CN106713205A - 一种基于循环卷积的lte下行主同步信号检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法及装置。所述检测方法包括步骤：S1.对接收的LTE下行基带信号进行直接抽取，获得降采样后的数据，取共轭后进行FFT变换，获得其频域数据；S2.步骤S1得到的频域数据分别与本地频域PSS序列进行复乘；S3.对步骤S2中复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS进行循环卷积的结果集合，并选归一化的最大值作为最终输出结果；S4.对步骤S3中归一化的最大值采用判决门限估计PSS序列的编号和半帧定时时刻。本发明具有极强的抗频偏和抗干扰的能力，能够实现快速、准确的PSS序列检测，提升了LTE下行同步的性能。

Description

一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法及装置
技术领域
本发明属于无线通信测试和电子测量仪器领域，具体涉及一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法及装置。
背景技术
LTE(长期演进技术，Long Term Evolution的简称)具有带宽可以灵活配置、低时延、高数据率、大容量和等特性，是主流向4G技术演进的标准。在LTE系统中，当用户设备在一个小区系统覆盖范围内开机时，为了接入到网络中，首先必须要对该用户设备附近基站所发送的下行链路中主同步信号(简称PSS)和辅同步信号(SSS)进行检测，这就是小区搜索过程。小区搜索完成之后就可以获得定时同步和载波频率偏移以及所在小区的ID。
主同步信号检测作为小区搜索的第一步，且是在没有任何先验信息的情况下进行的第一个同步过程，对整个下行同步性能有着至关重要的影响。PSS由三种长度为63的Zadoff-Chu(ZC)序列构成，在进行IFFT变换到时域后的序列，以及时域下采样后的序列仍保持这种良好的自相关特性。常用的实现方法包括频域相关和时域相关两大类；无论频域相关和时域相关，都是利用主同步信号的良好自相关特性进行非相干相关检测，即盲检测。下行信道中，大频偏和高干极大的破坏主同步信号自相关性，严重影响主同步信号检测的性能。现有技术通过预频偏处理以及分段相关来降低频偏的影响，通过多次主同步信号相关累加来降低干扰的影响；但是他们增加主同步信号检测的复杂度以及检测时延。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，该检测方法具有极强的PSS序列检测的抗频偏和抗干扰的能力，在信道环境未知的情况下，能够实现快速、准确PSS序列检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，包括：
S1：对接收的LTE下行基带信号进行直接抽取，获得降采样后的数据，取共轭后进行FFT变换，获得其频域数据；
S2：步骤S1得到的频域数据分别与本地频域PSS序列进行复乘；
S3：对步骤S2中复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS进行循环卷积的结果集合，并选归一化的最大值作为最终输出结果；
S4：对步骤S3中归一化的最大值采用判决门限估计PSS序列的编号和半帧定时时刻。
优选地，所述步骤S1具体为：
接收的LTE下行基带信号为x(m)＝I(m)+jQ(m)，其中，m为递增的正整数；
对上述LTE下行基带信号进行直接时域抽取；
PSS频域包括72个子载波，其中的62个为有效子载波，其余10个为保护子载波，每个PSS的频带为1.08MHz，而基带信号采样频率为30.72MHz；
设定直接抽取倍数为M，则抽取后的数据为xM(n)＝I(Mn)+jQ(Mn)；
FFT运算的数据为xMN(n)＝{xM(n),xM(n+1),…,xM(n+N-1)}；
其中，N为一个符号OFDM长度的M分之一，即2048/M，将xMN(n)的I路与Q路互换作为FFT的输入；
经过N点FFT变换后得到频域数据XMN(n,k)，其中，k＝0,1,…N-1。
优选地，直接抽取倍数M选用1、2、4、8、16或32。
优选地，频域数据XMN(n,k)的计算过程如下：
XMN(n,k)＝fft(xMN(n))N,k＝0,1,…N-1。
优选地，所述步骤S2具体为：
将步骤S1中频域数据XMm(k)与本地三组62个PSS非零频域数据对应复乘，无对应的直接赋值为零，复乘后的输出结果为
其中，u为本地PSS序列组号为1,2,3，分别对应PSS序列编号0,1,2。
优选地，u为2，3组的62个PSS非零频域数据是共轭的，两组频域数据的复乘共用乘法器。
优选地，所述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合
计算归一化的最大值SMu(n)。
优选地，归一化的最大值SMu(n)计算过程如下：
(1)计算循环卷积的结果集合所有数据的幅度平方值，为
(2)计算步骤(1)中幅度平方值的和，为
(3)搜索步骤(1)中幅度平方值的最大值，为
(4)利用步骤(2)中平方和对步骤(3)中最大值进行归一化，并输出归一化的最大值，为SMu(n)＝Mu(n)/Su(n)。
优选地，所述步骤S4具体为：
对归一化的最大值为SMu(n)进行门限判决，满足判决门限的PSS组号是估计的对应PSS序列编号u-1，满足判决门限的时刻是估计的半帧定时时刻n，完成PSS信号检测。
此外，本发明还提出了一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测装置，其采用如下技术方案：
一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测装置，包括：
直接抽取模块，用于直接抽取接收到的LTE基带信号，并对抽取的数据取共轭；
FFT模块，用于对取共轭后的数据进行FFT变换，获得其频域数据；
本地PSS模块，用于提供本地频域PSS序列；
复乘模块，用于将得到的频域数据分别与本地频域PSS序列复乘；
IFFT模块，用于将复乘的结果进行IFFT运算，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合；
归一化模块，用于将IFFT模块的循环卷积的结果集合进行归一化操作；
门限判决模块，用于对归一化模块的归一化的最大值进行门限判决，输出PSS序列组号和半帧定时时刻。
本发明具有如下优点：
本发明采用循环卷积的方法充分利用PSS序列自相关性，通过归一化最大值的方法增强本地PSS与接收的PSS信号自相关性以及削弱与非PSS信号相关性，增强PSS序列检测的抗频偏和抗干扰的能力，满足LTE信号空中检测系统和矢量信号分析仪器的需求。
此外，本发明通过软件无线电技术进行全数字实现，便于集成和移植，可广泛应用于矢量信号分析仪器和LTE信号空中检测系统中。
附图说明
图1为本发明中PSS序列基于循环卷积的幅度平方值示意图；
图2为本发明中基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法的流程示意图；
图3为本发明中基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测装置的实现框图；
图4为本发明中TDD-LTE下行空中信号的归一化最大值示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想为：利用主同步信号良好的自相关性，如图1所示，通过对循环卷积结果进行归一化最大值的方法增强本地PSS与接收的PSS信号自相关性以及削弱与非PSS信号相关性，从而增强PSS序列检测的抗频偏和抗干扰的能力。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图2所示，一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，包括：
S1：对接收的LTE下行基带信号进行直接抽取，获得降采样后的数据，取共轭后进行FFT变换，获得其频域数据；
S2：步骤S1得到的频域数据分别与本地频域PSS序列进行复乘；
S3：对步骤S2中复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS进行循环卷积的结果集合，并选归一化的最大值作为最终输出结果；
S4：对步骤S3中归一化的最大值采用判决门限估计PSS序列的编号和半帧定时时刻。
其中，上述步骤S1具体为：
接收的LTE下行基带信号为x(m)＝I(m)+jQ(m)，其中，m为递增的正整数，例如可以是时钟30.72MHz的10ms计数器的输出。
对上述LTE下行基带信号进行直接时域抽取；采用直接时域抽取利于降低运算量，要求对PSS信号不带来频率混叠，同时不破坏子载波的完整性。
PSS频域包括72个子载波，其中的62个为有效子载波，其余10个为保护子载波，每个PSS的频带为1.08MHz，而基带信号采样频率为30.72MHz。
设定直接抽取倍数为M，该直接抽取倍数M可以选用1、2、4、8、16或32，优选32，则抽取后的数据为xM(n)＝I(Mn)+jQ(Mn)。
FFT运算的数据为xMN(n)＝{xM(n),xM(n+1),…,xM(n+N-1)}；
其中，N为一个符号OFDM长度的M分之一，即2048/M，将xMN(n)的I路与Q路互换作为FFT的输入；
经过N点FFT变换后得到频域数据XMN(n,k)，其中，k＝0,1,…N-1。
频域数据XMN(n,k)的计算过程如下：
XMN(n,k)＝fft(xMN(n))N,k＝0,1,…N-1
其中，上述步骤S2具体为：
将步骤S1中频域数据XMm(k)与本地三组62个PSS非零频域数据对应复乘，无对应的直接赋值为零，复乘后的输出结果为其中，u为本地PSS序列组号为1,2,3，分别对应PSS序列编号0,1,2。
由于u为2，3组的62个PSS非零频域数据是共轭的，两组频域数据的复乘共用乘法器。
其中，上述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合
计算归一化的最大值SMu(n)。
归一化的最大值SMu(n)计算过程具体如下：
(1)计算循环卷积的结果集合所有数据的幅度平方值，为
(2)计算步骤(1)中幅度平方值的和，为
(3)搜索步骤(1)中幅度平方值的最大值，为
(4)利用步骤(2)中平方和对步骤(3)中最大值进行归一化，并输出归一化的最大值，为SMu(n)＝Mu(n)/Su(n)。
图4给出了TDD-LTE下行空中信号的归一化最大值曲线图。
其中，上述步骤S4具体为：
对归一化的最大值为SMu(n)进行门限判决，满足判决门限的PSS组号是估计的对应PSS序列编号u-1，满足判决门限的时刻是估计的半帧定时时刻n，完成PSS信号检测。
本发明中的检测方法是在FPGA上实现的，可用于便携式矢量信号分析仪或LTE信号空中检测系统中，同时可移植到现有的矢量信号分析仪或LTE信号空中检测系统中，在不增加硬件成本和硬件架构的条件下，提高LET下行同步性能。
如图3所示，本发明还对应上述检测方法给出了相应的检测装置，该装置包括：
直接抽取模块，用于直接抽取接收到的LTE基带信号，并对抽取的数据取共轭；
FFT模块，用于对取共轭后的数据进行FFT变换，获得其频域数据；
本地PSS模块，用于提供本地频域PSS序列；
复乘模块，用于将得到的频域数据分别与本地频域PSS序列复乘；
IFFT模块，用于将复乘的结果进行IFFT运算，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合；
归一化模块，用于将IFFT模块的循环卷积的结果集合进行归一化操作；
门限判决模块，用于对归一化模块的归一化的最大值进行门限判决，输出PSS序列组号和半帧定时时刻。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (10)

1.一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：对接收的LTE下行基带信号进行直接抽取，获得降采样后的数据，取共轭后进行FFT变换，获得其频域数据；
S2：步骤S1得到的频域数据分别与本地频域PSS序列进行复乘；
S3：对步骤S2中复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS进行循环卷积的结果集合，并选归一化的最大值作为最终输出结果；
S4：对步骤S3中归一化的最大值采用判决门限估计PSS序列的编号和半帧定时时刻。
2.根据权利要求1所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
接收的LTE下行基带信号为x(m)＝I(m)+jQ(m)，其中，m为递增的正整数；
对上述LTE下行基带信号进行直接时域抽取；
PSS频域包括72个子载波，其中的62个为有效子载波，其余10个为保护子载波，每个PSS的频带为1.08MHz，而基带信号采样频率为30.72MHz；
设定直接抽取倍数为M，则抽取后的数据为xM(n)＝I(Mn)+jQ(Mn)；
其中，n为递增的正整数；
FFT运算的数据为xMN(n)＝{xM(n),xM(n+1),…,xM(n+N-1)}；
其中，N为一个符号OFDM长度的M分之一，即2048/M；FFT前的数据需要进行共轭运算，将xMN(n)的I路与Q路互换作为FFT的输入；
经过N点FFT变换后得到频域数据XMN(n,k)，其中，k＝0,1,…N-1。
3.根据权利要求2所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，直接抽取倍数M选用1、2、4、8、16或32。
4.根据权利要求2所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，频域数据XMN(n,k)的计算过程如下：XMN(n,k)＝fft(xMN(n))N,k＝0,1,…N-1。
5.根据权利要求2所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
将步骤S1中N个频域数据XMN(n,k)与本地三组62个PSS非零频域数据对应复乘，无对应的直接赋值为零，复乘后的输出结果为k＝0,1,…N-1；
其中，u为本地PSS序列组号为1,2,3，分别对应PSS序列编号0,1,2。
6.根据权利要求5所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，u为2、3组的62个PSS非零频域数据是共轭的，两组频域数据的复乘共用乘法器。
7.根据权利要求5所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
将步骤S2得到的N点的复乘结果进行IFFT变换，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合v＝0,1,…N-1；
计算归一化的最大值SMu(n)。
8.根据权利要求7所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，归一化的最大值SMu(n)计算过程如下：
(1)计算循环卷积的结果集合所有数据的幅度平方值，为
(2)计算步骤(1)中幅度平方值的和，为
(3)搜索步骤(1)中幅度平方值的最大值，为
(4)利用步骤(2)中平方和对步骤(3)中最大值进行归一化，并输出归一化的最大值，为SMu(n)＝Mu(n)/Su(n)。
9.根据权利要求7所述的一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
对归一化的最大值为SMu(n)进行门限判决，满足判决门限的PSS组号是估计的对应PSS序列编号u-1，满足判决门限的时刻是估计的半帧定时时刻n，完成PSS信号检测。
10.一种基于循环卷积的LTE下行主同步信号检测装置，其特征在于，所述装置包括：
直接抽取模块，用于直接抽取接收到的LTE基带信号，并对抽取的数据取共轭；
FFT模块，用于对取共轭后的数据进行FFT变换，获得其频域数据；
本地PSS模块，用于提供本地频域PSS序列；
复乘模块，用于将得到的频域数据分别与本地频域PSS序列复乘；
IFFT模块，用于将复乘的结果进行IFFT运算，获得当前采样后的下行信号与本地时域PSS序列进行循环卷积的结果集合；
归一化模块，用于将IFFT模块的循环卷积的结果集合进行归一化操作；
门限判决模块，用于对归一化模块的归一化的最大值进行门限判决，输出PSS序列组号和半帧定时时刻。
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