CN1133351C - Wcdma小区搜索中的时隙同步装置 - Google Patents

Abstract

一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，包括A/D转换模块，匹配滤波器模块，能量检测模块，门限比较判决模块，延时锁定模块和时钟恢复模块；基带模拟信号经A/D转换为数字信号后经匹配滤波器输出相关峰值信号，再经过能量检测和门限比较判决后输出时隙同步信号；延时锁定从门限比较判决处得到主径相关峰值信号，处理后输出相位误差控制信号，再经时钟恢复处理后产生系统时钟。本发明捕获速度快，硬件资源消耗小且具有较高的灵敏度。

Description

WCDMA小区搜索中的时隙同步装置

本发明涉及第三代移动通信中FDD(频分双工)模式的WCDMA(宽带码分多址)系统，具体地说涉及WCDMA系统中MS(移动终端)的小区搜索技术。

一般说来，蜂窝式系统需要两种小区搜索，即识别到移动台的初始小区的初始小区搜索以及搜索切换邻近小区时的邻近小区搜索。DS-CDMA(直接扩频码分多址)蜂窝系统可分成两类，即在所有基站间进行严格的即时同步的基站间同步系统，以及不进行即时同步的基站间异步系统。基站间同步系统使用其他系统诸如GPS(全球定位系统)来实现基站间的同步。WCDMA是基站间异步系统。这样移动台可以直接接收来自邻近基站的传输延迟信息，所以可以较高的速度进行用于切换的邻近小区搜索。但是，在初始小区搜索中因为基站采用长扰码作为扩频码，使得小区搜索变得相对复杂和困难。

在WCDMA系统中，小区搜索的实现一般采用三步搜索法。第一步，捕获基本同步信道，完成时隙同步，识别出最强基站；第二步，捕获辅助同步信道，完成帧同步，识别出扰码组信息；第三步，对基本公共控制物理信道求相关，识别出本小区所采用的扰码。时隙同步是小区搜索的第一步，是移动台完成初始同步的第一步，也是后续帧同步、超帧同步的基础，所以对时隙同步的准确提取是十分重要的。时隙同步是针对一种特定的编码方式而采取的同步捕获技术，这种特定的编码是指基本同步信道码Cp，其编码格式来自3GPP TS25.213 V2.30的规定(3GPP是一个被称为“第三代移动通信伙伴计划”的国际组织)。但是，在目前已经公开的文献和各种资料中还没有发现专门针对此种编码的时隙同步技术。北京邮电大学学报(1998年5月第21卷增刊)公开了一篇论文《IMT-2000移动通信系统关键技术的分析》(作者张平)，在文中的第1.3节中提出了一种小区搜索装置的几个主要功能模块，包括：(1)同步码发生器；(2)搜索算法模块；(3)匹配滤波器和相关器。这实际上是对传统的搜索器同步功能的一个总结，采用上述传统的搜索器，除了必须使用同步码发生器以外，与之对应的匹配滤波器需要完成255次加法运算才能完成WCDMA小区搜索，不但增加了硬件资源，而且降低了运算速度。

本发明的目的是提出一种捕获速度快，硬件资源消耗小且在有较大频偏的情况下仍能正确捕获的用于WCDMA小区搜索的时隙同步装置。

一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，包括A/D转换模块，匹配滤波器模块，能量检测模块，门限比较判决模块，延时锁定模块和时钟恢复模块；所述的能量检测模块包括两个平方模块，两个时隙累加模块和一个加法器，输入能量检测模块的两路信号分别依次经过平方模块和时隙累加模块后，在加法器相加后输出；所述的延时锁定模块包括依次连接的误差能量提取模块、门限比较模块和环路滤波模块；基带模拟信号经A/D转换模块后转换为数字信号，转换后的数字信号经匹配滤波器模块后输出相关峰值信号，再依次经过能量检测模块和门限比较判决模块处理后输出时隙同步信号；延时锁定模块从门限比较判决模块得到主径相关峰值信号，处理后输出相位误差控制信号，再经时钟恢复模块处理后产生系统时钟信号，并作为A/D采样时钟输入A/D转换模块。

方案中所述的匹配滤波器模块是高里相关器；高里相关器包括8个延时单元，8个加权因子，13个加法器和8个乘法器；输入串行数字信号分成两路，一路进入延时单元，另一路乘以加权因子后与延时单元输出的信号分别做加减运算，完成一级运算；做加法运算后的信号输入延时单元，做减法运算后的信号乘以加权因子，重复前过程，进行下一级运算；共进行8级运算后输出；其中第4、第6和第8级运算只进行加法运算而不进行减法运算。

方案中所述A/D转换模块的采样速率为1～2倍码片速率，宽度取6～8比特。

方案中所述时隙累加模块的时隙累加次数一般为4～16次。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明装置的总体结构框图；

图2是本发明装置的详细结构示意图；

图3是门限比较判决模块的工作流程图；

图4是高里相关器的结构示意图。

首先介绍一下基本同步信道码Cp。基本同步码Cp是由通用分级高里码序列(generalised hierarchical Golay sequence.)构成的。采用这种编码是因为它具有很好的非周期自相关性能。其构成公式如下：

设a＝<x₁，x₂，x₃，…，x₁₆>＝<0，0，0，0，0，0，1，1，0，1，0，1，0，1，1，0>

基本同步信道码是由被高里补码调制的序列“a”的重复产生的；

         y＝<a，a，a， a， a，a， a， a，a，a，a， a，a， a，a，a>

基本同步信道码的定义如下：

         Cp＝<y(0)，y(1)，y(2)，…，y(255)>

其中最左边的码片y(0)将是一个时隙中最先发送的码片。

基本同步信道是这样发送信号的：将全为“1”的数据经过基本同步信道码的调制成为I/Q两路基带信号，再经过中频载波的QPSK调制，经射频发送出去。在FDD模式的WCDMA系统中，所有的小区均发送相同的、固定的基本同步信道。任何移动台在开机时，总是首先检测基本同步信道，在得到本小区时隙同步以后才能进行以后的工作。在接收端，射频信号首先经过QPSK解调，去除载波，恢复出I/Q两路基带信号进行处理。本发明所述时隙同步装置就是处理此基带信号的。

图1是本发明装置的总体结构框图。如图1所示，本发明包括A/D转换模块11，匹配滤波器模块12，能量检测模块13，门限比较判决模块14，延时锁定模块15和时钟恢复模块16；所述的能量检测模块13包括包括两个平方模块，两个时隙累加模块和一个加法器，输入能量检测模块的两路信号分别依次经过平方模块和时隙累加模块后，在加法器相加后输出；所述的延时锁定模块15包括依次连接的误差能量提取模块、门限比较模块和环路滤波模块。

图2是本发明装置的详细结构示意图。如图2所示，其中A/D转换模块11将接收到的基带模拟信号变换为数字信号，一般采用4×chip或8×chip的采样速率，宽度一般取6-8bit；匹配滤波器模块12对基本同步信道码Cp进行匹配滤波，其输出会在相应的位置输出峰值，而在其他地方相关值很小；平方电路模块是为了得到经过匹配滤波器滤波后的信号的能量；多时隙累加模块完成多个时隙的能量叠加；加法器将I、Q两路信号的能量求和；门限比较判决模块14负责将得到的信号与设定的门限进行比较，得到最强基站最强径的时隙同步指示；误差能量提取模块将前一个采样与后一个采样比较，并用当前采样的能量检测值进行规一化，得到相位误差电压信号；门限比较模块14进行设定门限比较，得到相位误差控制信号；环路滤波模块进行信号平滑；时钟恢复模块16产生系统时钟信号，并作为A/D采样时钟输入A/D转换模块11。其信号处理流程为：经过中频解调以后的基带信号分为I、Q两路，再经过A/D转换，成为两路数字信号进入匹配滤波器，其输出会因为有多个基站而产生多个峰值；为了保证较高的捕获概率，所以需要累加若干个时隙，然后进行门限比较，连续几次超出门限，则认为时隙同步已经捕获；此时发同步指示信号给CPU，同时启动跟踪电路，以保证时钟电路对主径的精确跟踪。

在实际应用中，接收到的信号比较复杂。因为所有基站都在发相同的基本同步信道，所以移动台可能接收到好几个基站的信号，只是信号有强弱之分；另外，由于多径的影响，也会造成接收匹配滤波器输出好几个峰值。这就涉及到判决策略的问题。在不存在软切换时，即没有上层参与的情况下，门限的选取只取决于移动台检测出的信噪比，一般采用自适应门限，以保证捕获概率。当存在软切换时，由于有上层参与多基站间的切换，也就是可预测切换的目标基站，通过上层通知使移动台在可选的几个的峰值位置进行判决，同样可以做到与目标基站的时隙同步。在不进行软切换的情况下，移动台会选取能量最大的一个基站进行初始同步。

图3是门限比较判决模块14的工作流程图，图3具体描述了门限设置与比较的过程。一般地，自适应门限设置有多种方法，本方案采用分段固定门限和自适应门限结合的方法，可以保证准确完成时隙同步。其具体的工作流程如下：(1)检测峰值能量；(2)判断检测到的峰值是否超过低门限；(3)如果没有超过低门限，则认为不存在能够建立正确同步的基站，重新开始检测峰值能量；(4)如果超出低门限，则进一步判断是否超出高门限；(5)如果没有超出高门限，则首先计算当前信噪比，然后判断计算得到的信噪比能否达到最低要求；(6)如果信噪比不满足要求，则重新开始检测峰值能量；(7)如果信噪比满足要求，则进一步判断是否超出自适应门限；(8)如果超出自适应门限，则得到峰值位置，输出时隙同步信号，否则根据计算得出的信噪比设置新的自适应门限后再重新开始检测峰值能量；(9)如果峰值信号超出高门限，则得到峰值位置，直接输出时隙同步信号。

启动跟踪电路后，跟踪电路从门限比较判决模块14得到主径相关峰值信号，通过一个简单的延时抽样器会得到延时、超前、当前时刻三个相关输出，通过将前一个采样与后一个采样相关输出能量求差，并用当前采样的能量检测值进行规一化，得到相位误差电压信号，然后送入门限比较与环路滤波模块得到相位误差控制信号，再经时钟恢复模块16处理后产生系统时钟信号，并作为A/D采样时钟输入A/D转换模块11，使得采样相位发生改变，得以精确跟踪主径相关峰值信号。本发明采用独立的延时跟踪模块进行精确跟踪，以保证提取出的时隙同步信号具有很高的精度。

图4是高里相关器的结构示意图，高里相关器是本装置的核心部件。因为基本同步信道码就是一种删除的高里码(Pruned Golay Code简称高里码)，所以在接受端可以用高里相关器作为匹配滤波器，对接收到的基本同步信道码进行相关处理，得到相关输出。

高里码的迭代生成公式为：

     a₀(k)＝δ(k)and b₀(k)＝δ(k)

     a_n(k)＝a_n-1(k)+W^(j) _n·b_n-1(k-D^(j) _n)，

     b_n(k)＝a_n-1(k)-W^(j) _n·b_n-1(k-D^(j) _n)，

     k＝0，1，2，…，2**N^(j)-1，

     n＝1，2，…，N^(j).

利用上述公式，根据以下给定条件，可以得到基本同步信道码序列发生器，它也是接收基本同步信道码序列所用的高里相关器：

  (a)Letj＝0，N⁽⁰⁾＝8

  (b)[D₁ ⁰，D₂ ⁰，D₃ ⁰，D₄ ⁰，D₅ ⁰，D₆ ⁰，D₇ ⁰，D₈ ⁰]＝[128，64，16，32，8，1，4，2]

  (c)[W₁ ⁰，W₂ ⁰，W₃ ⁰，W₄ ⁰ W₅ ⁰，W₆ ⁰，W₇ ⁰，W₈ ⁰]＝[1，-1，1，1，1，1，1，1]

  (d)For n＝4，6，set b₄(k)＝a₄(k)，b₆(k)＝a₆(k)

高里相关器包括D₁～D₈共8个延时单元，8个加权因子W₁～W₈，13个加法器(包括减法器)和8个乘法器；输入串行数字信号分成两路，一路进入延时单元，另一路乘以加权因子后与延时单元输出的信号分别做加减运算，完成一级运算；做加法运算后的信号输入延时单元，做减法运算后的信号乘以加权因子，重复前过程，进行下一级运算；共进行8级运算后输出；其中第4、第6和第8级运算只进行加法运算而不进行减法运算。只用13个加法器是利用了上述公式中b₄(k)＝a₄(k)，b₆(k)＝a₆(k)的特点，而对于加权因子来讲，因为其模值均为1，所以乘法运算只是一位的符号运算，实现起来很简单。高里相关器结构简单，充分利用了高里码的特性，在采样速率为1倍码片速率时，整个匹配相关运算只需13次加法就可完成(而采用一般的匹配滤波器结构需要255次加法)，大大减少了运算量，从而减少了硬件资源的消耗。

由于本发明充分利用了高里码的特性，采用高里相关器作为匹配滤波器，所以捕获速度快，硬件资源消耗小；由于采用了独立的延时跟踪模块进行精确跟踪，使得在频偏较大的情况下仍能获得正确的时隙同步信号，使得MS(移动终端)具有较高的灵敏度。

Claims (4)

1.一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，其特征在于：包括A/D转换模块(11)，匹配滤波器模块(12)，能量检测模块(13)，门限比较判决模块(14)，延时锁定模块(15)和时钟恢复模块(16)；所述的能量检测模块(13)包括两个平方模块，两个时隙累加模块和一个加法器，输入能量检测模块(13)的两路信号分别依次经过平方模块和时隙累加模块后，在加法器相加后输出；所述的延时锁定模块(15)包括依次连接的误差能量提取模块、门限比较模块和环路滤波模块；基带模拟信号经A/D转换模块(11)后转换为数字信号，转换后的数字信号经匹配滤波器模块(12)后输出相关峰值信号，再依次经过能量检测模块(13)和门限比较判决模块(14)处理后输出时隙同步信号；延时锁定模块(15)从门限比较判决模块(14)得到主径相关峰值信号，处理后输出相位误差控制信号，再经时钟恢复模块(16)处理后产生系统时钟信号，并作为A/D采样时钟输入A/D转换模块(11)。

2.如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，其特征在于：所述的匹配滤波器模块(12)是高里相关器；高里相关器包括8个延时单元，8个加权因子，13个加法器和8个乘法器；输入串行数字信号分成两路，一路进入延时单元，另一路乘以加权因子后与延时单元输出的信号分别做加减运算，完成一级运算；做加法运算后的信号输入延时单元，做减法运算后的信号乘以加权因子，重复前过程，进行下一级运算；共进行8级运算后输出；其中第4、第6和第8级运算只进行加法运算而不进行减法运算。

3.如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，其特征在于：所述A/D转换模块(11)的采样速率为1～2倍码片速率，宽度取6～8比特。

4.如权利要求1所述的一种WCDMA小区搜索中的时隙同步装置，其特征在于：所述时隙累加模块的时隙累加次数一般为4～16次。

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