CN105163340A - 一种适用于tdd-lte系统外干扰的分析方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于TDD-LTE系统外干扰的分析方法，所述方法的步骤包括：接收来自中频AD采样后的TDD-LTE下行信号，经过数字下变频到基带，利用本地同步序列和基带信号做三级相关运算，得到TDD-LTE帧头的位置，从而能够得到各个子帧和特殊时隙的起始和终止时刻。对上行子帧或者GP时隙的时域信号加窗处理后，做FFT快速傅里叶变换得到频域信号，对频域信号计算功率谱。GP时隙的功率谱中的出现的异常信号即系统外干扰，而上行子帧的功率谱中出现的是上行信号和系统外干扰。

Description

一种适用于TDD-LTE系统外干扰的分析方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及TDD-LTE系统排查系统外的干扰，既可以应用于专用的TDD-LTE测试仪器、频谱仪，也可以应用于LTE基站等通讯设备。

背景技术

传统TDD-LTE系统外干扰的分析方法采用通用频谱仪，利用扫频的原理分析空中信号的频谱。但是这种方法无法将系统内信号与系统外干扰分离，往往系统内信号的功率大于系统外干扰，干扰信号隐藏在系统内信号的频谱以下，无法分辨，更无从知道干扰信号的频点、带宽、功率等信息。

现代频谱仪集成了TDD-LTE解调的功能，可以利用对TDD-LTE的解调，分离系统内信号和干扰信号。这种方法依赖于对信号的解调质量非常良好，才能分析出干扰信号的频点，但是现场环境非常复杂，想要得到良好的解调结果基本不可行，所以限制了这种查找系统外干扰的方法的应用。

为了快速准确的定位干扰信号的频点，需要将干扰和有用信号彻底分离，本文提供了一种能够分离系统内信号和系统外干扰的方法，从而快速的定位干扰信号。

发明内容

本发明目的是解决现有通用频谱仪无法分离TDD-LTE上下行信号的问题，并且可以通过分离的上行频谱高效的查找系统外的干扰信号。

本发明提供的适用于TDD-LTE系统外干扰的分析方法，包含以下步骤：

第1、TDD-LTE射频信号经过下变频后变换至中频，利用高速AD对信号进行中频采样，采样速率为中频带宽的2倍以上，并且为LTE20M带宽的信号采样率30.72M的整数倍；

第2、通过数字NCO将采集的中频信号搬移至基带，亦即将中频信号混频到零频。

第3、为了降低对后续计算能力的要求，将原有符号率Fsh变为低速符号率Fsl，Fsl为1.92M，或者1.92M的整数倍，Fsh/Fsl为整数；

第4、利用本地PSS时域序列与低速符号率的信号做互相关运算，得到低速符号率信号的PSS同步位置，并将此位置折算成原有符号率信号的PSS位置，即PSS粗同步位置。其中，PSS频域图样共有三种，分别对应了TDD-LTE的三个SectorID；由于初始同步的时候并不知道SectorID是多少，所以三种图样都要做相关，最大相关值出现在那个图样中，SectorID即为相应图样对应的ID；每一种图样的PSS为62个载波的频域数据，需要进行插值得到128个载波，插值方法为对62个载波以外的载波位置填0；对128个载波做逆傅里叶变换，得到128点的时域信号；利用128点的时域信号和符号率变换后的信号做互相关运算，窗口滑动长度为半帧以上，相关结果的峰值位置代表了接收到的信号中PSS符号的起始时刻，但是这只是PSS粗同步的位置。

得到本地3种PSS频域图样的方法为：

$d_u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}un(n+1)}{63}}& n=0,1,\mathrm{...},30\\ e^{-j\frac{\mathrm{\π}u(n+1)(n+2)}{63}}& n=31,32,\mathrm{...},61\end{array}\right.$

其中SectorID即是NID，公式中参数u与NID的对应关系为：

第5、为了进一步精确定时，需要在原有采样率信号的粗同步位置上，向前后各滑动N个采样点，N取Fsh/Fsl，每滑动一个点计算一次FFT，并且和PSS频域序列做一次相关，得到一个相关值，窗口滑动完成以后，最大相关值的窗口起始位置即精确同步的PSS符号位置；

得到PSS精确同步的方法如下：PSS精确同步需要对符号率变换前的数据进行处理，在粗同步的位置左右各取N个点，作为待测位置，N为Fsh/Fsl，基于每一个起始位置向后取得一个符号长度的数据，并对数据做FFT，取出中间的62个载波，与本地已经确定图样的PSS频域序列做相关，得到一个相关值；得到N个相关值后，最大相关结果出现的位置即为精确同步的位置。

第6、基于PSS精确同步的位置找到SSS辅同步序列所在的符号，并利用此符号和本地SSS序列相关能够确定当前半帧是前半帧还是后半帧，从而得到帧同步的位置；得到了PSS精确同步的位置，进一步可以得到帧同步。依据PSS精确同步的位置向前偏移3个符号的长度，从此基准时刻向后取出一个符号长度的数据，即SSS符号，对这个符号进行FFT运算，取出中间的62个载波，将这62个载波与TDD-LTE协议中规定的336种SSS序列做相关，相关峰值出现在0-167，说明当前半帧为前半帧；相关峰值出现在168-335中，说明当前为后半帧，即确定了帧同步的位置。

第7、基于帧同步的位置得到GP时隙或者上行子帧的时域数据，对此时域数据行加窗处理和FFT运算，对处理后的数据取模和检波处理，并以对数的形式表示功率谱；对信号进行加窗处理，加窗方法如下：以帧头的位置为起始，取出GP符号或者上行子帧，GP在子帧1中，上行子帧在子帧2中；GP时隙或者上行子帧的数据与窗函数进行逐点相乘，以减少频谱泄露的影响，窗函数采用高斯窗或布莱克曼窗。

信号进行检波的方法如下：对GP符号或者上行子帧做分析需要取出相应时隙位置的信号，无论TDD-LTE采取何种配置，子帧2固定为上行子帧，对上行子帧内的14个符号分别做FFT，得到14组频域数据，对14组频域数据行正峰值、负峰值和均值检波操作；GP位置特殊子帧，子帧号为1，依据特殊子帧的不同配置，取得属于GP的符号；同样，对GP的多个符号分别做FFT处理，进行正峰值、负峰值和均值检波操作。

第8、基于得到的频谱能够分析系统外干扰的特征，并且利用定向天线查找干扰的方向以及具体位置。当没有外界干扰的时候，GP时隙既不发送上行信号，也不发送下行信号，所以出现在GP时隙的信号均为系统外干扰，这种方法直观有效；也可以利用子帧2中的上行子帧进行分析，上行子帧持续时间长，不用担心上下行延时挤占的问题；虽然引入了上行信号，但是上行信号以180kHz为最小宽度分配资源，能够通过频谱包络轻松的分辨上行信号和系统外干扰。

利用定向天线观察干扰的信号的强度和包络，通过改变天线的角度和方向，观察干扰信号强度的变化，从而确定干扰的大致方向；通过在多个位置定位干扰源的方向，能够基本确定干扰源的位置。

本发明的优点和有益效果：

本发明方法可以清晰分离TDD-LTE上下行信号，在不关闭基站的情况下，对上行干扰进行排查，可以高效的查找干扰源。

附图说明：

图1为系统框图。

图2为FPGA和DSP的实现框图。

图3为SSS相关的结果。

图4为干扰排查的环境搭建。

图5为干扰排查实测图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，详细描述本发明的技术方案。

本发明所有方案均在FPGA和DSP内实现。

第1、TDD-LTE射频信号经过模拟混频滤波以后，中频信号为138.24M，利用时钟为61.44M的AD对中频信号进行带通采样，AD的带通采样本身也是一种混频操作，采样后的信号位于15.36M。

第2、利用FPGA采集AD的输出结果，FPGA内部的DDC模块完成以下功能：

如图2所示，1/4FS模块完成混频的操作，由于15.36M的中频信号正好是61.44M的四分之一，可以采用简化算法将15.36M的中频信号混频到零频。方法如下：

频率为fs/4的本振可以表示为:

$cos\left(2{\mathrm{\πf}}_{c}t\right)=cos(2\mathrm{\π}\·\frac{fs}{4}\·nT)=cos\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}n\right),$

$sin\left(2{\mathrm{\πf}}_{c}t\right)=sin(2\mathrm{\π}\·\frac{fs}{4}\·nT)=sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}n\right)$

对于实信号的Fs/4移频过程，可以得到输出结果：

n＝4k：I_out＝x(n)Q_out＝0

n＝4k+1：I_out＝0Q_out＝-x(n)

n＝4k+2：I_out＝-x(n)Q_out＝0

n＝4k+3：I_out＝0Q_out＝x(n)

所以简单的取反和置0，即可将信号混频到零频。

混频后的信号经过5级半带滤波器，每一级的输出采样率降为输入的一半，如图2所示。HB0的输出用于后续的频谱分析，HB4的输出用于PSS的粗同步运算。

HB4的输出符号率已经降为了1.92M，送入FPGA的PSS_SYNC模块中，3组本地PSS时域序列采用128点。3组序列分别于HB4的输出做滑动相关，滑动长度为半帧以上。依据最大值出现的组号得到SectorID，依据最大值出现的位置得到低符号率的粗同步位置PSS_index_ls。FPGA将PSS_index_ls、SectorID和HB0的输出传输给DSP，如图2所示。

在DSP中PSS_SYNC2模块中进一步计算细同步的位置。HB0的输出为30.72M采样率，粗同步位置为16*PSS_index_ls，需要在这个位置前后各滑动8个位置，来确定哪一个位置才是准确的PSS符号的起始时刻。滑动一个Ts，基于这个位置向后取出一个符号长度的信号，对其做FFT，取FFT输出的中间的62个载波，和本地PSS的频域序列做相关运算。由于滑动了N个位置,得到了N个相关结果，最大的相关值对应的滑动窗口的起始时刻，即为原有采样率的精确定时位置PSS_index。

将PSS_index和SectorID送入下一级模块SSS_SYNC。基于PSS_index得到辅同步的位置SSS_index：

SSS_index＝PSS_index-symbol_len*3

其中，symbol_len为LTE符号的长度。

对SSS所在符号做FFT运算，并取出中间的62的载波，与本地336中辅同步序列分别做相关，相关结果的最大值出现在0-167中，当前半帧为前半帧；相关结果最大值出现在168-335中，当前半帧为后半帧。如图3所示，峰值出现在了169的位置，说明当前半帧处于后半帧，即下一个半帧的起始位置即为帧头的位置。

通过SSS符号的位置可以计算TDD-LTE帧的起始位置，公式为：

Frame_index＝SSS_index+symbol_len-subframe_len

Subframe_len为TDD-LTE子帧的长度。基于帧的起始位置Frame_index，可以分析GP时隙或者上行子帧的信号。GP时隙位于特殊子帧，子帧号为1，上行子帧的子帧号为2，每个子帧的持续时间为1ms，基于帧的起始位置Frame_index，可以计算相应时隙的起止时刻。对相应时隙的信号送入WINDOW模块，进行加窗处理，以抑制频谱泄露。窗函数可以采用高斯窗，

窗函数的公式为：

$w\left(n\right)=a^{-0.5{\left(a\frac{n}{N/2}\right)}^2}$

其中a为高斯窗的参数，影响窗的宽度，N为窗函数的点数，n为-(N-1)/2～(N-1)/2，w(n)为生成的窗函数。窗的点数和所分析的信号的点数一致，加窗的方法为时域信号与窗函数逐个相乘。

加窗处理后的信号，送入FFT模块，将时域信号转换为频域，对FFT的输出结果送入下一级模块，取模并以对数的形式表示功率谱。

得到了特定时隙的频谱后，可以对系统外的干扰做具体的分析。GP时隙既不发送上行信号，也不发送下行信号，所以出现在GP时隙的信号均为系统外干扰，这种方法直观有效。但是由于上下行之间的延迟，GP可能会被上下行信号挤占掉，所以GP分析的方法不再合适。此时，可以利用子帧2中的上行子帧进行分析，上行子帧持续时间长，不用担心上下行延时挤占的问题。虽然引入了上行信号，但是上行信号的以180kHz为最小宽度分配资源，可以通过频谱轻松的分辨上行信号和系统外干扰。

通过搭建干扰源测试环境说明此种干扰分析方法：如图4所示，在具备TDD-LTE室分系统的环境中，通过信号源发送一个2334.8M的连续波信号，模拟干扰源，室内TDD-LTE系统为2330M，通过使用上述方法的仪器进行测试，仪器测试的中心频点设置为2330M。如图5所示，仪器锁定到室分系统的小区ID84以后，选择GP模式进行测试，由于已经过滤了TDD-LTE系统的上下行信号，图中的峰值信号即为模拟的干扰源，频率为4.8M，为中心频点和干扰连续波的差值，即实际发送的模拟干扰信号。从图中可以轻松的分辨干扰的频点、功率、带宽等信息。

Claims (9)

1.一种适用于TDD-LTE系统外干扰的分析方法，所述方法包括如下步骤：

第一、TDD-LTE射频信号经过下变频后变换至中频，利用高速AD对信号进行中频采样，采样速率为中频带宽的2倍以上，并且为LTE20M带宽的信号采样率30.72M的整数倍；

第二、过数字NCO将采集的中频信号搬移至基带，亦即将中频信号混频到零频；

第三、为了降低对后续计算能力的要求，将原有符号率Fsh变为低速符号率Fsl，Fsl为1.92M，或者1.92M的整数倍，Fsh/Fsl为整数；

第四、利用本地PSS时域序列与低速符号率的信号做互相关运算，得到低速符号率信号的PSS同步位置，并将此位置折算成原有符号率信号的PSS位置，即PSS粗同步位置；

第五、为了进一步精确定时，需要在原有采样率信号的粗同步位置上，向前后各滑动N个采样点，N取Fsh/Fsl，每滑动一个点计算一次FFT，并且和PSS频域序列做一次相关，得到一个相关值，窗口滑动完成以后，最大相关值的窗口起始位置即精确同步的PSS符号位置；

第六、基于PSS精确同步的位置找到SSS辅同步序列所在的符号，并利用此符号和本地SSS序列相关能够确定当前半帧是前半帧还是后半帧，从而得到帧同步的位置；

第七、基于帧同步的位置得到GP时隙或者上行子帧的时域数据，对此时域数据行加窗处理和FFT运算，对处理后的数据取模和检波处理，并以对数的形式表示功率谱；

第八、基于得到的频谱能够分析系统外干扰的特征，并且利用定向天线查找干扰的方向以及具体位置。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于第四步中得到PSS符号粗同步位置的方法如下：PSS频域图样共有三种，分别对应了TDD-LTE的三个SectorID；由于初始同步的时候并不知道SectorID是多少，所以三种图样都要做相关，最大相关值出现在那个图样中，SectorID即为相应图样对应的ID；每一种图样的PSS为62个载波的频域数据，需要进行插值得到128个载波，插值方法为对62个载波以外的载波位置填0；对128个载波做逆傅里叶变换，得到128点的时域信号；利用128点的时域信号和符号率变换后的信号做互相关运算，窗口滑动长度为半帧以上，相关结果的峰值位置代表了接收到的信号中PSS符号的起始时刻，但是这只是PSS粗同步的位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于得到本地3种PSS频域图样的方法为：

$d_u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-j\frac{\mathrm{\π}un(n+1)}{63}}& n=0,1,\mathrm{...},30\\ e^{-j\frac{\mathrm{\π}u(n+1)(n+2)}{63}}& n=31,32,\mathrm{...},61\end{array}\right.$

其中SectorID即是NID，公式中参数u与NID的对应关系为：

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于第五步中得到PSS精确同步的方法如下：PSS精确同步需要对符号率变换前的数据进行处理，在粗同步的位置左右各取N个点，作为待测位置，N为Fsh/Fsl，基于每一个起始位置向后取得一个符号长度的数据，并对数据做FFT，取出中间的62个载波，与本地已经确定图样的PSS频域序列做相关，得到一个相关值；得到N个相关值后，最大相关结果出现的位置即为精确同步的位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于第六步中得到帧同步的方法如下：依据PSS精确同步的位置向前偏移3个符号的长度，从此基准时刻向后取出一个符号长度的数据，即SSS符号，对这个符号进行FFT运算，取出中间的62个载波，将这62个载波与TDD-LTE协议中规定的336种SSS序列做相关，相关峰值出现在0-167，说明当前半帧为前半帧；相关峰值出现在168-335中，说明当前为后半帧，即确定了帧同步的位置。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于第七步中对信号进行加窗处理，加窗方法如下：以帧头的位置为起始，取出GP符号或者上行子帧，GP在子帧1中，上行子帧在子帧2中；GP时隙或者上行子帧的数据与窗函数进行逐点相乘，以减少频谱泄露的影响，窗函数采用高斯窗或布莱克曼窗。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于第七步中对信号进行检波的方法如下：对GP符号或者上行子帧做分析需要取出相应时隙位置的信号，无论TDD-LTE采取何种配置，子帧2固定为上行子帧，对上行子帧内的14个符号分别做FFT，得到14组频域数据，对14组频域数据行正峰值、负峰值和均值检波操作；GP位置特殊子帧，子帧号为1，依据特殊子帧的不同配置，取得属于GP的符号；同样，对GP的多个符号分别做FFT处理，进行正峰值、负峰值和均值检波操作。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于第八步所述查找干扰的方向以及具体位置：当没有外界干扰的时候，GP时隙既不发送上行信号，也不发送下行信号，所以出现在GP时隙的信号均为系统外干扰，这种方法直观有效；也可以利用子帧2中的上行子帧进行分析，上行子帧持续时间长，不用担心上下行延时挤占的问题；虽然引入了上行信号，但是上行信号以180kHz为最小宽度分配资源，能够通过频谱包络轻松的分辨上行信号和系统外干扰。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于第八步所述查找干扰的方向以及具体位置中：利用定向天线观察干扰的信号的强度和包络，通过改变天线的角度和方向，观察干扰信号强度的变化，从而确定干扰的大致方向；通过在多个位置定位干扰源的方向，能够基本确定干扰源的位置。