提供延时参考，根据粗同步脉冲信号对BCH信道的基带数据进行延时，提取SCH信道的基带数据，并从其中捕获SB突发，实现时隙精确同步，输出时隙精确同步脉冲，为时隙功率检测提供同步参考。通过上述双重捕获方法，先后捕获FB突发和SB突发，大大提高了捕获的准确性，可以在直放站缺乏GSM通信系统基带数据信令信息情况下实现时隙精确同步和时隙功率的准确检测，使得直放站能准确进行功放的时隙关断。

附图说明

图1是本发明应用于GSM系统的时隙同步方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的复数相关运算结果的示意图；

图3是本发明应用于GSM系统的时隙同步系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中的时隙粗同步模块的结构示意图；

图5是本发明实施例中的时隙精确同步模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的时隙同步方法和时隙功率检测方法的技术方案做详细的说明。

请参阅图1，图1是本发明应用于GSM系统的时隙同步方法的流程示意图，包括以下步骤：

S101、采用软件无线电技术，锁定BCH信道，提取BCH信道的基带数据I和Q并将其进行采样率变换，根据实际情况，设定相对GSM码元速率整数倍的OSR(过采样率)值；

S102、对基带数据I和Q中FCCH信道的基带数据I_F和Q_F进行特征提取，然后从基带数据I_F和Q_F中捕获FCCH信道的FB突发，根据FB突发输出一个时隙粗同步脉冲信号，为后续捕获SB提供时间范围参考；

S103、由于FB突发与SB突发的相对位置固定且刚好相隔一个GSM基本帧，根据上述时隙粗同步脉冲信号对基带数据I和Q进行延时一个GSM基本帧，就可以初步得到SCH信道的SB突发的时间范围，然后对基带数据I和Q中SCH信道中的基带数据I_S和Q_S进行特征提取，根据SB突发时间范围，从基带数据I_S和Q_S中捕获SB突发，根据SB突发输出一个时隙精确同步脉冲信号，为后续的功率检测提供同步参考。

在实现GSM信号的时隙精确同步后，输出的精确时隙同步脉冲为时隙功率检测提供同步参考；然后根据上述精确时隙同步脉冲计算GSM信号各个时隙的功率，实现精确检测时隙功率。

为了更清晰本发明的技术方案，下面阐述本发明应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测方法的技术方案的较佳实施例。

对于S101、具体地，采用软件无线电技术，锁定BCH信道，对BCH信道的基带数据I和Q进行数字下变频、数据抽取，对数字下变频器DDC输出的高速序列进行采样率变换，得到相对于GSM码元速率整数倍的OSR(过采样率)值，对于OSR取值可以根据实施本专利的使用者的实际情况而定，通常取值范围为4至16之间，在本实施例中，OSR=8。

对于S102、具体地，锁定FCCH信道，对FCCH信道的基带数据I_F和Q_F进行特征提取，获得基带数据I_F和Q_F的正弦波序列，对上述正弦波序列进行包络信号提取，就可以得到FCCH信道的信号包络线；

在GSM系统中，FCCH信道中的FB突发经过解调变为基带数据后基带数据I_F和Q_F都可以如下公式表示；

y(n)=Acos(ω₀n/f_s+δ₀)                    (等式1)

公式表示正弦波序列，其中，A为幅度，ω₀为1625/24kHz，f_s为采样频率，δ₀为初始相位。如果采样率f_s=8*270.833kHz，即过采样率OSR=8，那么可知32个采样点就构成一个正弦波周期，而一个正弦波周期中最大值可以认为是信号的峰值，求出峰值得到一条FCCH信道的信号包络线：

peak(n)=max[sample(32n+m)]    m=1，2，3K32 (等式2)

对于FB突发，若OSR=8，会有37个正弦波序列，如果取每一个正弦波序列的最大值的点，peak(n)构成了一个37个点的矩形窗。基于此信号特征，对peak(n)进行一次差分运算得到：

error(n)=peak(n)-peak(n-1)    n=1，2，3... (等式3)

用一个宽为37点的滑动窗口函数对error(n)进行截取求平方求和，每次移动一个一次差分点，得到平方和sum_error(n)：

$\mathrm{sum}\_\mathrm{error}\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{37}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{error}{(n+k)}^2,n=\mathrm{1,2,3}...$       (等式4)

根据上述分析可知，如果是FB突发，即正弦波序列，sum_error(n)理论上应该为0，但是信号在无线通信信道上进行传播时受到各种干扰，实际值不为0，但根据基带数据I_F和Q_F的功率等级，可以确定sum_error(n)在一定的范围之内，设置门限判断其差分平方求和值，即可判断FB突发，在本实施例中为了提高检测的正确性，去掉差分平方和中最大的点，再求sum_error(n)，根据输入的基带数据I_F和Q_F的功率等级预设门限阈值A₀对其进行判决，其判决关系如下：

sum_error(n)≤A₀；判决为FB

通过上述判决来捕获FB突发，得到FCCH信道所在公共信道的时隙位置，即可实现GSM信号的时隙粗同步。

根据GSM系统的帧格式，FCCH信道中的FB突发和SCH信道中的SB突发相隔一个GSM基本帧，所以在捕获FB突发后，输出一个时隙粗同步脉冲，给后续检测SB突发提供粗同步参考。

对于S103、具体地，根据上述粗同步脉冲对基带数据I和Q延时一个GSM基本帧就可以得到SB突发的时间范围，锁定SCH信道，对SCH信道中的基带数据I_S和Q_S进行特征提取，然后根据基带数据I_S和Q_S得到复数序列R_S，其表达式为：

R_S=I_S+jQ_S        (等式5)

根据GSM系统的帧格式，SCH信道中的SB突发包含64个比特的训练序列，训练序列经过软件无线电技术ADC采样及采样率变换后变成64*OSR个基带离散序列。在R_S中如果含有SB突发，就会有64*OSR个训练比特的离散序列。训练序列具有极强的相关性，为了捕获训练序列，此时可以预先设置存储64*OSR个基带成型的离散序列R_L，R_L的表达式为：

R_L=I_L+jQ_L        (等式6)

然后把复数序列R_S与复数序列R_L输入复数相关器进行复数序列相关运算，复相关运算也采用滑窗技术，用窗口函数截取相关运算结果，窗口宽度为64*OSR个采样点，每次滑动一个采样点，OSR=8时，对应的算法如下：

$C\left(n_0\right)=R_S\·R_L=\underset{m_0=1}{\overset{64x8}{\mathrm{\Σ}}}{R}_S\left(m_0\right)R_L(m_0-n_0),m.=\mathrm{1,2,3}...$       (等式7)

对其进行变换，将等式5、等式6代入等式7得到：

C(n₀)=I_S·I_L-Q_S·Q_L+j(I_S·Q_L+Q_S·I_L)      (等式8)

其中运算符“·”为相关运算符，等式7为复数相关运算，在数字芯片内部容易直接实现。

根据GSM系统的GMSK调制技术可知，对应的初始相位有4种，为了避免传统的实序列相关技术及传统相关器带来的繁琐，本发明采用了基于软件无线电技术的复相关技术，使用复数相关器进行相关运算，对于上述等式的运算，无需在本地存储4组数据来对4组数据进行相关。只需在本地进行一次复相关运算即可。

运用相关和卷积的关系，等式7可变换为：

$C\left(n_0\right)=R_S\·R_L=\underset{m_0=1}{\overset{64x8}{\mathrm{\Σ}}}{R}_S\left(m_0\right)R_L(m_0-n_0)=\underset{m_0=1}{\overset{64x8}{\mathrm{\Σ}}}{R}_S\left(m_0\right)R_L(-(n_0-m_0))=R_L(-m_0)\⊗R_S$ (等式9)

等式9中的“”为卷积运算符，把等式9代入等式8，等式8中基带数据I_L和Q_L都是常数，而卷积就是输入序列和滤波器系数进行乘积累加运算，这里的滤波器系数就是基带数据I_L和Q_L，根据等式9，在本地数据中对基带数据I_L和Q_L进行翻转后作滤波器系数。通过这些变换后，相关器的设计就变得非常简单，尤其适合数字芯片实现。把等式7中的4路相关器的输出进行平方后求和，根据基带数据I和Q的功率等级预设门限阈值B₀对其进行判决，其关系式如下：

|C|²>B₀；判决为SB

请参阅图2，图2为复数相关运算结果示意图，从图中可以看出，在进行复相关预算时，相关值在SB突发到来时会产生了急剧的尖峰，通过判决就能准确捕获SB突发。通过此次复数相关能检测到SCH信道中的SB突发的训练序列，再根据训练序列在SB突发的位置对基带数据I_S和Q_S进行延时，输出一个时隙精确同步脉冲信号，实现GSM信号的时隙精确同步。

另外，由等式8和等式4可知，不同功率等级的信号运算产生的结果是不一样的。在本发明的技术方案中，步骤二和步骤三中的预设门限阈值A₀和预设门限阈值B₀采用查找表技术，根据不同功率等级的基带数据实时调整预设门限阈值A₀和B₀，以适应不同信号强度的环境，提高时隙同步的精确度，减少了使用数字芯片的内部资源，也避免了时隙同步脉冲的漏报和虚报。

在实现时隙精确同步后，时隙精确同步脉冲信号给后续的时隙功率检测作同步参考，此脉冲的周期为577us，根据此脉冲对GSM信号即可准确计算各个时隙进行功率。

对应地，下面结合附图和具体实施例对本发明的应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测系统的技术方案做详细的说明。

请参阅图3，图3是本发明应用于GSM系统的时隙同步系统的结构示意图，包括：

采样率变换模块201，时隙粗同步模块202，时隙精确同步模块203；

其工作原理是：采样率变换模块201对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换；时隙粗同步模块202对基带数据I和Q中FCCH信道的基带数据I_F和Q_F进行提取，然后从基带数据I_F和Q_F中捕获FCCH信道的FB突发，输出一个时隙粗同步脉冲信号；时隙精确同步模块203根据时隙粗同步脉冲信号对基带数据I和Q进行延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发的时间范围，然后对基带数据I和Q中SCH信道中的基带数据I_S和Q_S进行特征提取，从基带数据I_S和Q_S中捕获SB突发，输出一个时隙精确同步脉冲信号。

本发明的应用于GSM系统的时隙功率检测系统包括上述时隙同步系统，以及时隙功率计算模块；其工作原理是：在时隙精确同步模块203实现时隙精确同步后，时隙功率计算模块根据输出的时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。

为了更清晰本发明的技术方案，下面阐述本发明应用于GSM系统的时隙同步和时隙功率检测系统的技术方案的一个较佳实施例。

请参阅图4和图5，图4和图5分别是时隙粗同步模块202和时隙精确同步模块203的结构示意图。

对于时隙粗同步模块202具体包括：信号提取单元2021，包络提取单元2022、差分运算单元2023、查找表单元2024、判决单元2025；

对于时隙精确同步模块203具体包括：延时单元(1)2031、信号提取单元2032存储单元2033、复数相关器2034、查找表单元2035、判决单元2036，延时单元(2)2037。

其工作原理是：采样率变换模块201锁定BCH信道，捕获BCH信道基带数据I和Q，然后进行采样率变换，设定相对于GSM码元速率整数倍的OSR值。

时隙粗同步模块202中的信号提取单元2021对基带数据I和Q中的FCCH信道中的基带数据I_F和Q_F进行特征提取；包络提取单元2022提取FCCH信道中的基带数据I_F和Q_F的信号包络线，差分运算单元2023先后对信号包络线进行包络一次差分、差分平方、滑动窗口求差分平方和sum_error(n)输出至判决单元，同时查找表单元2024根据基带数据I_F和Q_F的功率等级查找并输出门限阈值A₀至判决单元，然后判决单元2025对sum_error(n)与A₀进行比较捕获FB突发，然后输出一个时隙粗同步脉冲信号。

时隙精确同步模块203中的延时单元(1)2031根据时隙粗同步脉冲信号对基带数据I和Q延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发的时间范围，信号提取单元2032对基带数据I和Q中SCH信道基带数据I_S和Q_S进行特征提取，存储单元2033存储两组预先设置的基带数据I_L和Q_L，复数相关器2034对基带数据I_S和Q_S与基带数据I_L和Q_L进行相关运算然后将相关运算结果|C|²输出至判决单元2036，同时查找表单元2035根据基带数据I和Q的功率等级查找并输出门限阈值B₀至判决单元2036，判决单元2036对|C|²与B₀进行比较捕获SB突发中的训练序列，延时单元(2)2037再根据训练序列位置对接收的基带数据I和Q进行延时，然后输出时隙精确同步脉冲信号。

本发明的应用于GSM系统的时隙功率检测系统包括上述应用于GSM系统的时隙同步系统，以及时隙功率计算模块；其中时隙功率计算模块用于根据时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。其工作原理是：在时隙同步系统实现GSM信号的时隙精确同步后，时隙功率计算模块根据时隙精确同步模块输出的时隙精确同步脉冲信号，对GSM信号各个时隙的功率进行精确计算，实现精确检测时隙功率。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于GSM系统的时隙同步方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一、采用软件无线电技术，锁定BCH信道，对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换，设定相对GSM码元速率整数倍的过采样率值；

步骤二、从所述基带数据I和Q中提取FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，从基带数据I_F和Q_F中捕获所述FCCH信道的FB突发，根据所述FB突发输出一个时隙粗同步脉冲信号；具体包括步骤：

a、锁定FCCH信道，提取基带数据I和Q中所述FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，获取基带数据I_F和Q_F的正弦波序列，对所述正弦波序列进行包络信号提取，获取所述FCCH信道的信号包络线；

b、对所述信号包络线进行一次差分运算、差分平方，然后用滑动窗口函数截取差分平方值求得差分平方和；

c、根据所述基带数据I和Q的功率等级预设门限阈值A₀判决所述差分平方和，捕获所述FCCH信道的FB突发，输出所述时隙粗同步脉冲信号；

步骤三、根据所述时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发的时间范围，从所述基带数据I和Q中提取所述SCH信道中的基带数据I_S和Q_S，根据所述时间范围从所述基带数据I_S和Q_S中捕获所述SB突发，输出一个时隙精确同步脉冲信号，具体包括步骤：

d、根据所述时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q延时一个GSM基本帧获取SCH信道的SB突发时间范围；

e、锁定所述SCH信道，提取所述基带数据I和Q中所述SCH信道的基带数据I_S和Q_S与两组预先设置储存的基带数据I_L和Q_L进行复数相关运算；

f、根据所述基带数据I和Q的功率等级预设门限阈值B₀判决复相关运算的结果，捕获所述SB突发中的训练序列，根据所述训练序列在所述SB突发中的位置对所述基带数据I和Q进行延时，输出一个时隙精确同步脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的应用于GSM系统的时隙同步方法，其特征在于，采用查找表技术，根据所述基带数据I和Q的功率等级实时调整预设门限阈值A₀。

3.根据权利要求1所述的应用于GSM系统的时隙同步方法，其特征在于，采用查找表技术，根据所述基带数据I和Q的功率等级实时调整预设门限阈值B₀。

4.一种应用于GSM系统的时隙功率检测方法，其特征在于，包括步骤：

如权利要求1至3任一项所述的应用于GSM系统的时隙同步方法的步骤；

以及，在获得所述时隙精确同步脉冲信号之后，根据所述时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。

5.一种应用于GSM系统的时隙同步系统，其特征在于，包括采样率变换模块，时隙粗同步模块，时隙精确同步模块；

所述采样率变换模块，用于采用软件无线电技术，锁定BCH信道，对BCH信道的基带数据I和Q进行采样率变换，设定相对GSM码元速率整数倍的过采样率值；

所述时隙粗同步模块，用于从所述基带数据I和Q中提取FCCH信道的基带数据I_F和Q_F，从基带数据I_F和Q_F中捕获所述FCCH信道的FB突发，并根据所述FB突发输出一个时隙粗同步脉冲信号；所述时隙粗同步模块包括：信号提取单元，包络提取单元，差分运算单元，查找表单元，判决单元；

所述信号提取单元，用于提取所述基带数据I和Q中FCCH信道的基带数据I_F和Q_F；

所述包络提取单元，用于提取所述基带数据I_F和Q_F的正弦波序列的信号包络线；

所述差分运算单元，用于执行所述信号包络线的一次差分、差分平方运算，利用滑动窗口函数截取所述差分平方运算的结果求差分平方和；

所述查找表单元，用于根据所述基带数据I和Q的功率等级查找并输出预设门限阈值A₀；

所述判决单元，用于判决预设门限阈值A₀与差分平方和的大小，输出时隙粗同步脉冲信号

所述时隙精确同步模块，用于根据所述时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q延时一个GSM基本帧得到SCH信道的SB突发时间范围，从所述基带数据I和Q中提取所述SCH信道中的基带数据I_S和Q_S，根据所述时间范围从所述基带数据I_S和Q_S中捕获所述SB突发，输出一个时隙精确同步脉冲信号；所述时隙精确同步模块包括：第一延时单元，存储单元，复数相关器，查找表单元，判决单元，第二延时单元；

所述第一延时单元，用于根据时隙粗同步脉冲信号对所述基带数据I和Q进行延时；

所述存储单元，用于存储预先设置的基带数据I_L和Q_L；

所述复数相关器，用于执行所述基带数据I_S和Q_S与所述基带数据I_L和Q_L的复数相关运算；

所述查找表单元，用于根据所述基带数据I和Q的功率等级查找并输出预设门限阈值B₀；

所述判决单元，用于判决预设门限阈值B₀与相关运算结果大小；

所述第二延时单元，用于根据训练序列在SB突发中的位置对所述基带数据I和Q进行延时，输出时隙精确同步脉冲信号。

6.一种应用于GSM系统的时隙功率检测系统，其特征在于，包括：权利要求7至9任一项所述的应用于GSM系统的时隙同步系统，以及时隙功率计算模块；

所述时隙功率计算模块，用于根据所述时隙精确同步脉冲信号计算GSM信号各个时隙的功率。