CN104753559A - 频率校正突发信号搜索方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信领域，公开了一种频率校正突发（FCB）信号搜索方法和装置。本发明中，先对每个块的相位差均值进行平滑处理；接着，根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；最后计算滤波后的信号能量与滤波前信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换，可以使得平滑后的符号间的相位差的精度显著提高，大大提高了终端在高铁、地铁及弱信号等应用场景下的搜网灵敏度，从而提升了终端对FCB信号的搜索成功率。

Description

频率校正突发信号搜索方法和装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域，特别涉及频率校正突发（FCB）信号搜索方法和装置。

背景技术

在移动通信系统应用中，移动终端（MS）开机后必须尽快搜索到一个合适的小区（如从射频连接器端测得的功率最大的小区），然后与这个小区达到时隙和频率上的同步，才能获取本小区的详细信息。终端只有在登录到小区后才能使用网络的服务。通常把从开机搜索到登录到合适小区的过程定义为小区初始搜索(initial cell search)过程，简称小区初搜。同步是小区初搜中的一个关键步骤，指的是从开机到与小区达到时频同步的过程。

GSM系统的基站通过广播信道（Broadcast Channel，简称“BCH”）传输信令信息，它包括三种数据内容：频率矫正突发(Frequency CorrectionBurst,简称“FCB”)，同步突发(Synchronization Burst，简称“SB”)和广播控制信道(Broadcast Control Channel，简称“BCCH”)。小区初搜的目的就是解读这些突发中的信息来驻留小区。由于MS的开机时间是不定的，再加上本地晶振的老化或者温度等原因，MS开机时与BCH的时隙和频率都可能存在偏差，导致读取小区信息错误。只有在定时和调整频偏之后，才能对BCH进行解读。

GSM系统的小区初搜过程中，针对特定频点，定时未知的情况下，首先要进行的就是FCB搜索。FCB就是用于移动终端的频率同步，它相当于一个未调载波，该序列有142固定比特用于频率同步，它的结构十分简单，如图1所示，固定比特全部为0，当使用调制技术后，其结果是一个纯正弦波，应用在前向控制信道（FCCH）上来使移动终端找到并且解调出同一小区内的SB。比如，经过GMSK调制后的FCB信号为67.7KHz的正弦单音信号，且相位具有线性特性，其斜率为MS可以利用这些特性在空口中搜索FCB并计算其频偏。

可以采用带通滤波法来进行FCB搜索，使得67.7KHz的单音信号能够全部通过，其他频率的信号则被滤除先对接收数据进行滤波。如果接收的信号为FCB信号，则其滤波前后能量相当，如果是其他信号，则滤波后信号的能量很小。通过计算较滤波后前的能量比，并与判决门限进行比较以判断是否搜索到FCB信号。如图2所示是现有的一种FCB搜索流程图，FCB搜索模块利用能量窗滑动的方法来检测FCB，如果检测成功，则估计FCB的频偏，如果检测不成功，则继续处理下一块数据。如图3所示是能量窗滑动示意图，接收到的每块数据都被平均分为一个一个的块（block），每个block中包含9个符号（symbols）。后续FCB搜索部分的直流（DC）消除、计算block能量、符号间的相位差值和无线冲激响应IIR滤波都是以block为单位进行的。设置一个滑动能量窗，窗的长度是16个blocks，即144个symblos，近似等于一个突发（burst）的数据所对应的symbols数目。后续FCB搜索部分的计算滤波后前能量比是以能量窗为单位进行的。

带通滤波器的差分方程如下：

y(n)=b₀·x(n)-a₁y(n-1)-a₂y(n-2)   (1)

该滤波器的频响表示如下：

$H\left(f\right)=\frac{b_0}{1+\frac{a_1}{e^{j\·2\·\mathrm{\π}\·\frac{f}{f_{\mathrm{wc}}}}}+\frac{a_2}{{\left(e^{j\·2\·\mathrm{\π}\·\frac{f}{f_{\mathrm{wc}}}}\right)}^2}}---\left(2\right)$

其中，f_wc=270.8333KHz为采样频率,b₀，a₁，a₂为带通滤波器系数，其中b₀为实常数。而a₁，a₂则分别由下式计算得到。

$a_1=A_1{e}^{j2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\Δ}\tilde{f}}{f_{\mathrm{ws}}}}=A_1\left(\cos \widetilde{\mathrm{\θ}+j\sin \stackrel{~}{\mathrm{\θ}}}\right)---\left(3\right)$

$a_2=A_2{\left(e^{j2\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{\Δ}\tilde{f}}{f_{\mathrm{ws}}}}\right)}^2=A_2{(\cos \widetilde{\mathrm{\θ}}+j\sin \widetilde{\mathrm{\θ}})}^2---\left(4\right)$

其中，A₁,A₂为实常数，为block内信号的多普勒频偏均值，为多普勒频偏值等效的符号间的相位差值的均值，该值可由下式计算得到。

$p=x+\mathrm{yi}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s\left(n\right)s^{*}(n-1)}{N}---\left(5\right)$

其中，N为block内数据符号个数，为第n时刻对应的数据符号，符号*代码信号的复共轭。

于是 $\widetilde{\mathrm{\θ}}=\arctan (y/x)---\left(6\right)$

该带通滤波器由接收信号前后符号间的相位差信息计算得到，符号间相位差值的估计精度将直接影响带通滤波器系数的准确性，从而影响到FCB信号搜索的灵敏度。

由于实际的无线信道受到同频、邻频干扰导致block内符号间的相位差值的方差较大。上述的通过求均值的方法计算block内符号间相位差值过于简单，没有充分利用到FCB数据的block间的相位差值间的相关性。实际测试结果表明，上述方法在高铁、地铁及弱信号等应用场景下，FCB信号搜索漏检概率较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种频率校正突发（FCB）信号搜索方法和装置，使得FCB信号的符号间相位差的精度显著提高，从而提升了终端对FCB信号的搜索成功率。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种FCB信号搜索方法，包含以下步骤：

A.接收数据，并进行数据预处理将所述接收数据分块；

B.计算块内信号能量及符号间的相位差均值；

C.对每个块的相位差均值进行平滑处理；

D.根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；

E.计算滤波后的信号能量与所述块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换；

重复所述步骤A至E，直到搜索到FCB信号。

本发明的实施方式还提供了一种FCB信号搜索装置，包含：接收模块、能量及均值计算模块、平滑模块、符号滤波模块、搜索状态切换模块；

所述接收模块用于接收数据，并进行数据预处理将所述接收数据分块；

所述能量及均值计算模块用于计算块内信号能量及符号间的相位差均值；

所述平滑模块用于对每个块的相位差均值进行平滑处理；

所述符号滤波模块用于根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；

所述搜索状态切换模块用于计算滤波后的信号能量与所述块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换。

本发明实施方式相对于现有技术而言，先对每个块的相位差均值进行平滑处理；接着，根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；最后计算滤波后的信号能量与滤波前信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换，可以使得平滑后的符号间的相位差的精度显著提高，大大提高了终端在高铁、地铁及弱信号等应用场景下的搜网灵敏度，从而提升了终端对FCB信号的搜索成功率。

另外，在所述步骤C中，采用低通滤波器对每个块的相位差均值进行平滑处理。采用常见的低通滤波器进行平滑处理，其参数易于求取，不会因增加平滑处理步骤而增加FCB信号搜索的复杂度。

另外，所述低通滤波器为一阶IIR低通滤波器，其实现较为简单，所需计算量较小。

另外，所述一阶IIR低通滤波器的系数α的取值通过以下子步骤获得：

根据FCB信号的频偏、由移动终端或射频模块固有的频偏引起的多普勒频移的最大值和最小值，确定输入所述一阶IIR低通滤波器的初始相位的取值范围；

通过仿真，比较在不同的初始相位及不同滤波器系数下，最终滤波结果与理论值之间误差的方差大小，选取方差最小的滤波器系数为所述α。

综合考虑低通滤波器的收敛速度与滤波精度间，得到一个更优的滤波器系数，从而能够得到更优的平滑滤波效果。

另外，所述一阶IIR低通滤波器的系数的取值在0.25至0.35之间，优选值为0.3。通过使用较优的滤波器系数，可以使最终的滤波结果的误差方差尽可能小，从而使经平滑处理后的相位估计精度将得到显著提高，使得后续计算出的带通滤波器系数更准确。

附图说明

图1是GSM系统的FCB结构示意图；

图2是现有FCB信号搜索方法的流程图；

图3是现有FCB信号搜索方法中的能量窗滑动示意图；

图4是根据本发明第一实施方式的FCB信号搜索方法的流程图；

图5是本发明第二实施方式的FCB信号搜索方法对每个块的相位差均值进行平滑处理前后相位误差对比图；

图6是本发明第二实施方式的FCB信号搜索方法中滤波系数最优值概率分布图；

图7是根据本发明第三实施方式的FCB信号搜索装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及FCB信号搜索方法，如图4所示，具体包含以下步骤：

步骤401，接收数据，并进行数据预处理将接收数据分块。

步骤402，计算块内信号能量及符号间的相位差均值。

上述步骤401与402与现有技术相同，在此不再赘述。

步骤403，对块间相位差均值进行平滑处理。

在本步骤中，对块间相位差均值进行平滑处理，数据平滑处理的一般原则是既要消除数据中的干扰成分，又要保持原有数据的变化特性。数据平滑处理方法有很多，从简单的求取均值、加权平均到拟合多项式平滑，再到小波变换、傅里叶变换，以及各种各样的回归平滑方法，各种数据平滑方法的关键在于参数的选择，使对数据的平滑结果既无较大失真，又不会达不到平滑的效果。因此，在选择数据平滑方法时，可以根据FCB信号的频偏、由移动终端及射频模块固有的频偏等引起的多普勒频移等已知信息，进行参数的仿真，从而使数据平滑方法的各项参数达到最优。由于数据平滑方法很多，在此不一一列举每一种数据平滑方法的参数获取过程。

步骤404，根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波。

在本步骤中，IIR带通滤波器可以采用现有技术中提到的带通滤波器，但求取带通滤波器系数时采用的相位差均值是经步骤403平滑后的相位差均值，求取带通滤波器系数的方法与现有技术一样，在此不再赘述。

步骤405，计算滤波后的信号能量与块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换。

步骤406，判断是否搜索成功，如否，则返回执行步骤401至405；如是，则结束FCB信号搜索。

上述步骤405与步骤406与现有技术相同，在次不再赘述。

与现有技术相比，本实施方式先对每个块的相位差均值进行平滑处理；接着，根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；最后计算滤波后的信号能量与滤波前信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换。由于GSM的频率校正突发FCB为单音信号，相应的其前后两块符号间的相位差，理论上为恒定值，因此，对现网中FCB信号块间相位差均值进行平滑滤波处理，可以大大抑制随机误差，提高符号间相位差估计精度，使得平滑后的符号间的相位差的精度显著提高，大大提高了终端在高铁、地铁及弱信号等应用场景下的搜网灵敏度，从而提升了终端对FCB信号的搜索成功率。

本发明的第二实施方式涉及一种FCB信号搜索方法。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，对块间相位差均值可以采用多种数据平滑方法进行平滑处理。而在本发明第二实施方式中，采用低通滤波器对块间的相位差均值进行平滑处理。低通滤波器一般为有限冲激响应（FIR）滤波器或无线冲激响应（IIR）滤波器，比较常见，其参数易于求取，不会因增加平滑处理步骤而增加FCB信号搜索的复杂度。

以下以一阶IIR低通滤波器具体说明：

FCB信号中间142个符号为单音信号，该组数据如果被分割成若干块（block），则各个block内估计的符号间相位差值均值具有相关性，因此，可以利用低通滤波器进行block间相位差值均值的平滑处理。

平滑滤波器（也就是一阶IIR低通滤波器）的差分方程如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(n\right)=\mathrm{\α}\widetilde{\mathrm{\θ}}\left(n\right)+(1-\mathrm{\α})\widehat{\mathrm{\θ}}(n-1)---\left(7\right)$

其中，为第n个block的相位差值的平滑结果，α为一阶IIR低通滤波器系数。

利用一阶IIR低通滤波器(即α低通滤波器)对每个block输出的相位差值进行平滑，将显著降低相位差值估计值的方差。由图5的仿真结果不难发现，在信噪比为7dB的条件下，平滑滤波器平滑处理前的相位误差（如图5中501所示）的方差为0.0646，经平滑滤波器平滑处理后的相位误差（如图5中502所示）的方差为0.0078，两者相差近一个数量级。所以，经平滑处理后的相位估计精度将得到显著提高，从而将使得后续计算出的带通滤波器系数更准确。此外，由于该IIR低通滤波器为一阶α滤波器，实现较为简单，所需计算量较小。

采用低通滤波器进行数据平滑处理的一个关键是求取滤波器系数，考虑到FCB信号只有142个未经调制的单音符号，这142个数据符号将被划分到16个block中。这时候平滑滤波器处理的将只有16个数据点，此时，将不得不考虑一阶IIR低通滤波器的收敛速度与滤波精度间的矛盾。需要综合考虑两个指标以得到一个最优的滤波器系数，从而能够得到最优的平滑滤波效果。

一阶IIR低通滤波器的系数α的取值通过以下子步骤获得：

先根据FCB信号的频偏、由移动终端或射频模块固有的频偏引起的多普勒频移的最大值和最小值，确定输入一阶IIR低通滤波器的初始相位的取值范围；接着，通过仿真，比较在不同的初始相位及不同滤波器系数下，最终滤波结果与理论值之间误差的方差大小，选取方差最小的滤波器系数为α。

比如说，理论的FCB单音信号的频偏约为67.7083KHz，假设由于终端移动及RF固有的频偏等引起的多普勒频移最大为±34KHz，则输入平滑滤波器的初始相位的取值范围约为：考虑到输入平滑滤波器的初始误差对滤波器收敛速度和滤波精度的影响，因此，可以通过大量的仿真不同的初始误差及不同的滤波器系数，比较最终的滤波结果的误差方差大小，选取方差最小的那组滤波器系数为最优值。如图6所示为滤波系数最优值概率分布图，从图6可以看出，滤波器系数α取0.3时，对应的最小方差的概率最高；且在0.3左右分布的0.25和0.35两个值对应的最小方差的概率也较高，所以，滤波器系数的取值可以设定在0.25至0.35之间，其最优值取0.3较为合理。通过使用较优的滤波器系数，可以使最终的滤波结果的误差方差尽可能小，从而使经平滑处理后的相位估计精度将得到显著提高，使得后续计算出的带通滤波器系数更准确。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种FCB信号搜索装置，如图7所示，包含：接收模块、能量及均值计算模块、平滑模块、符号滤波模块、搜索状态切换模块。

其中，接收模块用于接收数据，并进行数据预处理将接收数据分块；

能量及均值计算模块用于计算块内信号能量及符号间的相位差均值；

平滑模块用于对块间相位差均值进行平滑处理；

符号滤波模块用于根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；

搜索状态切换模块用于计算滤波后的信号能量与块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种FCB信号搜索装置。第四实施方式与第三实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第三实施方式中，平滑模块可以采用多种数据平滑方式对块间相位差均值进行平滑处理。而在本发明第四实施方式中，平滑模块采用低通滤波器对每个块的相位差均值进行平滑处理，比如说，采用一阶IIR低通滤波器进行数据平滑处理。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种频率校正突发FCB信号搜索方法，其特征在于，包含以下步骤：

A.接收数据，并进行数据预处理将所述接收数据分块；

B.计算块内信号能量及符号间的相位差均值；

C.对块间相位差均值进行平滑处理；

D.根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；

E.计算滤波后的信号能量与所述块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换；

重复所述步骤A至E，直到搜索到FCB信号。

2.根据权利要求1所述的FCB信号搜索方法，其特征在于，在所述步骤C中，采用低通滤波器对块间的相位差均值进行平滑处理。

3.根据权利要求2所述的FCB信号搜索方法，其特征在于，所述低通滤波器为一阶IIR低通滤波器。

4.根据权利要求3所述的FCB信号搜索方法，其特征在于，所述一阶IIR低通滤波器的系数α的取值通过以下子步骤获得：

根据FCB信号的频偏、由移动终端或射频模块固有的频偏引起的多普勒频移的最大值和最小值，确定输入所述一阶IIR低通滤波器的初始相位的取值范围；

通过仿真，比较在不同的初始相位及不同滤波器系数下，最终滤波结果的与理论值之间误差的方差大小，选取方差最小的滤波器系数为所述α。

5.根据权利要求3所述的FCB信号搜索方法，其特征在于，所述一阶IIR低通滤波器的系数的取值在0.25至0.35之间。

6.根据权利要求5所述的FCB信号搜索方法，其特征在于，所述一阶IIR低通滤波器的系数的取值为0.3。

7.一种FCB信号搜索装置，其特征在于，包含：接收模块、能量及均值计算模块、平滑模块、符号滤波模块、搜索状态切换模块；

所述接收模块用于接收数据，并进行数据预处理将所述接收数据分块；

所述能量及均值计算模块用于计算块内信号能量及符号间的相位差均值；

所述平滑模块用于对块间相位差均值进行平滑处理；

所述符号滤波模块用于根据平滑后的相位差均值生成无限冲激响应IIR带通滤波器，并对块内的符号进行滤波；

所述搜索状态切换模块用于计算滤波后的信号能量与所述块内信号能量的比值，并根据该比值进行搜索状态切换。

8.根据权利要求7所述的FCB信号搜索装置，其特征在于，所述平滑模块采用低通滤波器对每个块的相位差均值进行平滑处理。

9.根据权利要求8所述的FCB信号搜索装置，其特征在于，所述低通滤波器为一阶IIR低通滤波器。