CN103036606B - 一种基于数字导频搜索的td-lte转发系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统及方法，该系统包括：模数转换器、FPGA芯片、数模转换器及功放器，所述FPGA芯片包括数字信号处理单元及用于进行频偏校正和时分开关切换控制的TD-LTE转发控制单元；所述模数转换器的输出端依次与数字信号处理单元、数模转换器及功放器连接，所述数字信号处理单元的输出端与TD-LTE转发控制单元的输入端连接，所述TD-LTE转发控制单元的输出端分别与数字信号处理单元的输入端、模数转换器的输入端及数模转换器的输入端连接。本发明正确地将上行信号及下行信号切换进入对应的链路进行处理，降低了噪声干扰的影响，实现方式简单，切换准确，可提高信号覆盖质量，可广泛应用于通信行业中。

Description

一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统及方法

技术领域

本发明涉及一种信号转发系统及方法，特别是一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统及方法。

背景技术

数字无线直放站是移动通信中不可或缺的组成部分，实现了信号的放大，保障了信号在传输过程中的稳定性。但是，在数字无线直放站中，当时分开关出现不正确切换时，可能出现信号严重失真的问题，将无法精确地进行移动通信。目前的技术主要是通过检测输入信号的电平值来确定时分开关的切换时间，从而进行切换，但这种方法受到接收信号质量的限制，实现方法复杂，且应用比较单一。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种实现方法简单且切换精确的基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统。本发明还提供了一种实现方法简单且切换精确的基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统，包括：模数转换器、FPGA芯片、数模转换器及功放器，所述FPGA芯片包括数字信号处理单元及用于进行频偏校正和时分开关切换控制的TD-LTE转发控制单元；

所述模数转换器的输出端依次与数字信号处理单元、数模转换器及功放器连接，所述数字信号处理单元的输出端与TD-LTE转发控制单元的输入端连接，所述TD-LTE转发控制单元的输出端分别与数字信号处理单元的输入端、模数转换器的输入端及数模转换器的输入端连接。

进一步，所述TD-LTE转发控制单元包括第二抽取滤波模块、频偏计算模块、频偏校正模块、时分开关控制器及用于计算频偏初始值及时分切换位置的TD-LTE导频匹配滤波器；

所述第二抽取滤波模块的输入端与数字信号处理单元的输出端连接，所述第二抽取滤波模块的输出端分别与TD-LTE导频匹配滤波器的输入端及频偏校正模块的输入端连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端依次与频偏计算模块、频偏校正模块及数字信号处理单元连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端还依次与时分开关控制器及数模转换器连接，所述时分开关控制器的输出端还与模数转换器的输入端连接。

进一步，所述数字信号处理单元包括数字下变频模块，所述数字下变频模块的输出端依次连接有第一抽取滤波模块、ICS模块、内插滤波模块及数字上变频模块，所述数字下变频模块的输入端分别与模数转换器的输出端及频偏校正模块的输出端连接，所述ICS模块的输出端与第二抽取滤波模块连接，所述数字上变频模块的输出端与数模转换器的输入端连接。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法，包括：

将输入模拟信号进行模数转换后，得到输入数字信号；

将输入数字信号依次进行数字下变频、抽取滤波及干扰抵消处理后，得到滤波信号x(n)；

将滤波信号x(n)再次进行抽取滤波后，得到二次滤波信号x′(n)，并分别发送到TD-LTE导频匹配滤波器及频偏校正模块；

TD-LTE导频匹配滤波器根据二次滤波信号x′(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置；

频偏计算模块根据初始频偏量计算出系统的频偏调整量后，频偏校正模块根据频偏调整量对二次滤波信号x′(n)的频率值进行频偏校正，并将频偏校正后的频率值发送到数字下变频模块；

时分开关控制器根据时分切换的位置对时分开关进行控制；

将滤波信号x(n)进行内插滤波、数字上变频后，得到输出数字信号；

将输出数字信号进行模数转换、功率放大后发送出去。

进一步，所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中，所述时分切换的位置包括第一切换位置及第二切换位置，所述第一切换位置在TD-LTE帧结构的保护间隔处，所述第二切换位置在TD-LTE每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙之间。

进一步，所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中，TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算时分切换的位置，其具体为：

TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)，检测出主同步信号，进而根据该主同步信号的位置计算得出第一切换位置及第二切换位置。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统，通过采用TD-LTE转发控制系统在数字信号处理过程中进行频偏校正及时分开关切换控制，从而正确地将上行信号及下行信号切换进入对应的链路进行处理，降低了噪声干扰的影响，实现方式简单，切换准确，可提高信号覆盖质量。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法，通过在数字信号处理过程中进行频偏校正及时分开关切换控制，从而正确地将上行信号及下行信号切换进入对应的链路进行处理，降低了噪声干扰的影响，实现方式简单，切换准确，可提高信号覆盖质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统的结构框图；

图2是本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统的一具体实施例的结构框图；

图3是TD-LTE制式中FDD方式的帧结构示意图；

图4是TD-LTE制式中TDD方式的帧结构示意图；

图5是基站的配置方式示意图；

图6是本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法的工作流程图。

具体实施方式

为了便于下文的描述，首先给出以下名词解释：

TD-LTE（Time Division Long Term Evolution）：分时长期演进，是由阿尔卡特-朗讯、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通讯、中国移动等业者，所共同开发的第四代（4G）移动通信技术与标准；

LTE（Long Term Evolution）：长期演进，3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准；

FPGA（Field Programmable Gate Array）：现场可编程门阵列；

ICS（Interference Cancellation System）：干扰抵消系统；

PSS（Primary Synchronization Signal）：主同步信号；

SSS（Secondary Synchronization Signal）：辅同步信号；

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：正交频分复用技术；

ID（IDentity）：身份识别码，也称序列号或账号；

FDD（Frequency Division Duplexing）：频分双工；

TDD（Time Division Duplexing）：时分双工；

UL（Up Link）：上行链路；

DL（Down Link）：下行链路；

DwPTS：下行导频时隙；

UpPTS：上行导频时隙；

GP：保护间隔；

IFFT（Inverse Fast Fourier Transform）：快速傅里叶反变换。

参照图1，本发明提供了一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统，包括：模数转换器、FPGA芯片、数模转换器及功放器，所述FPGA芯片包括数字信号处理单元及用于进行频偏校正和时分开关切换控制的TD-LTE转发控制单元；

所述模数转换器的输出端依次与数字信号处理单元、数模转换器及功放器连接，所述数字信号处理单元的输出端与TD-LTE转发控制单元的输入端连接，所述TD-LTE转发控制单元的输出端分别与数字信号处理单元的输入端、模数转换器的输入端及数模转换器的输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述TD-LTE转发控制单元包括第二抽取滤波模块、频偏计算模块、频偏校正模块、时分开关控制器及用于计算频偏初始值及时分切换位置的TD-LTE导频匹配滤波器；

所述第二抽取滤波模块的输入端与数字信号处理单元的输出端连接，所述第二抽取滤波模块的输出端分别与TD-LTE导频匹配滤波器的输入端及频偏校正模块的输入端连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端依次与频偏计算模块、频偏校正模块及数字信号处理单元连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端还依次与时分开关控制器及数模转换器连接，所述时分开关控制器的输出端还与模数转换器的输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述数字信号处理单元包括数字下变频模块，所述数字下变频模块的输出端依次连接有第一抽取滤波模块、ICS模块、内插滤波模块及数字上变频模块，所述数字下变频模块的输入端分别与模数转换器的输出端及频偏校正模块的输出端连接，所述ICS模块的输出端与第二抽取滤波模块连接，所述数字上变频模块的输出端与数模转换器的输入端连接。

本发明还提供了一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法，包括：

将输入模拟信号进行模数转换后，得到输入数字信号；

将输入数字信号依次进行数字下变频、抽取滤波及干扰抵消处理后，得到滤波信号x(n)；

将滤波信号x(n)再次进行抽取滤波后，得到二次滤波信号x′(n)，并分别发送到TD-LTE导频匹配滤波器及频偏校正模块；

TD-LTE导频匹配滤波器根据二次滤波信号x′(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置；

频偏计算模块根据初始频偏量计算出系统的频偏调整量后，频偏校正模块根据频偏调整量对二次滤波信号x′(n)的频率值进行频偏校正，并将频偏校正后的频率值发送到数字下变频模块；

时分开关控制器根据时分切换的位置对时分开关进行控制；

将滤波信号x(n)进行内插滤波、数字上变频后，得到输出数字信号；

将输出数字信号进行模数转换、功率放大后发送出去。

本质上，这里是对系统晶振的频率进行频偏校正，并将频偏校正后的系统晶振的频率值发送到数字下变频模块等模块。

进一步作为优选的实施方式，所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中，所述时分切换的位置包括第一切换位置及第二切换位置，所述第一切换位置在TD-LTE帧结构的保护间隔处，所述第二切换位置在TD-LTE每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙之间。

进一步作为优选的实施方式，所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中，TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算时分切换的位置，其具体为：

TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)，检测出主同步信号，进而根据该主同步信号的位置计算得出第一切换位置及第二切换位置。

本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统及方法应用在直放站中，上行链路为接收手机终端发送的数据进行处理后发送到基站，下行链路为接收基站发送的数据进行处理后发送到手机终端。

在移动通信中，同步信号用于支持物理层的小区搜索，实现用户终端对小区的识别和下行同步。

LTE物理层的同步信号包括主同步信号PSS及辅同步信号SSS，每个同步信号的时间长度为1个OFDM符号，每5ms传输一次，在频域上占用下行频带中心1.08MHz的带宽。

主同步信号PSS及辅同步信号SSS使用的序列与物理层小区ID相关，可用于终端对小区的识别。LTE物理层支持504个小区ID，分为168个组(0~167)，每个组包含3个小区ID(0~2)。即

$N_{\mathrm{ID}}^{\mathrm{cell}}={3N}_{\mathrm{ID}}^{\left(1\right)}+N_{\mathrm{ID}}^{\left(2\right)}$

式中为物理层小区ID，为小区组ID，为小区组中的小区ID。

与此相对应，主同步信号PSS序列包含3种可能，指示小区的组内ID；辅同步信号SSS序列包含168种可能性，指示小区的组ID。

在Type1FDD（频分双工）和Type2TDD（时分双工）帧结构中，同步信号具有不同的时间位置，参照图3及图4，在Type1FDD帧结构中，主同步信号PSS及辅同步信号SSS均位于第0子帧和第5子帧，且位于两个连续的OFDM符号。在Type2TDD帧结构中，主同步信号PSS位于第1子帧和第6子帧中，辅同步信号SSS位于第0子帧和第5子帧中，且主同步信号与辅同步信号之间有两个OFDM符号的间隔。因为同步信号相对位置的不同，故系统在小区搜索的最初阶段即可检测出LTE系统的双工方式。

因为TDD模式的帧结构的特殊性，每一帧都包含下行信息和上行信息，因此需要进行时分开关的切换。每个5ms的半帧（对应周期为5ms）或10ms的帧（对应周期为10ms），时分开关有有两个切换位置，即下行链路DL转换到上行链路UL的位置，和上行链路UL转换到下行链路DL的位置，第一个切换位置为固定位置，在下行导频时隙DwPTS和上行导频时隙UpPTS之间的保护间隔GP；而第二个切换位置则取决于小区的上下行时隙配置，位置在每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙之间。其中，第一个切换位置相对于每个子帧的开始时间是固定的；第二个切换位置随着分配给上下行的时隙数不同而变化。通过寻找主同步信号PSS的位置，就可以确定时分开关的第一个切换位置，保护间隔GP的位置，而确定第一个切换位置后，根据设定的基站配置方式即可确定第二个切换位置，基站配置方式参照图5所示。因此，只要确定主同步信号PSS的位置，就可以确定时分开关的切换位置。

时分开关切换控制就是检测两个切换位置，控制时分开关进行打开和关闭，即对数据的收发进行控制，使上行信息及下行信息进入对应的上行链路及下行链路进行处理，最后实现数据的转发。

本发明中，TD-LTE导频匹配滤波器的原理为：

设本地产生频域主同步信号为S_u(k)，经过补零后IFFT变换得到时域主同步信号S_u(n)，即

$S_u\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_u\left(k\right)e^{j2\mathrm{\πnk}/N},$ 其中u=25,29,34，n=0,1,...,L-1

分别对接收信号r(n)与u值不同的三个时域主同步信号S_u(n)做滑动相关运算，得到三个相关集：

$P_u\left(n\right)={\left|\underset{\text{m=0}}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}r(n+m)s_u^{*}\left(n\right)\right|}^2,$ 其中u=25,29,34。

由最大相关值所在的相关集的主同步信号PSS即可确定手机终端所在的ID，最大相关值所在的位置即为导频的粗定时同步位置，即导频的粗定时同步的位置为

$n_{\mathrm{coarse}}=\arg \underset{n}{\max }\{P_u\left(n\right),u=\mathrm{25,29,34}\}$

根据导频的粗定时同步位置即可计算出时分切换的位置。

频偏计算原理为：

假设原信号为：S(n)*e^jwn

则带有频偏的输入信号为：S(n)*e^jwn*e^ifn+f0

本地生成一个与原始信号共轭的信号为：S(n)*e^-jwn

本地信号与输入信号相乘后为：S²(n)*e^jfn+f0

由于导频为假设信号长度为124，共轭相乘后的分成前后两段各自累加：

(S²(0)*e^jf*0+f0+S²(1)*e^jf*1+f0…+(S²(62)*e^jf*62+f0)*e^jf*62

因前后两段信号之间相隔62个周期，因此后半段的信号表示为：

S²(n)*e^jf(n+62)+f0=S²(n)*e^jfn+f0*e^jf*62

则前后两段数据的累加结果共轭相乘后结果为：Ae^-jf*62

其中A为正常数，对结果进行反正切变换并除以62后则得到对应的频偏大小。

参照图6，本发明的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法的一实施例如下：

S1、将输入模拟信号进行模数转换后，得到输入数字信号；

S2、将输入数字信号依次进行数字下变频、抽取滤波及干扰抵消处理后，得到滤波信号x(n)；

S3、将滤波信号x(n)再次进行抽取滤波后，得到二次滤波信号x′(n)，并分别发送到TD-LTE导频匹配滤波器及频偏校正模块；

S4、TD-LTE导频匹配滤波器根据二次滤波信号x′(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置；

S5、频偏计算模块根据初始频偏量计算出系统的频偏调整量后，频偏校正模块根据频偏调整量对二次滤波信号x′(n)的频率值进行频偏校正，并将频偏校正后的频率值发送到数字下变频模块；

S6、时分开关控制器根据时分切换的位置对时分开关进行控制，即对数据的收发进行控制；

S7、将滤波信号x(n)进行内插滤波、数字上变频后，得到输出数字信号；

S8、将输出数字信号进行模数转换、功率放大后发送出去。

本实施例中，步骤S5、S6也可以是同时进行的。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统，其特征在于，包括：模数转换器、FPGA芯片、数模转换器及功放器，所述FPGA芯片包括数字信号处理单元及用于进行频偏校正和时分开关切换控制的TD-LTE转发控制单元；

所述模数转换器的输出端依次与数字信号处理单元、数模转换器及功放器连接，所述数字信号处理单元的输出端与TD-LTE转发控制单元的输入端连接，所述TD-LTE转发控制单元的输出端分别与数字信号处理单元的输入端、模数转换器的输入端及数模转换器的输入端连接；

所述TD-LTE转发控制单元包括第二抽取滤波模块、频偏计算模块、频偏校正模块、时分开关控制器及用于计算频偏初始值及时分切换位置的TD-LTE导频匹配滤波器；

所述第二抽取滤波模块的输入端与数字信号处理单元的输出端连接，所述第二抽取滤波模块的输出端分别与TD-LTE导频匹配滤波器的输入端及频偏校正模块的输入端连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端依次与频偏计算模块、频偏校正模块及数字信号处理单元连接，所述TD-LTE导频匹配滤波器的输出端还依次与时分开关控制器及数模转换器连接，所述时分开关控制器的输出端还与模数转换器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发系统，其特征在于，所述数字信号处理单元包括数字下变频模块，所述数字下变频模块的输出端依次连接有第一抽取滤波模块、ICS模块、内插滤波模块及数字上变频模块，所述数字下变频模块的输入端分别与模数转换器的输出端及频偏校正模块的输出端连接，所述ICS模块的输出端与第二抽取滤波模块连接，所述数字上变频模块的输出端与数模转换器的输入端连接。

3.一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法，其特征在于，包括：

将输入模拟信号进行模数转换后，得到输入数字信号；

将输入数字信号依次进行数字下变频、抽取滤波及干扰抵消处理后，得到滤波信号x(n)；

将滤波信号x(n)再次进行抽取滤波后，得到二次滤波信号x'(n)，并分别发送到TD-LTE导频匹配滤波器及频偏校正模块；

TD-LTE导频匹配滤波器根据二次滤波信号x'(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置；

频偏计算模块根据初始频偏量计算出系统的频偏调整量后，频偏校正模块根据频偏调整量对二次滤波信号x'(n)的频率值进行频偏校正，并将频偏校正后的频率值发送到数字下变频模块；

时分开关控制器根据时分切换的位置对时分开关进行控制；

将滤波信号x(n)进行内插滤波、数字上变频后，得到输出数字信号；

将输出数字信号进行模数转换、功率放大后发送出去；

所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中，所述时分切换的位置包括第一切换位置及第二切换位置，所述第一切换位置在TD-LTE帧结构的保护间隔处，所述第二切换位置在TD-LTE每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字导频搜索的TD-LTE转发方法，其特征在于，所述TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算系统的初始频偏量和时分切换的位置这一步骤中， TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)计算时分切换的位置，其具体为：

TD-LTE导频匹配滤波器根据滤波信号x(n)，检测出主同步信号，进而根据该主同步信号的位置计算得出第一切换位置及第二切换位置。