CN111049772A - 应用于矢量信号分析仪平台的实现5g信号同步处理的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，包括数据缓存模块，与数据源相连接，用于在同步处理前对数据进行缓存；变频模块，与所述的数据缓存模块相连接；滤波及降采样模块，与所述的变频模块相连接；滑动相关模块，与所述的滤波及降采样模块相连接。本发明还涉及一种实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法。采用了本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法，将信号采样率降到7.68Mbps，再做滑动相关。5G信号同步采用软硬件相结合来实现，大大提高了5G信号同步的处理速度，以及矢量信号分析仪平台的分析速度，减少了资源占用率。

Description

应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及 其方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及信号处理领域，具体是指一种应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法。

背景技术

数字通信的发展对测试提出了更高更新的要求，测量仪器—矢量信号分析仪以其能够全面地对各种调制模式的信号作精准的测量和分析的强大功能，在发射机和接收机测试中起着至关重要的作用。

第五代移动通信技术，简称5G，是最新一代蜂窝移动通信技术。目前3GPP协议已经有比较完善的5G通信协议。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。其中高数据速率和减少延迟就要求更快的5G信号同步处理技术。

矢量信号分析仪中5G模块也将必不可少。对于信号分析仪，信号同步是信号分析的前提条件。同步的理论依据是主同步信号PSS具有良好的互相关性，实现方法是本地同步序列与接收信号进行滑动相关。在5G帧结构中，主同步信号PSS、辅同步信号SSS、广播信道PBCH以及PBCH的参考信号组成SS/PBCH块，一个无线帧中有多个SS/PBCH块，不同的SS/PBCH块包含的主辅同步信号相同。PSS是用来做粗同步、SSS是用来做精同步，PBCH是用来确定帧头位置。粗同步在软件实现耗时，将其放在FPGA中实现。FPGA在开始进行粗同步的时候，同时往DDR4中存储数字基带IQ数据，用来上传给上位机进行后续分析。SSS本地序列就有336组，考虑到FPGA资源的占用率，将SSS精同步放在上位机实现。对于5G信号，不同采样率下OFDM符号长度可配的点数有256、512、1024、2048和4096。如果不做降采样，滑动相关的窗长就需要按照配置而改变，最大窗长4096，窗长越长，滑动相关运算的点数越多，同步处理速度就越慢；如果不做降采样，在滑动相关模块需要更多的滤波器，乘法器，加法器和寄存器来实现上述5种OFDM符号点数的滑动相关，因此提出将信号采样率降到7.68Mbps，再做滑动相关。5G信号同步采用软硬件相结合来实现，大大提高了5G信号同步的处理速度，减少了资源占用率。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足处理速度快、资源占用率少、适用范围较为广泛的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法。

为了实现上述目的，本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法如下：

该应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

数据缓存模块，与数据源相连接，用于在同步处理前对数据进行缓存；

变频模块，与所述的数据缓存模块相连接，用于将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

滤波及降采样模块，与所述的变频模块相连接，用于提取同步信号并降低信号的采样率；

滑动相关模块，与所述的滤波及降采样模块相连接，用于计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值，得到模值大于阈值情况下的时刻和本地PSS序列序号。

较佳地，所述的变频模块包括：

变频信号生成单元，与所述的数据缓存模块相连接，用于生成变频信号；

运算单元组，包括乘法运算子单元和加减法运算子单元，用于计算同步信号与零频之间的频率差值，并确定上变频或下变频。

较佳地，所述的滤波及降采样模块包括：

带宽选择单元，与所述的变频模块相连接，用于根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

滤波器组，包括多个滤波器，与所述的带宽选择单元相连接，所述的多个滤波器分别对应不同的采样率，用于根据带宽位数提供不同的采样率的信号；

信号输出单元，与所述的多个滤波器相连接，用于输出滤波器的输出结果。

该利用上述系统实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的数据缓存模块进行数据缓存；

(2)所述的变频模块，将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

(3)所述的滤波及降采样模块提取同步信号并降低信号的采样率；

(4)所述的滑动相关模块计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值。

较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)将同步信号通过频谱搬移至零频；

(2.2)计算同步信号与零频之间的频率差值；

(2.3)根据频率差值确定上变频或下变频。

较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)选择适合的带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

(3.2)根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理，输出结果。

较佳地，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)计算当前时刻的相关结果；

(4.2)移动滑动窗，并计算下一个时刻的相关结果；

(4.3)得到接收数据与本地三组PSS序列滑动相关后的计算结果，并计算模值；

(4.4)比较模值与阈值，如果模值大于阈值，记录时刻和本地PSS序列序号；否则，继续比较下一组数据。

较佳地，所述的步骤(4.2)中计算下一个时刻的相关结果，具体为：

根据以下公式计算下一个时刻的相关结果：

corr(t)＝∑_N(I+jQ)·(i+jq)^*；

其中，I和Q分别为接收信号的实部和虚部，i和q分别为本地码的实部和虚部，N为滑动相关的窗长，t为t时刻，计数t时刻的相关值，(i+jq)^*表示取共轭。

采用了本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法，将信号采样率降到7.68Mbps，再做滑动相关。5G信号同步采用软硬件相结合来实现，大大提高了5G信号同步的处理速度，以及矢量信号分析仪平台的分析速度，减少了资源占用率。

附图说明

图1为本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统的结构示意图。

图2为本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统的变频模块的结构框图。

图3为本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统的滤波和降采样模块的结构框图。

图4为本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统的滑动相关模块的结构框图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，其中包括：

数据缓存模块，与数据源相连接，用于在同步处理前对数据进行缓存；

变频模块，与所述的数据缓存模块相连接，用于将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

滤波及降采样模块，与所述的变频模块相连接，用于提取同步信号并降低信号的采样率；

滑动相关模块，与所述的滤波及降采样模块相连接，用于计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值，得到模值大于阈值情况下的时刻和本地PSS序列序号。

作为本发明的优选实施方式，所述的变频模块包括：

变频信号生成单元，与所述的数据缓存模块相连接，用于生成变频信号；

运算单元组，包括乘法运算子单元和加减法运算子单元，用于计算同步信号与零频之间的频率差值，并确定上变频或下变频。

作为本发明的优选实施方式，所述的滤波及降采样模块包括：

带宽选择单元，与所述的变频模块相连接，用于根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

滤波器组，包括多个滤波器，与所述的带宽选择单元相连接，所述的多个滤波器分别对应不同的采样率，用于根据带宽位数提供不同的采样率的信号；

信号输出单元，与所述的多个滤波器相连接，用于输出滤波器的输出结果。

本发明的该利用上述系统实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其中包括以下步骤：

(1)所述的数据缓存模块进行数据缓存；

(2)所述的变频模块，将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

(2.1)将同步信号通过频谱搬移至零频；

(2.2)计算同步信号与零频之间的频率差值；

(2.3)根据频率差值确定上变频或下变频；

(3)所述的滤波及降采样模块提取同步信号并降低信号的采样率；

(3.1)选择适合的带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

(3.2)根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理，输出结果；

(4)所述的滑动相关模块计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值；

(4.1)计算当前时刻的相关结果；

(4.2)移动滑动窗，并计算下一个时刻的相关结果；

(4.3)得到接收数据与本地三组PSS序列滑动相关后的计算结果，并计算模值；

(4.4)比较模值与阈值，如果模值大于阈值，记录时刻和本地PSS序列序号；否则，继续比较下一组数据。

较佳地，所述的步骤(4.2)中计算下一个时刻的相关结果，具体为：

根据以下公式计算下一个时刻的相关结果：

corr(t)＝∑_N(I+jQ)·(i+jq)^*；

其中，I和Q分别为接收信号的实部和虚部，i和q分别为本地码的实部和虚部，N为滑动相关的窗长，t为t时刻，计数t时刻的相关值，(i+jq)^*表示取共轭。

本发明的具体实施方式中，提出了硬件与软件结合的5G信号同步处理系统和方法，提高了矢量信号分析仪平台的分析速度。硬件是在FPGA通过变频、滤波、降采样及滑动相关模块实现了5G信号的粗同步，获得小区号ID中的

和主同步信号PSS的起始位置。软件部分是在上位机调用分析5G信号动态链接库，通过辅同步信号SSS进行精同步，得到小区号ID中的

通过解析PBCH信道解析，得到帧头位置，进而解析PDCCH和PDSCH信道。

如图1所示，本发明的实现5G信号同步处理的系统的组成部分如下：

1、数据缓存：

利用fifo IP核来缓存数据，为防止在后续处理的过程中遗漏部分数据，因此在进行同步处理前需要对数据进行缓存，不遗漏数据来确保能找到同步峰值。此步骤不改变数据的采样率。

2、变频：

5G信号中的同步信号有可能因为配置而不位于零频位置(带宽信号的中间位置)，为了简化后面滤波步骤中的滤波器设置，在滤波步骤前添加此步骤，将同步信号通过频谱搬移，搬到零频上。通过上位机配置的参数可以计算出同步信号与零频之间的频率差值以及确定是上变频还是下变频。频谱搬移就是将信号与

相乘，将其拆分为乘法和加减法运算。具体实现框图如图2所示。

(1)Iin/Qin，模数转换器ADC采集得到数据IQ数据，然后通过一系列的采样率变换得到所需要采样率的数据IQ数据；

(2)频率偏移值，用来作为dds_compiler ip核的输入参数，生成频点为同步信号与零频之间的频率差值f_Δ的复数信号

(3)带宽，因为3GPP协议规定了5G信号在不同带宽下的采样率是不一样的，带宽是用来使生成的用来变频的数据具有与配置的带宽相对应的采样率。

(4)上/下变频标志，因为dds_compiler ip核输入的参数为正数，而同步信号可能在零频位置的上面，也可能在零频位置的下面，因此在变频的时候会存在上变频或者下变频，需要一个标志参数来指示上变频还是下变频或者不变频。

3、滤波及降采样：

主同步信号PSS在频域上占用127个RE资源格，子载波间隔可以配置为15kHz和30kHz，所以PSS占用的带宽最大为3.81MHz。通过步骤2后，PSS信号中心与零频点重合，因此可以设计一个低通滤波器将同步信号提取出来，使同步去具有更高的准确性。5G信号在不同带宽和子载波间隔配置下具有不同的采样率，不同采样率下，OFDM符号点数不一样(FFT点数不一样)。采样率越大，OFDM点数越大，参与步骤4滑动相关运算的点数也会很多，从而导致整个系统运行时间长，占用资源多。按照奈奎斯特采样定理，将输入信号的采样率都降采样到7.68Mbps。OFDM符号点数通过降采样后变为512或者256(与子载波间隔配置有关)，这样参与运算的点数就减少很多。滤波和降采样实现流程如图3所示。

4、滑动相关：

滑动相关是在滑动窗内相乘后累加得到当前时刻的相关结果，计算完后，移动滑动窗计算下一个时刻的相关结果。其公式如下式：

其中，(·)^*表示取共轭。

滑动相关用FIR IP核来实现。将本地序列作为滤波器的系数，接收的IQ数据作为需要滤波的数据。然后将低通滤波器的结果相对应的取出I·i和Q·q，两数据相加(或相减)，得到滑动相关后数据的实部，相对应取出的Q·i和I·q，两数据相减(或相加)，得到滑动相关后数据的虚部。按照这操作可以得到接收数据与本地三组PSS序列滑动相关后的结果，然后求三组数据的模值，此处只求I_corr·I_corr+Q_corr·Q_corr。将模值与阈值比较，当模值大于阈值时，记录对应的时刻和本地PSS序列序号。滑动相关的实现流程如图4所示。

本发明还包括通过上位机软件调用5G信号分析的动态链接库，通过辅同步信号SSS进行精同步，与本地SSS序列进行滑动相关，得到同步信号更精准的位置；通过解析PBCH广播信道，得到5G信号帧头位置及PBCH信道携带的信息；根据帧头位置从FPGA上传给上位机的数据基带IQ数据提取一帧数据进行PDCCH信道和PDSCH信道的解析。

采用了本发明的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统及其方法，将信号采样率降到7.68Mbps，再做滑动相关。5G信号同步采用软硬件相结合来实现，大大提高了5G信号同步的处理速度，以及矢量信号分析仪平台的分析速度，减少了资源占用率。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，其特征在于，所述的系统包括：

数据缓存模块，与数据源相连接，用于在同步处理前对数据进行缓存；

变频模块，与所述的数据缓存模块相连接，用于将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

滤波及降采样模块，与所述的变频模块相连接，用于提取同步信号并降低信号的采样率；

滑动相关模块，与所述的滤波及降采样模块相连接，用于计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值，得到模值大于阈值情况下的时刻和本地PSS序列序号。

2.根据权利要求1所述的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，其特征在于，所述的变频模块包括：

变频信号生成单元，与所述的数据缓存模块相连接，用于生成变频信号；

运算单元组，包括乘法运算子单元和加减法运算子单元，用于计算同步信号与零频之间的频率差值，并确定上变频或下变频。

3.根据权利要求1所述的应用于矢量信号分析仪平台的实现5G信号同步处理的系统，其特征在于，所述的滤波及降采样模块包括：

带宽选择单元，与所述的变频模块相连接，用于根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

滤波器组，包括多个滤波器，与所述的带宽选择单元相连接，所述的多个滤波器分别对应不同的采样率，用于根据带宽位数提供不同的采样率的信号；

信号输出单元，与所述的多个滤波器相连接，用于输出滤波器的输出结果。

4.一种基于权利要求1所述的系统实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的数据缓存模块进行数据缓存；

(2)所述的变频模块，将同步信号通过频谱搬移至零频，通过上位机配置的参数计算同步信号与零频之间的频率差值；

(3)所述的滤波及降采样模块提取同步信号并降低信号的采样率；

(4)所述的滑动相关模块计算接收数据与本地PSS序列滑动相关的模值。

5.根据权利要求4所述的实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)将同步信号通过频谱搬移至零频；

(2.2)计算同步信号与零频之间的频率差值；

(2.3)根据频率差值确定上变频或下变频。

6.根据权利要求4所述的实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)选择适合的带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理；

(3.2)根据带宽位数选择对应的滤波器进行信号处理，输出结果。

7.根据权利要求4所述的实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(4.1)计算当前时刻的相关结果；

(4.2)移动滑动窗，并计算下一个时刻的相关结果；

(4.3)得到接收数据与本地三组PSS序列滑动相关后的计算结果，并计算模值；

(4.4)比较模值与阈值，如果模值大于阈值，记录时刻和本地PSS序列序号；否则，继续比较下一组数据。

8.根据权利要求7所述的实现针对矢量信号分析仪平台的5G信号同步处理方法，其特征在于，所述的步骤(4.2)中计算下一个时刻的相关结果，具体为：

根据以下公式计算下一个时刻的相关结果：

corr(t)＝∑_N(I+jQ)·(i+jq)^*；

其中，I和Q分别为接收信号的实部和虚部，i和q分别为本地码的实部和虚部，N为滑动相关的窗长，t为t时刻，计数t时刻的相关值，(i+jq)^*表示取共轭。

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