CN1360409A - 一种宽带码分多址系统中的前导捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带码分多址系统中的前导捕获方法及装置。该方法先确定搜索捕获时间范围,然后存储相应长度的数据并根据要求的捕获精度分成若干个搜索相位;根据前导的特殊结构,先串行做16次匹配,再做6点的快速哈达马变换,完成一个相位的搜索及捕获;同上,直到完成所有相位的搜索及捕获。本发明的装置则在相同匹配长度的情况下所用的移位寄存器是常用方法的1/M,复数乘法器是1/16,累加器是1/16,这种资源的转换对硬件实现意义重大。

Description

一种宽带码分多址系统中的前导捕获方法及装置

本发明涉及宽带码分多址WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)系统，具体的说涉及WCDMA系统中基站接收的前导捕获方法和装置。

在WCDMA系统中，移动台在有业务请求或突发业务时，会向基站发射物理随机接入信道PRACH(Physical Random Access Channel)或物理公共分组信道PCPCH(PhysicalCommon Packet Channel)。这两个信道都包含有前导信号。前导信号的作用就是对无线环境进行试探；移动台通过解读基站对移动台发射的前导信号的响应，来判断无线环境的好坏，然后对发射信号强度做相应的调整，使基站在当时的无线环境下能够基本正确的接收移动台发射的信号。移动台在发射PRACH或PCPCH时，虽然有一定的定时规律，但移动台相对于基站的空间位置的不确定性还是决定了移动台的发射信号到达基站接收端的时刻的随机性。因此，在基站接收端必须有前导捕获装置，来每时每刻进行搜索并捕获前导信号。

捕获前导信号的目的在于要确定是否有前导信号发出以及如果信号发出，确定前导序列的签名号和初始相位。由于在任何时刻，移动台在小区范围内的分布是随机的，各移动台基站的距离也随之变化，因此，各移动台发射的前导信号到达基站的传输延时也是随机的。若最大延时为T_d，则传输延时的范围在0到T_d之间。而基站接收前导信号要考虑来回双程的传输延时，即每个接入时隙(基站的接收端)起始的0-2T_d时间内都可能有移动台发射的前导信号到达。这也决定了前导捕获的搜索区间为0-2T_d；若2T_d相当于n个码片(Chip)的时间，则搜索区间为每个接入时隙起始的0～n-1个码片。

每个前导信号是一个由长度为4096个码片组成的序列，它可由下式来表示(参见3GPP标准“3G TS 25.213 V3.3.0(2000-6)”)： $C_{\mathrm{pre},n,s}\left(k\right)=c_{\mathrm{long},l,n}\left(i\right)\×C_{\mathrm{sig},s}\left(k\right)\×e^{j(\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{\mathrm{\π}}{2}k)},k=0,1,2,3,...,4095---\left(1\right)$ 其中，C_sig，s(k)是前导携带的16bits签名信号，c_long，l，n(i)是上行长扰码的实部。通过(1)式可知前导信号的产生过程为：先将16bit的签名重复256次(16×256＝4096)，这相当于对签名进行加扩；然后用选定长扰码的实部对4096chips进行加扰，最后对此单路数据进行每chip增加π/2的相位旋转处理，得到I、Q(分别对应复信号的实部和虚部)两路数据输出。前导信号之后的1024个码片的时间内无任何信号(功率为0)，这样前后一共5120个码片，组成一个接入时隙。前导信号的发射总是与接入时隙的起始位置同步，因此前导信号的单次捕获必须在一个接入时隙内完成，即在5120个码片内完成。

数字序列的搜索和捕获，最常用的是采用数字匹配滤波器。该装置由延时单元，伪随机(PN，Pseudo-Noise)码发生器、复数乘法器、累加器、快速哈达马变换(FHT，Fast HadamardTransform)模块、门限判决模块组成。从性能上看，此方案的捕获精度取决于搜索步进，也即输入信号的采样间隔，它的提高要受硬件的时间资源(器件速度)和空间资源(器件数量)的限制，这种方案最大的缺点就是硬件资源消耗太大，不便于硬件实现。

本发明的目的在于提出一种即能保证捕获性能和精度，又利于硬件实现的串行数字匹配滤波器的前导捕获方法捕获方法。

本发明的另一个目的在于提出一种实现上述方法的前导捕获装置。

本发明提出的一种宽带码分多址系统中的前导捕获方法，包括如下步骤：

1)确定参数，选定匹配长度为N；设定捕获精度为1/M码片，确定搜索捕获区间[0，n-1]；

2)初始化伪随机(PN)码发生器产生的N个PN码，并寄存在寄存器PN(k)中，k＝0，1，…N-1；

3)存储匹配数据；

4)串行匹配，完成一个相位的搜索捕获；

5)重复步骤4，直到完成所有相位的搜索及捕获；

所述的步骤3中存储匹配数据是指I、Q数据以M倍码片速率输入，存储M×(N+n)个复信号样本值；

所述的步骤4串行匹配，完成一个相位的搜索捕获进一步包括：

首先：将搜索捕获区间[0，n-1]分成M×n个相位；

接着：将每个码片的第0个样点从数据存储器中取出共计N+n个值，并寄存起来；

然后：将数据寄存器中前N个值以16长为单元块，分成若干个块，并以同样的方法对PN码值分块；

再次；将序列码做匹配并积分，得到16个复数值；

最后：求每个复数的能量，并对每个能量值做门限判决；

所述的将序列码做匹配并积分，得到16个复数值是指：

首先将每个数据单元块中的第1个值取出，组成一个序列，与每个PN码单元块中的第1个值组成的序列相匹配(共轭复乘)，得到一个新的序列；

接着：对该序列进行积分(累加)，得到一个复数值，并保留该值；

然后分别取数据单元块和PN码单元块的第2个值，得到两个序列；将两序列做匹配并积分，得到第2个复数值；

最后如此重复，可得到16个复数值，对这16个复数值的实部和虚部分别做快速哈达马变换，得到新的16个复数；

所述的求每个复数的能量是指该复数实部和虚部的平方和，同时对每个能量值做门限判决如下：

超过门限，则认为有前导信号被捕获，并提取该前导信号的签名和相位；

没有超过门限，则认为没有前导信号。此时完成了一个相位的搜索及捕获；

所述的步骤5中进一步包括：

首先：对取出的N+n个值从后向前(在前面的数据是先到达接收端的信号数据)进行移位，即将第一个值去掉，每个寄存器的值都由紧跟其后的寄存器的值来填充，最后一个寄存器的值填0；

其次：判断是否完成该样点上n个相位的搜索捕获；

最后：判断是否完成了所有M×n个相位的搜索捕获；

所述的判断是否完成该样点上n个相位的搜索捕获是指；如果完成则选择各码片的另一个样点进行搜索捕获；否则重复步骤4；

所述的判断是否完成了所有M×n个相位的搜索捕获是指；；如果完成则整个前导信号的搜索捕获完成；否则重复步骤2、3、4；

本发明构造了一种实现上述前导捕获方法的装置，它包括：数据存储器模块；数据移位寄存器模块；PN码发生器模块；PN码寄存器模块；复乘器模块；各种选通器模块；累加器模块；快速哈达马变换FHT模块；门限判决模块；

所述的数据存储器模块，用来存储输入信号的所有样本值，供搜索捕获用；

数据移位寄存器模块，用来暂存做匹配的数据；

PN码发生器模块，根据所给的扰码号，产生用来做匹配的PN码值；

PN码寄存器模块，用来暂存做匹配的PN码值；

复乘器模块，用来做复数乘法；

各种选通器模块，用来选通要做匹配(共轭复乘)的数据和PN码；

累加器模块，对各复乘结果的实部和虚部分别做累加；

快速哈达马变换FHT模块，对所得的16个累加值的实部和虚部分别做16点的FHT；

门限判决模块，先对FHT变换所得的16个复数分别求能量，将各能量值与门限做比较，超过门限，则认为前导信号被捕获，否则认为没有前导信号。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1是现有技术数字匹配滤波器捕获法捕获前导信号的结构功能框图；

图2是本发明WCDMA系统前导捕获装置的结构功能框图；

图3是本发明前导信号捕获方法流程图；

图4是图3所示的本发明方法步骤33、34、35的详细实现流程图。

图1所示为现有技术数字匹配滤波器捕获前导信号的实现框图。图中，101是延时单元，102是伪随机(PN，Pseudo-Noise)码发生器，输出的PN码已经是长扰码旋转后的结果，103是复数乘法器，104是累加器，105是快速哈达马变换模块，106是门限判决模块。

捕获过程如下：电路在初始化时，PN码发生器利用所给的扰码号产生出4096个PN码值，并一一寄存起来；工作时，输入的I、Q信号以采样节拍(周期为信号的采样间隔)经过各延时单元，分别与对应的PN码共轭复乘；然后对复乘结果进行累加，累加是将每相隔16chip的值加在一起，这样共有16个累加器，每个累加器有256个输入；对累加得到的16个值做快速哈达马变换，并求每个变换结果的能量，再根据能量值做门限判决；若变换输出值超过门限，则前导信号被捕获，否则认为没有前导信号。搜索和捕获每个节拍进行一次，直到完成整个[0，n]区间的搜索。

图2示出了本发明WCDMA系统的前导捕获装置结构功能框意图。

本发明提出的装置中，主要有数据存储器、数据寄存器、PN码发生器、PN码寄存器、复数乘法器、各种选通开关、累加器、FHT变换模块及门限判决模块等部分。

如图所示，电路初始化时，PN码发生器208根据所给的扰码号产生N个PN码值，寄存在PN码寄存器207中。工作时，输入信号的M×(N+n)个样本被存储在数据存储器201中，这些数据中包含了M×n个相位要进行搜索和捕获。首先，通过选通开关202将每个码片的第一个样本读到数据寄存器203中，这些数据中包含了n个相位要进行搜索和捕获；再通过选通开关204将数据寄存器203中前K个编号模16等于0的数据读出，并送到各复数乘法器205，同时通过选通开关206将PN码寄存器中相同编号的PN码值读出，送到各复数乘法器205，与数据进行共轭复乘，并将得到的K个复乘结果送到累加器209进行复数累加，保留累加结果；调整选通开关204和206，将数据寄存器203中前K个编号模16等于1的数据读出，同时将PN码寄存器中相同编号的PN码值读出，两者都送到复数乘法器205进行共轭复乘，对复乘结果进行累加，得到第二个累加结果；如此反复，直到得到16个累加结果，则一起送到FHT变换模块210做16点FHT变换，对变换得到的16个复数求能量，然后将各能量值送到门限判决模块211进行判决；超过门限，表示有前导信号被捕获，并提取前导的签名号和初始相位，否则表示无前导信号；此时，完成了一个相位的搜索及捕获。然后，将数据寄存器203中的数据从后向前进行一次移位，在图中就是从编号大的寄存器向编号小的寄存器移位，最后一个寄存器中填0；移位后，重复前面的操作，直到搜索捕获完第二个相位；如此反复，直到完成每个码片第一个样本的n个相位的搜索及捕获。调整选通开关202，将每个码片的第二个样本读到数据寄存器203中，重复前面的操作，直到完成每个码片第二个样本的n个相位的搜索及捕获；如此反复，直到完成每个码片所有M个样本的n个相位的搜索及捕获。到此，前导信号所有M×n个相位的搜索和捕获就全部完成。

图3给出了本发明前导信号捕获方法流程图。图中，本发明提出的前导信号捕获方法分5大步骤：

1)确定参数，选定匹配长度为N，设定捕获精度为1/M码片，确定搜索捕获区间[0，n]，见步骤30；

2)初始化PN码发生器，产生N个PN码值，并寄存在寄存器PN(k)中，k＝0，1，...N-1，见步骤31；

3)存储匹配数据，将输入复信号I+jQ的M×(N+n)个样本存储起来，见步骤32；

4)串行匹配，完成一个相位的搜索及捕获，见步骤33；

5)判断是否完成所有相位的搜索及捕获；否，则重复步骤33；是，就结束；见步骤34、35。

图4给出了图3中步骤33、34、35的详细实现流程图，对照该图可以更清楚地理解本发明所述的方法。

由图4，串行匹配，完成一个相位的搜索及捕获，即步骤33包括：

1)步骤401：设一个相位记数器PhaseCount，初始值为0，最大值为n；并设一个采样

计数器SampleCount，初始值为0，最大值为M-1；SampleCount＝0表示对接收信号每个码片的第0个采样点做搜索捕获。

2)步骤402：从数据存储器中读取编号i mod M＝SampleCount的信号样本，存储在N+n个移位寄存器D(j)中，并编号为j＝0，1，...N+n-1；数据的选择读取通过选通开关实现。

3)步骤403：将数据移位寄存器D(j)中前K个编号为j mod 16＝i(i的初值为0)的数据取出来。

4)步骤404：从PN码寄存器PN(k)中读取编号k＝j的PN码值。

5)步骤405：将D(j)与PN(j)共轭复乘，得到K个复乘结果。

6)步骤406：将K个复乘结果的实部和虚部分别累加起来，得到一个复数，记为S1；i加1。

7)步骤407：判断i是否小于16；是，则重复第3-6步；否，则跳出循环，得到16个复数S1..S16。

8)步骤408：对这16个复数的实部和虚部分别做16点的快速哈达马变换，得16个复数。

9)步骤409：计算这16个复数的能量(实部和虚部的平方和)。

10)步骤410、411：将16个能量值与设定的门限一一比较；若超过门限的，则认为前导信号被捕获，且签名号为该能量值在在16个值的序号，前导序列的初始相位为PhaseCount×M+SampleCount，输出前导序列的签名号和初始相位；若没有能量值过门限，则认为该相位上没有前导信号发送。此时，已完成该相位的前导捕获。

由图4，步骤34包括以下详细步骤：

1)步骤412：将数据移位寄存器D(j)向低位移一位，即D(j)＝D(j+1)，D(N+n-1)＝0；并将相位寄存器PhaseCount加1。

2)步骤413、414：判断PhaseCount是否小于n；是，则重复步骤33，直到接收信号每个码片的第SampleCount个样点上相位[0，n]都已经搜索捕获完成；SampleCount加1。

3)步骤415、416：判断SampleCount是否小于M；是，则对计数器PhaseCount清零，重复步骤33、34；否，则全部搜索及捕获结束。

本发明公开了一种宽带码分多址系统中的前导捕获方法及装置，所述的前导捕获方法与常用的数字匹配滤波器捕获前导的方法相比具有以下特点：当采用相同的匹配长度，输入信号的采样速率一致，本方法的捕获性能达到了与常用方法完全一样的效果，两种方法的捕获精度也一致。与此同时，采用本发明的装置则在相同匹配长度的情况下所用的移位寄存器是常用方法的1/M，复数乘法器是1/16，累加器是1/16，除添加的存储器以外，其他模块不变，由于存储器资源比其他资源都更容易方便，因而这种资源的转换对硬件实现的意义重大。

Claims (12)

1、一种WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：确定参数，选定匹配长度为N，设定捕获精度为1/M码片，确定搜索捕获区间[0，n](30)；

步骤2：初始化伪随机(PN)码发生器产生的N个PN码，并寄存在寄存器PN(k)中，k＝0，1，…N-1(31)；

步骤3：存储匹配数据(32)；

步骤4：串行匹配，完成一个相位的搜索捕获(33)；

步骤5：重复步骤4的串行匹配过程，直到完成所有相位的搜索及捕获(35)。

2、根据权利要求1所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤3(32)存储匹配数据是指I、Q数据以M倍码片速率输入，并将输入复信号I+jQ的M×(N+n)个样本存储起来。

3、根据权利要求1所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤4(33)包括：

(1)将每个码片的第0个样点从数据存储器中取出共计N+n个值，并寄存起来；

(2)数据寄存器中前N个值以16长为单元块，分成若干个块；以同样的方法对PN码值分块；将每个数据单元块中的第1个值取出，组成一个序列，与每个PN码单元块中的第1个值组成的序列相匹配即共轭复乘，得到一个新的序列；对该序列进行积分累加，得到一个复数值，并保留该值；

(3)重复上述步骤(2)得到16个复数值，对这16个复数值的实部和虚部分别做快速哈达马变换，得到新的16个复数；求每个复数的能量即实部和虚部的平方和，对每个能量值做门限判决；

如果超过门限，则认为有前导信号被捕获，并提取该前导信号的签名和相位；如果没有超过门限，则认为没有前导信号。

4、根据权利要求3所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于，所述的步骤(1)中将每个码片的第0个样点从数据存储器中取出共计N+n个值，并寄存起来分为：

首先，设一个相位记数器PhaseCount，初始值为0，最大值为n；并设一个采样计数器SampleCount，初始值为0，最大值为M-1(401)；

其次，从数据存储器中读取编号i mod M＝SampleCount的信号样本，存储在N+n个移位寄存器D(j)中，并编号为j＝0，1，…N+n-1；数据的选择读取通过选通开关实现(402)。

5、根据权利要求3所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括：

首先，将数据移位寄存器D(j)中前K(K＝N/16)个编号为j mod 16＝0的数据取出来(403)；

其次，从PN码寄存器PN(k)中读取编号k＝j的PN码值(404)；然后，将D(j)与PN(j)共轭复乘，得到K个复乘结果(405)；

最后，将K个复乘结果的实部和虚部分别累加起来，得到一个复数，记为S1(406)。

6、根据权利要求3所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括：

首先，判断i是否小于16；是，则重复权利要求5中的步骤；否，则跳出循环，得到16个复数S1..S16(407)；

其次，对这16个复数的实部和虚部分别做16点的快速哈达马变换，得16个复数(408)；

然后，求这16个复数的能量(实部和虚部的平方和)(409)；

最后，将16个能量值与设定的门限一一比较；若超过门限的，则认为前导信号被捕获，且签名号为该能量值在在16个值的序号，前导序列的初始相位为PhaseCount×M+SampleCount，输出前导序列的签名号和初始相位；

若没有能量值过门限，则认为该相位上没有前导信号发送(410)、(411)。

7、根据权利要求1所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤5(35)包括：

(1)取出的N+n个值首先从后向前进行移位即将第一个值去除，每个寄存器的值都由紧跟其后的寄存器的值来填充，最后一个寄存器的值填0；

(2)判断是否完成该样点上n个相位的搜索捕获；否，则重复步骤4(33)；是，则选择各码片的另一个样点进行搜索捕获；

(3)判断是否完成了所有M×n个相位的搜索捕获；否，则重复步骤4(33)及以上两个步骤；是，则整个前导信号的搜索捕获完成。

8、根据权利要求7所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤(1)是指：将数据移位寄存器D(j)向低位移一位，即D(j)＝D(j+1)，D(N+n-1)＝0，并将相位寄存器PhaseCount加1(412)。

9、根据权利要求7所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤(2)是指：判断PhaseCount是否小于n；否，则重复步骤(33)，直到接收信号每个码片的第SampleCount个样点上相位[0，n]都已经搜索捕获完成；SampleCount加1(413)、(414)。

10 根据权利要求7所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤(3)是指：判断SampleCount是否小于M；是，则对计数器PhaseCount清零，重复步骤(33)、(34)；否，则全部搜索及捕获结束(415)、(416)。

11 根据权利要求1所述的WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获方法，其特征在于：所述的步骤5(35)是指重复步骤4(33)的过程直到SampleCount＝M-1。

12、一种WCDMA系统中宽带码分多址系统中的前导捕获装置，其特征在于包括：数据存储器模块、数据移位寄存器模块、PN码寄存器模块、复乘器模块、各种选通器模块、累加器模块以及累加器模块和门限判决模块；所述的数据存储器模块，用来存储输入信号的所有样本值，供搜索捕获用；数据移位寄存器模块，用来暂存做匹配的数据；PN码发生器模块，根据所给的扰码号，产生用来做匹配的PN码值；PN码寄存器模块，用来暂存做匹配的PN码值；复乘器模块，用来做复数乘法；

所述的各种选通器模块，用来选通要做匹配(共轭复乘)的数据和PN码；累加器模块，对各复乘结果的实部和虚部分别做累加；快速哈达马变换FHT模块，对所得的16个累加值的实部和虚部分别做16点的FHT；

所述的门限判决模块，先对FHT变换所得的16个复数分别求能量，将各能量值与门限做比较，超过门限，则认为前导信号被捕获，否则认为没有前导信号。

Images