CN103281086B - 一种tdma射频信号采样量化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TDMA射频信号采样量化方法及系统，所述方法首先对接收的信号进行量化分层，然后进行采样，将每个采样信号量化成Sfn，最后进行信号处理。系统包括：量化分层模块、采样模块、采样信号量化模块、传输模块以及还原信息采样模块。本发明对快速变化信号和慢衰落包络信号分别量化，大大减少了后端的高速ADC的量化比特数，降低了硬件选择要求，降低成本；同时数字量化比特数的减少，也节省了FPGA、DSP等硬件要求，提高了处理的速度，大大的节省了信号传输资源。

Description

一种TDMA射频信号采样量化方法及系统

技术领域

本发明涉及TDMA射频技术领域，特别涉及一种TDMA射频信号采样量化方法及系统。

背景技术

对于TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）通信系统，包括GSM（Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统,）、DCS（Digital Cellular System，数字蜂窝系统）、JDC（日本数字蜂窝移动通信系统），IS-54、TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division MultipleAccess时分同步码分多址）等。其射频信号是以TDMA帧来定义的，每个TDMA帧包含多个时隙。为不失一般性，下面以GSM制式来进行技术说明。

GSM信号，其射频信号的包络变化是以TDMA帧和其中的时隙为单位的。每个GSM载波的TDMA帧含有8个全速率时隙，常规序列的业务信号加上首尾共有148bit，547微秒的时段是一个用户的时隙包络信号，常规时隙尾部留有8.25bit间隔，30微秒时段不发出任何信号，作为相邻时隙防护段，如图1所示。接入序列的业务信号加上首尾共有88bit，接入序列的保护间隔更大，有68.25bit，约248微秒不发出任何信号，作为定时偏差的相邻时隙防护段。其图形与常规序列的图形相似，仅仅是比例不同。GSM载波的TDMA帧含有8个全速率时隙，每个547微秒的时隙包络信号，30微秒时段相邻时隙防护段，以8个时隙为一组的TDMA帧序列如图2所示。

基站接收机的接收灵敏度为-104dBm，手机的接收灵敏度为-102dBm，低于此门限值，接收机将不能正常解出原信号。对于理想自由空间传播的平稳信号，这个幅度的采样量化是按照相应调制方式解调要求的信噪比设置的，也是最基本的采样量化要求。

然而，由于空间快速移动体的多径干扰、移动终端快速移动的“多普勒效应”等影响，信号幅度将可能有20dB～35dB的起伏，为保证接收端满足接收门限要求，发送端必须相应地增加发送功率。由于“阴影效应”、“远近效应”、多径干扰、雨衰以及遮蔽等影响，信号幅度将可能有30～50dB的起伏。例如，室内10m～100m距离变化引起传播损耗变化可能相差50dB。为保证接收端满足接收门限要求，发送端必须相应地增加发送功率。由此，实际的信号在门限以上叠加的功率余量可能会达到50～70dB。对于接收机来说，为了保证动态范围，GSM接收机的设计通常要求输入电平范围为-15dBm～-104dBm，动态范围达到89dB。DCS-1800的接收机的设计要求输入电平范围为-23dBm～-104dBm，动态范围达到81dB。有些设计甚至要求输入电平范围为-15dBm～-110dBm，动态范围达到95dB，如图3所示,可见，按照常规的采样量化要求，幅度需要考虑：GSM的C/I要求S1+快衰落S2+慢衰落S3，则单位时间采样量化总比特数G＝调制信号采样率Fs*（S1+S2+S3）量化比特。若Fs＝1M，S1＝12dB（GSM的C/I要求），S2＝33dB，S3＝50dB，则S1+S2+S3＝95dB（需要16bit量化），G＝1M*16＝16M。

常规采样量化方法是：按照奈奎斯特定律对需量化信号设置将采样率，按照信号加上衰落余量设置量化动态范围。而TDMA信号的帧长，相对通话时长是很短的。通话时长通常是以分钟计，平均在1～2分钟以上，即60～120S以上。TDMA信号帧长相对慢衰落也是比较短的，通常慢衰落也是以秒计，甚至部分快衰落的时间也比TDMA帧长。实际对采样信号而言，按照相应调制方式的信噪比设置的采样量化要求是最基本的要求；其他功率余量是针对传送路径的衰落而设置的，这些功率余量通常被称为衰落余量。如果不是按照常规的量化方法，就可以大大地减少量化比特数。实际对信号而言，按照相应调制方式的信噪比设置的量化要求是最基本的要求。其他余量是针对传送路径的衰落而设置的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种TDMA射频信号采样量化方法，该方法对快速变化信号和慢衰落包络信号分别量化，大大减少了后端的高速ADC（ADC：Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的量化比特数，降低了硬件选择要求，降低成本；同时数字量化比特数的减少，也节省了FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）、DSP（DigitalSignal Processing，数字信号处理）等硬件要求，提高了处理的速度，大大的节省了信号传输资源。

本发明的另一目的在于，提供一种TDMA射频信号采样量化系统。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

一种TDMA射频信号采样量化方法，所述方法具体包括以下步骤：

（1）对大动态变化的TDMA射频信号在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层，所述大动态变化的TDMA射频信号是由慢起伏包络的采样量化和快速变化信号的采样量化两部分共同表征；

（2）量化分层后，对接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样；

（3）将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，并对Sfn进行数字信号处理；

（4）传输时，正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn，对应帧间时隙传送量化的慢起伏包络阶数Som，所述慢起伏包络阶数为信息的二进制比特数；

（5）还原信息采样值时，用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位。

所述步骤（1）中的在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层具体包括以下步骤：

（1-1）对大动态变化的TDMA射频信号检测TDMA帧起始和帧时隙；

（1-2）在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

（1-3）取Sf=快衰落动态范围值+系统C/I值，量化慢起伏包络峰值Slm＝量化时段内包络峰值与Sf的差值，量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数，所述系统C/I值为系统在没有衰落和外界附加干扰前提下的电平值；

（1-4）将量化的慢起伏包络阶数信息按多址信号m分别分组存放。

所述步骤（2）中的对接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样的具体步骤包括：

（2-1）检测TDMA帧多址时段起始；

（2-2）对应其多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

（2-3）对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值，所述慢起伏包络量化阶数中值为包络量化比特数所能表示的最大值与最小值的均值；

（2-4）对减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号进行采样。

所述的快速变化信号的采样量化是以满足奈奎斯特定理的采样速率要求和以满足快速变化信号的C/I和快衰落动态范围为量化要求；

所述的慢起伏包络的采样量化是以TDMA射频信号的时隙速率为采样间隔，以慢起伏包络的最大动态范围确定量化阶数；

所述的慢起伏的包络与所述的快速变化的信号划分是以TDMA帧速率为参考，低于TDMA帧速率变化的衰落起伏为慢起伏的包络，否则计入快衰落。

所述TDMA射频信号包括基带的TDMA帧信号，其本质是未经量化处理的、含有衰落起伏的、具有时隙间隔的TDMA帧信号；所述射频信号采样和基带采样的不同仅仅是采样频率设计时考虑被采样信号的关系上有些许差别，不影响本发明方法的实现。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种TDMA射频信号采样量化系统，包括：

量化分层模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层；

采样模块，用于对量化分层后接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样；

采样信号量化模块，用于将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，

传输模块，将正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn，对应帧间时隙传送量化的慢起伏包络阶数Som；

还原信息采样模块，用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位。

优选的，所述量化分层模块包括：

第一检测模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号检测TDMA帧起始和帧时隙；

第二检测模块，用于在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

慢起伏包络阶数量化模块，取Sf=快衰落动态范围值+系统C/I值，量化慢起伏包络峰值Slm＝量化时段内包络峰值与Sf的差值，量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数，所述系统C/I值为系统在没有衰落和外界附加干扰前提下的电平值；

存储模块，用于将量化的慢起伏包络阶数信息按多址信号m分别分组存放。

优选的，所述采样模块包括：

多址时段检测模块，用于检测TDMA帧多址时段起始；

量化阶数选择模块，用于对应多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

量化阶数减去模块，对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值，所述慢起伏包络量化阶数中值为包络量化比特数所能表示的最大值与最小值的均值；

量化阶数中值采样模块，用于对减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号进行采样。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明采用一种TDMA射频信号采样量化方法能够减少高速ADC的量化比特数，降低硬件选择要求。

2、采用本发明方法使量化比特数减少，提高了接收的信号处理速度。

3、本发明方法节省了信号传输资源，使得许多宽带无线传输问题得以解决。

4、本发明的方法和系统在不降低系统性能的基础上，可以大大降低系统的成本，具有显著的成本优势。

附图说明

图1是发送端输出的TDMA信号帧内时隙示意图；

图2是发送端输出的TDMA信号帧间及其帧内时隙示意图；

图3是TDMA信号帧的几个时隙中分别含有不同衰落时对发送信号电平不同要求的示意图；

图4是一种按照本发明方法相对TDMA信号帧的快慢不同衰落分层量化电平的示意图；

图5是另一种按照本发明方法相对TDMA信号帧的快慢不同衰落分层量化电平的示意图；

图6是本发明的TDMA射频信号采样量化方法的流程图；

图7是本发明的TDMA射频信号采样量化系统的结构方框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图4是一种按照本发明方法相对TDMA信号帧的快慢不同衰落分层量化电平的示意图，具体为：

S1：TDMA信号的C/I要求，这是在没有衰落和外界附加干扰前提下的基本要求；

S2：行业通常表述的快衰落电平起伏范围；

S3：行业通常表述的慢衰落电平起伏范围；

S2f：行业通常表述的快衰落中与TDMA帧速率相比较快的电平起伏范围；

S2l：行业通常表述的快衰落中与TDMA帧速率相比较慢的电平起伏范围。

图4描述的一种TDMA射频信号的采样量化方法，所处理的信号为由慢起伏包络的采样量化和快速变化信号的采样量化两部分共同表征的一个大动态变化的TDMA（或TDM）射频信号；

其中，快速变化信号的采样量化以满足耐奎斯特采样定理的采样速率要求，以快速变化信号的C/I（图4中S1部分）和快衰落动态范围（图4中S2f部分）为量化范围要求；

慢起伏包络（图4中S3部分）的采样量化以TDMA射频信号的时隙速率为采样间隔，以慢起伏包络的最大动态范围确定量化阶数；

慢起伏的包络与快速变化的信号划分是以TDMA帧速率为参考，低于TDMA帧速率变化的衰落起伏为慢起伏的包络，即下一帧的同一多址时隙的包络幅度与前一帧的同一多址时隙包络幅度相当，否则，计入快衰落；

慢起伏包络的采样量化信息按多址信号分别分组；

慢起伏包络的采样量化信息在传送时，仅需传送包络的采样量化与快速变化信号的采样量化差值的量化阶数，量化阶数如图4中的S2l+S3部分；

慢起伏包络的采样量化信息在串行传送时，可按时隙间隙分别传送。

图5是另一种按照本发明方法相对TDMA信号帧的快慢不同衰落分层量化电平的示意图，其内容与图4的相同，只是描述衰落和信号的顺序习惯不同，适合不同描述阅读习惯而已。

对如图4（或图5）所示的信号采样，若单位时间时隙包络采样量化的比特数为gl，将快衰落动态范围全都计入，则gl为：

gl＝时隙采样率Fsl*（S3+S2l）量化比特

对于部分比TDMA帧快的快衰落S2f和GSM基础信号Sl部分，按照调制信号的采样率抽取，量化幅度按解调信噪比要求加上部分比TDMA帧快的快衰落幅度设置，则单位时间时隙采样量化的比特数gf为：

gf＝调制信号采样率Fs*（Sl+S2f）量化比特。

因此，单位时间总采样量化比特数g为：g＝gl+gf，

从图4（或图5）可见，（Sl+S2f）量化比特数远小于（S1+S2+S3）量化比特数，时隙采样率Fsl远小于调制信号采样率Fs，所以单位时间采样量化比特数g远小于常规的单位时间采样量化总比特数G。由（S1+S2+S3）减少到（Sl+S2f），减少了高速ADC的量化比特数，降低了硬件选择要求。使得许多大动态的高速ADC难以选择的问题得以解决。同时量化比特数的减少，也大大节省了DSP处理硬件要求，提高了处理的速度。总采样量化比特数的降低，大大的节省了信号传输资源。使得许多宽带无线传输问题得以解决。

若Fs＝1MHz，Fsl＝200Hz，假设S1＝12dB，S2f＝18dB，S2l＝15dB，S3＝50dB，则S1+S2f＝30dB（需要5bit量化），S2l+S3＝65dB（需要11bit量化），而11比特的表述仅仅需要4位2进制数。g＝1M*5+200*4＝5M+800＝5.0008M。即使考虑将全部快衰落计入包络，S2+S3＝83dB，也只需要14bit。而14比特的表述也仅需要4位2进制数，因此g＝1M*5+200*4＝5.0008M。可见，包络量化比特数的增加，没有增加量化阶数时，对单位时间总采样量化比特数g没有影响。

图5所示的信号层次关系与图4所示的信号层次关系是两种表述方式，也可以是两种处理顺序。所述射频信号也可以是变换到基带的TDMA或TDM帧信号，其本质是未经量化处理的、含有衰落起伏的、具有时隙间隔的TDMA帧信号。射频信号采样和基带采样的不同仅仅是采样频率设计时考虑被采样信号的关系上有些许差别，不影响本发明方法的实现。实际的量化比特还需考虑量化噪声和底噪声的安排。

如图6所示，一种TDMA射频信号采样量化方法，其方法步骤如下：

（1）检测TDMA帧起始和帧时隙；

（2）在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

（3）取Sf｛快衰落动态范围值+系统C/I值｝，对应图4、图5中S1+S2f；

（4）量化慢起伏包络峰值Slm＝量化｛包络峰值-Sf｝，对应图4、图5中S2l+S3；

（5）量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数；

（6）慢起伏包络的量化阶数信息按多址信号m分别分组存放；

（7）检测TDMA帧多址时段起始；

（8）对应其多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

（9）对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值；

（10）将减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号采样；

（11）将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，对应图4、图5中S1+S2f；

（12）仅仅对Sfn进行数字信号处理；

（13）需传输时，正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn；

（14）对应帧间时隙，传送慢起伏包络量化阶数Som；

（15）如需还原，则可用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位后近似，此量化误差小于信号处理对噪声的要求。

如图7所示，本发明的TDMA射频信号采样量化系统，包括以下组成部分：

量化分层模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层，所述大动态变化的TDMA射频信号是由慢起伏包络的采样量化和快速变化信号的采样量化两部分共同表征；

采样模块，用于对量化分层后接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样；

采样信号量化模块，用于将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，并对Sfn进行数字信号处理

传输模块，将正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn，对应帧间时隙传送量化的慢起伏包络阶数Som，所述慢起伏包络阶数为信息的二进制比特数；

还原信息采样模块，用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位。

优选的，所述量化分层模块包括：

第一检测模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号检测TDMA帧起始和帧时隙；

第二检测模块，用于在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

慢起伏包络阶数量化模块，取Sf=快衰落动态范围值+系统C/I值，量化慢起伏包络峰值Slm＝量化时段内包络峰值与Sf的差值，量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数，所述系统C/I值为系统在没有衰落和外界附加干扰前提下的电平值；

存储模块，用于将量化的慢起伏包络阶数信息按多址信号m分别分组存放。

优选的，所述采样模块包括：

多址时段检测模块，用于检测TDMA帧多址时段起始；

量化阶数选择模块，用于对应多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

量化阶数减去模块，对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值，所述慢起伏包络量化阶数中值为包络量化比特数所能表示的最大值与最小值的均值；

量化阶数中值采样模块，用于对减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号进行采样。

本发明可应用于GSM、DCS、JDC，IS-54、TD-SCDMA等TDMA通信系统中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种TDMA射频信号采样量化方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

(1)对大动态变化的TDMA射频信号在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层，所述大动态变化的TDMA射频信号是由慢起伏包络的采样量化和快速变化信号的采样量化两部分共同表征；

(2)量化分层后，对接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样；

(3)将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，并对Sfn进行数字信号处理；

(4)传输时，正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn，对应帧间时隙传送量化的慢起伏包络阶数Som，所述慢起伏包络阶数为信息的二进制比特数；

(5)还原信息采样值时，用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位；

所述步骤(1)中的在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层具体包括以下步骤：

(1-1)对大动态变化的TDMA射频信号检测TDMA帧起始和帧时隙；

(1-2)在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

(1-3)取Sf＝快衰落动态范围值+系统C/I值，量化慢起伏包络峰值Slm＝量化时段内包络峰值与Sf的差值，量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数，所述系统C/I值为系统在没有衰落和外界附加干扰前提下的电平值；

(1-4)将量化的慢起伏包络阶数信息按多址信号m分别分组存放；

所述步骤(2)中的对接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样的具体步骤包括：

(2-1)检测TDMA帧多址时段起始；

(2-2)对应其多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

(2-3)对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值，所述慢起伏包络量化阶数中值为包络量化比特数所能表示的最大值与最小值的均值；

(2-4)对减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号进行采样。

2.根据权利要求1所述的TDMA射频信号采样量化方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的快速变化信号的采样量化是以满足奈奎斯特定理的采样速率要求和以满足快速变化信号的C/I和快衰落动态范围的量化要求为标准。

3.根据权利要求1所述的TDMA射频信号采样量化方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的慢起伏包络的采样量化是以TDMA射频信号的时隙速率为采样间隔，以慢起伏包络的最大动态范围确定量化阶数。

4.根据权利要求1所述的TDMA射频信号采样量化方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述的慢起伏的包络与所述的快速变化的信号划分是以TDMA帧速率为参考，低于TDMA帧速率变化的衰落起伏为慢起伏的包络，否则计入快速变化的信号。

5.根据权利要求1所述的TDMA射频信号采样量化方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述TDMA射频信号包括基带的TDMA帧信号，其本质是未经量化处理的、含有衰落起伏的、具有时隙间隔的TDMA帧信号。

6.一种TDMA射频信号采样量化系统，其特征在于，包括：

量化分层模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号在每个TDMA帧的多址时隙段内进行量化分层；

采样模块，用于对量化分层后接收的大动态变化TDMA射频信号进行采样；

采样信号量化模块，用于将每个采样信号量化成快速变化量化信号Sfn，

传输模块，将正常帧信号段传送快速变化量化信号Sfn，对应帧间时隙传送量化的慢起伏包络阶数Som，所述慢起伏包络阶数为信息的二进制比特数；

还原信息采样模块，用快速变化量化信号在低阶尾数填充慢起伏包络量化阶数尾数位；

所述量化分层模块包括：

第一检测模块，用于对大动态变化的TDMA射频信号检测TDMA帧起始和帧时隙；

第二检测模块，用于在每个TDMA帧的多址时隙段内，检测时段内包络峰值；

慢起伏包络阶数量化模块，取Sf＝快衰落动态范围值+系统C/I值，量化慢起伏包络峰值Slm＝量化时段内包络峰值与Sf的差值，量化慢起伏包络阶数Som＝取Sf的有效位数，所述系统C/I值为系统在没有衰落和外界附加干扰前提下的电平值；

存储模块，用于将量化的慢起伏包络阶数信息按多址信号m分别分组存放；

所述采样模块包括：

多址时段检测模块，用于检测TDMA帧多址时段起始；

量化阶数选择模块，用于对应多址分组取出前一慢起伏包络量化阶数Som；

量化阶数减去模块，对接收到的未处理信号减去慢起伏包络量化阶数中值，所述慢起伏包络量化阶数中值为包络量化比特数所能表示的最大值与最小值的均值；

量化阶数中值采样模块，用于对减去慢起伏包络量化阶数中值的接收信号进行采样。