CN102685047B - 一种gsm频偏估计方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GSM频偏估计方法，包括步骤：搜索所有GSM载频；锁定含有FCCH信道的载频并提取FCCH信道信号；根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计。该方法实时性强，计算精度高，且易于硬件实现，能准确地估计出GSM信号的频偏值，特别是能实时地估计出高速环境下GSM信号的多普勒频偏值。还公开了一种GSM频偏估计系统，包括载频搜索模块、FCCH信道信号提取模块以及频偏估计模块。本发明公开的GSM频偏估计方法和系统可用在车载直放站上改善车厢内的信号质量，能有效降低掉话率，防止GSM信号出现脱网、不能正常呼叫和切换等现象。

Description

一种GSM频偏估计方法与系统

技术领域

本发明涉及GSM频偏估计领域，尤其涉及高速环境下GSM信号的多普勒频偏估计领域。

背景技术

随着国家经济的发展，高速交通工具在我们的日常生活中得到广泛的应用。人们在高速移动环境下使用通信工具的需求越来越大，因此对高速环境下的网络质量要求也越来越高。在2007年全国铁路第六次大提速后，部分地区GSM（Global System of Mobile Communication，全球移动通讯系统）网络出现了铁路覆盖区域掉话率大幅度上升及话音质量严重下降的现象。另外，目前高速铁路已经在全国得到普及。作为一种新出现的重要特殊场景，在已开通的高速铁路上的测试显示，部分路段的GSM信号出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象。因此，如何在高速移动情况下保证良好的GSM网络服务质量成为运营商和设备商所关注的一个焦点。

由于列车车厢良好的密闭性，导致GSM信号在无线传输过程中的车厢穿透损耗很大，通常达到20dB以上。通常情况下采用在车厢内安装直放站的方式来克服GSM信号的车厢穿透损耗。但因为普通的直放站没有频偏校正功能，因此无法克服高速移动环境下产生的GSM信号的多普勒频偏现象。

发明内容

本发明公开了一种GSM频偏估计方法与一种GSM频偏估计系统，能实时地估计出GSM信号的频偏值，特别是能实时地估计出高速环境下GSM信号的多普勒频偏值，可用在车载直放站上改善车厢内的信号质量。

一种GSM频偏估计方法，包括以下步骤：

搜索所有GSM载频；

锁定含有FCCH（Frequency Correction Channel，频率校正信道）信道的载频并提取FCCH信道信号；

根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计。

与现有技术相比，本发明提供的GSM频偏估计方法实时性强，计算精度高，能准确估计GSM信号的频偏值，特别是能准确估计高速环境下GSM信号的多普勒频偏值。在GSM信号内进行搜索，锁定GSM信号内平均功率最大的载频，使用自相关算法和自适应门限算法在该平均功率最大的载频内对FCCH信道进行搜索。如果搜索FCCH信道成功，则提取FCCH信道信号，如果搜索不成功，则按照平均功率从大至小的顺序，锁定下一个载频，并使用自相关算法和自适应门限算法在锁定的载频内对FCCH信道进行搜索，直至搜索成功，并提取FCCH信道信号。根据提取的FCCH信道信号，使用信号共轭相乘的方法进行频偏估计。该GSM频偏估计方法不仅降低了计算所需的运算量和存储量，而且易于硬件实现。

一种GSM频偏估计系统，包括载频搜索模块、FCCH信道信号提取模块以及频偏估计模块；

所述载频搜索模块，用于搜索所有GSM载频；

所述FCCH信道信号提取模块，用于锁定含有FCCH信道的载频并提取FCCH信道信号；

所述频偏估计模块，用于根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计。

与现有技术相比，本发明提供的GSM频偏估计系统，能实时估计出GSM信号的频偏值，特别是能实时地估计出高速环境下GSM信号的多普勒频偏值。可用在车载直放站上改善车厢内的信号质量，能有效降低掉话率，防止GSM信号出现脱网、不能正常呼叫和切换等现象。

附图说明

图1为GSM频偏估计方法的示意流程图；

图2为车厢内安装车载直放站的结构示意图；

图3为FCCH信道的信号格式示意图；

图4为GSM频偏估计系统的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明GSM频偏估计方法的示意流程图。本发明GSM频偏估计方法包括以下步骤：

S101搜索所有GSM载频；

优选的，搜索GSM载频的方法是计算每个载频的平均功率，根据平均功率的大小搜索各个载频。FCCH信道所在载频是恒功率发射，不进行功率控制。

S102锁定含有FCCH信道的载频并提取FCCH信道信号；

优选的，根据步骤S101中搜索的GSM载频，锁定平均功率最大的载频。在该平均功率最大的载频内对FCCH信道信号进行搜索，如果搜索FCCH信道信号成功，则提取FCCH信道信号。如果搜索不成功，则按照平均功率从大至小的顺序，锁定下一个载频，并在锁定的载频内对FCCH信道信号进行搜索，直至搜索成功，并提取FCCH信道信号。

由于FCCH信道信号经过GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying，高斯滤波最小频移键控）调制后的信号为正弦波，因此搜索FCCH信道信号实质是在锁定的载频内搜索一段正弦波。

优选的，本发明GSM频偏估计方法使用自相关算法对FCCH信道信号进行搜索，使得GSM信号存在较大的频偏时，也能计算得到显著的相关峰，从而准确地确定FCCH信道信号的起始位置。

使用自相关算法来搜索FCCH信道信号所调制成的正弦波时，根据以下的公式计算信号的自相关函数R_x(t)：

$R_x\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{n=N}{\mathrm{\Σ}}}x(t+n)x(t+n+\mathrm{\τ})---\left(1\right)$

其中，x(t)为t时刻的信号，x(t+τ)为x(t)延迟τ后的信号，τ为信号的延迟，N为滑动窗的长度。

实现过程中对I、Q两路进行计算，即R_x(t)＝R_I(t)+R_Q(t)。由于FCCH信道信号经过GMSK调试后为67.708kHz的正弦波，而GSM信号的数据速率为270.833kHz，即FCCH信道信号以4bit为一个周期。故将上式(1)中τ设定为4。又由图3知，FCCH信道信号中数据长度为142bit，故设定上式(1)中N为142。如果t时刻为FCCH信道的起点，那么x(t+n)与x(t+n+4)为相位、幅度和频率均相同的正弦波，则R_x(t)为一个相关峰，搜索到了该相关峰就搜索到了正弦波的起点，也即确定了FCCH信道信号的起点。

上式(1)所给出的自相关算法只能在FCCH信道信号出现时计算出一个相关峰，但该相关峰出现在什么时刻是未知的。由于FCCH每10帧，也即每隔46.15ms出现一次，因此可将按照上式(1)每次计算的自相关值都存储下来，然后从中搜索最大值。但这需要存储10×8×156.25个自相关值，存储量和运算量过大，而且实时性差。

优选的，本发明GSM频偏估计方法使用自适应门限算法来搜索相关峰。在超过设定的门限值的范围内搜索相关峰，大大降低了运算量和存储空间需求，从而更易于硬件实现，实时性更强。门限值可通过下式来设定：

${\mathrm{THR}}_x\left(t_k\right)=\underset{t=t_k}{\overset{t=t_k+n}{\mathrm{\Σ}}}x\left(t_k\right)x\left(t_k\right)---\left(2\right)$

上式(2)表示在t_k时刻，长度为n的信号x的能量值。在上式(1)中，对于自相关函数R_x(t)，当τ≠0时，总有R_x(t)|_τ≠0＜THRx，但当t_k为FCCH信道信号的起点时，则有R_x＝R_x(I)+R_x(Q)＝2R_x(t)|_τ＝0＝2THR_x。因此，如果不是FCCH信道信号，门限值高于R_x，当FCCH信道信号出现时，门限值将低于R_x。由于门限值低于R_x的范围较小，因此在该范围内搜索相关峰的运算量和存储量较小。搜索到了相关峰后，即确定了FCCH信道信号的起点，因此可对FCCH信道信号进行提取。

S103根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计。

在提取了FCCH信道信号后，需要根据该信号计算GSM信号的频偏。

优选的，本发明GSM频偏估计方法使用信号共轭相乘的方法进行频偏估计，能精确地估计出GSM信号的频偏值，在信号较小时也能达到±10Hz的估计精度，估计范围可达±2115.9Hz。

假设提取到的FCCH信道信号为：

${R\left(t\right)}_{|t=1~142}=\{S\left(t\right)\⊗h\}\·e^{j2\mathrm{\π\Δft}}+n\left(t\right)---\left(3\right)$

上式(3)中R(t)为提取到的FCCH信道信号，t为1~142，是FCCH信道信号的比特序号，S(t)为发送的FCCH信道信号，h为信号传输经过的信道模型，Δf为收发两端的频率偏差，n(t)为白噪声。

将提取到的FCCH信道信号与发送的FCCH信道信号进行共轭乘法，其结果为：

${\mathrm{COR}\left(t\right)}_{|t=1~142}=R\left(t\right)\×{S\left(t\right)}^{*}$

$=\left\{\right\{S\left(t\right)\⊗h\}\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}+n\left(t\right)\}\×S{\left(t\right)}^{*}$

$=\{S\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}\⊗h\}\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}+n\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}$

$=\left|S\left(t\right)\right|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h+n\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}$

上式中n(t)×S(t)^*为白噪声，忽略该白噪声的影响，为了消除信道的影响并计算出频偏值，将COR(t)的前后平均分为两部分并共轭相乘：

$\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{COR}\left(t\right)\×\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{COR}}^{*}\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right|S\left(t\right)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h\}\×{\left\{\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}\right\{\left|S\left(t\right)\right|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h\left\}\right\}}^{*}$

$=\left|h\right|e^{-j2\mathrm{\π\Δf}\×74}\×\left\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\right|S\left(t\right)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\×{\left\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\right|S(t+71)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\}}^2\}$

$=A\×e^{-j2\mathrm{\π\Δf}\×71}$

上式中，A为常数，故可以求出频偏值Δf为：

$\mathrm{\Δf}=-\frac{\mathrm{angle}\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{COR}\left(t\right)\×\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{COR}}^{*}\left(t\right)/A\}}{2\mathrm{\π}\×71}---\left(4\right)$

上式(4)即为计算得到的GSM信号的频偏值。

优选的，在根据上式(6)计算得到GSM信号的频偏值Δf后，还可根据Δf来调整NCO（Numerical Controlled Oscillator，数字控制振荡器）的频率字，实现对GSM信号频偏的数字化校正。相对于模拟频偏校正中闭环控制VCXO的方式，数字化频偏校正使用开环控制的方式，控制链路简单，实时性强，校正精准。同时避免了模拟器件由于温飘、环境改变带来的校正误差。

图2给出了车厢内安装车载直放站的结构示意图。直放站安装在设备车厢或车厢的通道上，其中施主天线从直放站引出，安装在车厢外面，用于接收铁路沿线的基站或RRU的信号。直放站将接收到的信号经过放大、滤波、频偏估计、频偏校正等处理后，通过泄露电缆覆盖到各节列车车厢。

图3给出了FCCH信道（频率校正信道）的信号格式示意图，FCCH信道属于GSM广播信道。从图3中可知，FCCH信道由156.25bit组成，分别是前后3bit的尾比特，8.25bit的保护间隔以及142bit的数据，其中尾比特和数据都是0。FCCH信道信号经GMSK调制后，I、Q两路均为频率为67.7083Hz的正弦波，相邻符号的相位差为π/2。FCCH信道信号在51复帧结构中，每隔10帧出现一次，位于每帧的第一个时隙。

请参阅图4，本发明GSM频偏估计系统的结构示意图。GSM频偏估计系统包括载频搜索模块201、FCCH信道信号提取模块202和频偏估计模块203。

所述载频搜索模块201，用于搜索所有GSM载频；

载频搜索模块201计算GSM信号内每个载频的平均功率，根据平均功率的大小来搜索各个载频。

所述FCCH信道信号提取模块202，用于锁定含有FCCH信道的载频并提取FCCH信道信号；

根据载频搜索模块201搜索的GSM载频，FCCH信道信号提取模块202锁定平均功率最大的载频。在该平均功率最大的载频内对FCCH信道信号进行搜索，如果搜索FCCH信道信号成功，则提取FCCH信道信号。如果搜索不成功，则按照平均功率从大至小的顺序，锁定下一个载频，并在锁定的载频内对FCCH信道信号进行搜索，直至搜索成功，并提取FCCH信道信号。

优选的，FCCH信道信号提取模块202使用自相关算法对FCCH信道信号进行搜索。计算信号的自相关函数其中，x(t)为t时刻的信号，x(t+τ)为x(t)延迟τ的信号，设定τ为4，N为滑动窗的长度，设定N为142。搜索FCCH信道信号起点的问题转化为了搜索自相关函数R_x(t)峰值的问题。在GSM信号存在较大的频偏时，FCCH信道信号提取模块202仍能计算出显著的相关峰，从而准确地确定FCCH信道信号的起点。

上述自相关算法只能在FCCH信道信号出现时计算出一个相关峰，但该相关峰出现在什么时刻是未知的。如果将每次计算的自相关值都存储下来，再从中搜索最大值，存储量和运算量过大，而且实时性差。

优选的，FCCH信道信号提取模块202使用自适应门限算法来搜索相关峰。通过公式来设定门限值，FCCH信道信号提取模块202在超过设定的门限值的范围内搜索R_x(t)的相关峰。这样做的好处是大大降低了运算量和存储量，易于硬件实现，并且实时性更强。

所述频偏估计模块203，用于根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计。

在FCCH信道信号提取模块202提取FCCH信道信号后，频偏估计模块203根据提取的信号计算GSM信号的频偏。

假设提取到的FCCH信道信号为其中R(t)为提取的FCCH信道信号，t为1~142，是FCCH信道信号的比特序号，S(t)为发送的FCCH信道信号，h为信号传输经过的信道模型，Δf为收发两端的频率偏差，n(t)为白噪声。

优选的，频偏估计模块203使用对信号共轭相乘的方法进行频偏估计，将提取到的FCCH信道信号与发送的FCCH信道信号进行共轭乘法：

${\mathrm{COR}\left(t\right)}_{|t=1~142}=R\left(t\right)\×{S\left(t\right)}^{*}$

$=\left\{\right\{S\left(t\right)\⊗h\}\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}+n\left(t\right)\}\×S{\left(t\right)}^{*}$

$=\{S\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}\⊗h\}\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}+n\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}$

$=\left|S\left(t\right)\right|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h+n\left(t\right)\×S{\left(t\right)}^{*}$

其中n(t)×S(t)^*为白噪声，忽略该白噪声的影响，为了消除信道的影响并计算出频偏值，将COR(t)的前后平均分为两部分并共轭相乘：

$\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{COR}\left(t\right)\×\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{COR}}^{*}\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right|S\left(t\right)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h\}\×{\left\{\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}\right\{\left|S\left(t\right)\right|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\⊗h\left\}\right\}}^{*}$

$=\left|h\right|e^{-j2\mathrm{\π\Δf}\×74}\×\left\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\right|S\left(t\right)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\×{\left\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\right|S(t+71)|\×e^{j2\mathrm{\π\Δft}}\}}^2\}$

$=A\×e^{-j2\mathrm{\π\Δf}\×71}$

上式中A为常数，故可求出频偏值Δf为：

$\mathrm{\Δf}=-\frac{\mathrm{angle}\{\underset{t=1}{\overset{71}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{COR}\left(t\right)\×\underset{t=72}{\overset{142}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{COR}}^{*}\left(t\right)/A\}}{2\mathrm{\π}\×71}$

上述频偏估计模块203使用对信号共轭相乘的方法进行频偏估计，能精确地估计出GSM信号的频偏值，在信号较小时也能达到±10Hz的估计精度，估计范围可达±2115.9Hz。

优选的，本发明GSM频偏估计系统还可包括频偏校正模块，用于根据估计的频偏进行频率校正。频偏校正模块根据计算得到的GSM信号频偏值Δf来调整NCO的频率字，实现对GSM信号频偏的数字化校正。相对于模拟频偏校正中闭环控制VCXO的方式，数字化频偏校正使用开环控制的方式，控制链路简单，实时性强，校正精准。同时避免了模拟器件由于温飘、环境改变带来的校正误差。

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 (7)

1.一种GSM频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

搜索所有GSM载频；

锁定含有FCCH信道的载频，通过自相关算法和自适应门限算法对所述FCCH信道进行搜索，并提取FCCH信道信号；

根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计；

通过自相关算法对FCCH信道进行搜索时，根据公式计算信号的自相关函数R_x(t)，其中，x(t)为t时刻的信号，x(t+τ)为x(t)延迟τ的信号，τ为信号的延迟，N为滑动窗的长度；

通过公式设定门限值，在超过设定的门限值的范围内搜索R_x(t)的相关峰，其中，THR_x表示门限值，t_k表示t_k时刻，x表示信号x，n表示信号x的长度。

2.如权利要求1所述的GSM频偏估计方法，其特征在于，所述锁定含有FCCH信道的载频并提取FCCH信道信号的步骤包括以下步骤：

锁定平均功率最大的载频，在该平均功率最大的载频内对FCCH信道进行搜索；

如果搜索FCCH信道成功，则提取FCCH信道信号，如果搜索不成功，则按照平均功率从大至小的顺序，锁定下一个载频，并在锁定的载频内对FCCH信道进行搜索，直至搜索成功，并提取FCCH信道信号。

3.如权利要求1所述的GSM频偏估计方法，其特征在于，根据提取的FCCH信道信号，使用了对信号共轭相乘的方法进行频偏估计。

4.如权利要求1至3中任一项所述的GSM频偏估计方法，其特征在于在所述根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计的步骤之后还包括以下步骤：根据估计的频偏进行频率校正。

5.如权利要求4所述的GSM频偏估计方法，其特征在于根据估计的频偏，使用了数字化的方式进行频率校正。

6.一种GSM频偏估计系统，其特征在于，包括载频搜索模块、FCCH信道信号提取模块以及频偏估计模块；

所述载频搜索模块，用于搜索所有GSM载频；

所述FCCH信道信号提取模块，用于锁定含有FCCH信道的载频，通过自相关算法和自适应门限算法对所述FCCH信道进行搜索，并提取FCCH信道信号；

所述频偏估计模块，用于根据提取的FCCH信道信号进行频偏估计；

所述FCCH信道信号提取模块通过自相关算法对FCCH信道进行搜索时，根据公式计算信号的自相关函数R_x(t)，其中，x(t)为t时刻的信号，x(t+τ)为x(t)延迟τ的信号，τ为信号的延迟，N为滑动窗的长度；

所述FCCH信道信号提取模块通过公式设定门限值，在超过设定的门限值的范围内搜索R_x(t)的相关峰，其中，THR_x表示门限值，t_k表示t_k时刻，x表示信号x，n表示信号x的长度。

7.如权利要求6所述的GSM频偏估计系统，其特征在于包括频偏校正模块，用于根据估计的频偏进行频率校正。