CN1510933A - 通过无线接口进行时钟同步的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过无线接口进行时钟同步的方法，属于无线移动通讯领域，通过对多点IQ数据的统计，并计算相邻点间具体相位关系的方法，解决了较大频差时的同步问题，提高了系统同步基准时钟的能力，降低了系统对晶振部分指标的要求，可用于移动通讯系统。

Description

通过无线接口进行时钟同步的方法

技术领域

本发明属于无线移动通讯领域，尤其涉及时钟同步技术。

背景技术

移动台或手机与网络侧基站BTS之间的信号交互传输是通过无线的方式进行的，在时分多址系统中，网络侧基站的基准时钟是系统运行的心脏，为了使移动台或手机(以下皆称为手机)正确接收网络侧基站从无线接口发下来的信号，手机需要做到的时钟的同步。

由于GSM是一个时分多址系统，在一个载频上定义一帧为8个时隙，通常一个手机占用其中的一个时隙，所以必须做到帧时钟的同步，由此进而可以做到时隙钟的同步。另外，GSM的编码都是根据帧号FN(Frame Number)来进行的，所以必须得到正确的帧号，此部分建议参考GSM协议05.02，05.04和05.10。

GSM系统每个小区都有一个BCCH(Broadcast Control Channel)载频位于0时隙，并在这个时隙上周期性地发射频率校正突发FB(Freqency Correct Burst)和同步突发SB(Synchronazition Burst)，利用这两个突发，就可以实现帧号和帧时钟的同步。简单的讲，就是利用FB初步确定时隙0的大约位置，然后利用SB精确确定时隙0的位置，并对SCH(Synchronazition Channel)做信道解码就可以得到帧号。

以上的功能实现是倚赖于基准参考时钟的同步。前面的算法可以实现和网络帧时钟同步，但是并不能保证手机的基准时钟与网络侧的基准时钟是同步的，甚至可能会存在一个较大的时钟偏差，导致帧时钟同步的不准确，所以基准时钟的同步问题，也就是如何利用FCCH(Freqency Correct Channel)来计算基准时钟的频差，成为手机与网络间通讯的关键技术

目前，在GSM协议05.10中，已经提出一种方法，根据GMSK调制的原理，分析FB中的142个全0比特的IQ相位，并进行翻转，将一个突发的IQ翻转数据相加，FB由于所有点的相位比较接近，相加时将出项一个极大值，而其它数据由于相位随机分布，相加时互相抵消，不会出现一个极大值，由此，可以检测到FB的位置，从而可以确定帧时钟的大体位置；

美国专利05933465：《Control signal detection method with calibration error and subscriberunittherewith》提出：根据FB中的142个全0比特的IQ相位，是满足相位差为90度的特点，对其多点IQ数据直接进行翻转相加，计算其累计和，并以此来判断基准时钟的频差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有同步技术中，只能在较小频差时，进行同步基准时钟的缺点，提高同步的频差门限，同时也提高了同步的精度。

本发明提出了一种通过无线接口进行时钟同步的方法，其处理步骤如下：

第一步接收来自模数转换器ADC的基带IQ信号序列，并储存；

第二步对接收到的连续两个时隙的IQ数据合并，得到相位翻转数据；

第三步对所述第二步得到的两个时隙的相位翻转数据，计算相邻两点的相位差，如果相邻的两点相位差的绝对值大于等于90度，那么记录此两点的相位关系值为“前一个相位关系值×-1”，如果相邻的两点相位差的绝对值小于90度，那么记录此两点的相位关系值为“前一个相位关系值×1”；

第四步对所得到的相位关系值的数组进行相关运算，当运算结果的绝对值等于相关窗口宽度时，就认为找到了FB，转入第六步

第五步如果没有发现FB，滑动窗口，继续计算相关值，直到滑动到数据的尾部，然后报告在这两个时隙里没有发现FB，结束处理流程。

第六步利用最小二乘法对得到的比特计算基准时钟的频差，并调整晶振，同时在下一帧计算SB，直到解调出SB，得到帧号，进行同步，完成处理流程。

所述第二步中对接收到的连续两个时隙的IQ数据合并是根据公式：

                 (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

其中：T为比特脉冲宽度

      Δf为射频本振的偏差；

      n(k)为随机干扰；

对每一个比特计算其相位大小，然后进行相位翻转计算。

所述第四步中，相位关系值的数组有156×2组，对其进行相关运算，相关的窗口宽度为142，当运算结果的绝对值等于相关的窗口宽度142时，就认为找到了频率校正突发，进入第六步。

采用本发明所述方法，与现有技术——GSM规范中的同步技术，以及美国专利05933465同步技术相比，由于这两种现有技术没有利用多点IQ数据之间的相位关系，所以只能应付基准时钟频差较小时的情况，而本发明通过对多点IQ数据的统计，计算相邻点间的具体相位关系的方法，可以解决较大频差时的同步问题，提高了系统同步基准时钟的能力，降低了系统对晶振部分指标的要求。

附图说明

图1是FB的IQ数据，FB信号等价于没有调制的正弦波，相位以90度连续递增或递减变化。

图2是FB的IQ翻转数据的幅度，将FB调制信号的相位限制在第—象限内，由于存在相位噪声，分布的不集中。

图3是FB的数据的幅度，由于存在基准时钟的频差，导致信号频率随着时间变化。

图4是FB的IQ数据翻转后的相位，由于存在基准时钟的频差(低于网络侧的时钟频率)，导致相位随着时间的变化，存在下降的趋势。

图5是计算FB数据的IQ相位，并对相位叠加，做不归零校正。

图6是本发明进行时钟同步的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

FCCH逻辑信道只包括—个突发，即FB，该突发对应的所有调制符号均为0，则GMSK调制(GSM系统所采用的调制方式)产生的信号相位对时间线性变化，

这是一个频率为 $f_1=f_0+\frac{1}{4T}$ 的下弦波，其中f₀为调制的中心频率，T为比特宽度。

在接收端，对接收的数据进行解调，每个T时间间隔内输出一对IQ数据，IQ数据组成的复数的相位即对应于调制时的的信号相位。如果接收端的射频本振时钟和发送端的相同，且不考虑干扰的影响，则FB接收的IQ信号的相位为 即在复平面上依次顺时针旋转90度，每四个采样点重复。对接收到的IQ数据依次逆时针循环90、180、270、360、450度

即对接收的IQ数据进行翻转，得到的所有采样点具有相同的相位。

以上假设时钟同步，且没有干扰存在，然而实际系统中这两种假设都是不成立的。

首先，传输中存在多径、衰落、干扰等，这导致了接收IQ数据出现了相位和幅度的抖动，对于FB的IQ翻转数据，其各个采样点的相位引入了一个随机的干扰，接收的FB的IQ翻转数据的相位可以表示如下：

                         (k)＝₀+n(k)

其中，n(k)为随机干扰。

另外，接收端的射频本振时钟和发送端的射频本振时钟总是存在一个频差，这个频差的存在导致FB的IQ翻转数据的相位是变化的。所以，接收的FB的IQ翻转数据的相位可以表示如下：

                       (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

                       (k)＝(k-1)+2*π*T*Δf+n′(k)

其中，Af为射频本振的偏差，T为比特脉冲宽度。应当注意的是，上式中的偏差Δf应该为射频本振的频差，当转换为基准13M或26M时钟的频差时，随频点的不同需要除以不同的倍频数。

对于其它的突发，可以假设其调制符号为随机的，则接收的IQ数据的相位为随机的，翻转后的IQ数据的相位也为随机的。

图1至图4为一个FB的接收IQ数据，由图可见，接收的IQ数据的相位和幅度都是随机的，但是其相位是集中在一个范围之内的，一个FB的IQ数据翻转后的相位存在一个趋势项，即2*π*k*T*Δf，它是由接收端与发送端的射频本振时钟的频差引起的。

由前面的分析可知，对于接收到的IQ翻转数据，其相位有如下公式：

                       (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

                      (k)＝(k-1)+2*π*T*Δf+n′(k)

当频偏比较小时，一个FB的IQ翻转数据的相位集中在一个小的范围之内，而其它突发的数据的相位是完全随机的。这样，将一个突发的IQ翻转数据相加，FB由于所有点的相位比较接近，相加时将出项一个极大值，而其它数据由于相位随机分布，相加时互相抵消，不会出现一个极大值，由此，可以检测到FB的位置，从而可以确定帧时钟的大体位置。

当频偏比较大时，一个FB的IQ翻转数据的相位的分布将很大。例如，取FB的150个点进行分析，对于1800M，13M频偏13HZ，对于900M，13M频偏26HZ，这150个点翻转数据的相位将均匀分布在整个2*π区间上，从而所有点的和将为零，此时无法检测FB。

在整个FB的范围内，相位变化比较大，但是相邻点的相位变化仍然比较小，例如，对于1800M，13M频偏150HZ，(k)＝(k-1)+0.16π+n′(k)。由此可见，通过计算相邻两个点的相位差，可以判断这这两个点对应的信息比特是否相同，这可称作FB的解调。从而，可以判断N个点对应的信息比特是否相同，以确定一个FB。

检测到FB后，就得到了一个FB的IQ翻转数据，其相位有如下的公式：

                  (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

根据接收数据就可以计算出频差。注意，这里相位需要保持连续，即相位递增时不会返回到0，递减时也不会返回到2*π。但是，计算的相位值是在区间0-2*π上，所以，需要对相位进行校正。附图5为一个相位校正的示例。

检测到FB后，就确定了FB的粗略位置。由于SCH总是位于FB之后的第8个突发处，由此可以确定SB的大体位置，SB具有很长的训练序列，因此可以在较长的范围内对SB成功地进行解调，解调的同时可以确定SB的准确位置，并对SCH做信道解码就可以得到帧号。由此，可以实现帧时钟的精确同步，并得到帧号信息。

当频偏比较小时，一个FB的IQ翻转数据的相位集中在一个小的范围之内，而其它突发的数据的相位是完全随机的。这样，将一个突发的IQ翻转数据相加，FB由于所有点的相位比较接近，相加时将出项一个极大值，而其它数据由于相位随机分布，相加时互相抵消，不会出现一个极大值，由此，可以检测到FB的位置，从而可以确定帧时钟的大体位置。

但是，当频偏比较大时，一个FB的IQ翻转数据的相位的分布将很大。例如，取FB的150个点进行分析，对于1800M，13M频偏13HZ，对于900M，13M频偏26HZ，这150个点翻转数据的相位将均匀分布在整个2*π区间上，从而所有点的和将为零，此时无法检测FB。

如上所述，在整个FB的范围内，相位变化比较大，但是相邻点的相位变化仍然比较小，例如，对于1800M，13M频偏150HZ，(k)＝(k-1)+0.16π+n′(k)。由此可见，通过计算相邻两个点的相位差，可以判断这这两个点对应的信息比特是否相同，这可称作FB的解调。从而，可以判断N个点对应的信息比特是否相同，以确定一个FB。

检测到FB后，就得到了一个FB的IQ翻转数据，其相位有如下的公式：

                         (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

根据接收数据就可以计算出频差。需要注意的是这里相位需要保持连续，即相位递增时不会返回到0，递减时也不会返回到2*π。但是，计算的相位值是在区间0-2*π上，所以，需要对相位进行校正。

图5所示，是一个相位校正的示例。

检测到FB后，就确定了FB的粗略位置。由于SCH总是位于FB之后的第8个突发处，由此可以确定SB的大体位置，SB具有很长的训练序列，因此可以在较长的范围内对SB成功地进行解调，解调的同时可以确定SB的准确位置，并对SCH做信道解码就可以得到帧号。由此，可以实现帧时钟的精确同步，并得到帧号信息。

从实施例可以看出，本发明是通过对多点IQ数据的统计，计算相邻点间具体相位关系的方法，解决了较大频差时的同步问题，提高了系统同步基准时钟的能力，降低了系统对晶振部分指标的要求。

Claims (3)

1一种通过无线接口进行时钟同步的方法，其特征是：处理步骤如下

第一步接收来自模数转换器ADC的基带IQ信号序列，并储存；

第二步对接收到的连续两个时隙的IQ数据合并，得到相位翻转数据；

第三步对所述第二步得到的两个时隙的相位翻转数据，计算相邻两点的相位差，如果相邻的两点相位差的绝对值大于等于90度，那么记录此两点的相位关系值为“前一个相位关系值×-1”，如果相邻的两点相位差的绝对值小于90度，那么记录此两点的相位关系值为“前一个相位关系值×1”；

第四步对所得到的相位关系值的数组进行相关运算，当运算结果的绝对值等于相关窗口宽度时，就认为找到了频率校正突发，转入第六步；

第五步如果没有发现频率校正突发，滑动窗口，继续计算相关值，直到滑动到数据的尾部，然后报告在这两个时隙里没有发现频率校正突发，结束处理流程；

第六步利用最小二乘法对得到的比特计算基准时钟的频差，并调整晶振，同时在下一帧计算同步突发，直到解调出同步突发，得到帧号，进行同步，完成处理流程。

2如权利要求1所述的通过无线接口进行时钟同步的方法，其特征在于：所述第二步中对接收到的连续两个时隙的IQ数据合并是根据公式：

                 (k)＝₀+2*π*k*T*Δf+n(k)

其中：T为比特脉冲宽度

      Δf为射频本振的偏差；

      n(k)为随机干扰；

对每一个比特计算其相位大小，然后进行相位翻转计算。

3如权利要求1所述的通过无线接口进行时钟同步的方法，其特征在于：所述第四步中，相位关系值的数组有156×2组，对其进行相关运算，相关的窗口宽度为142，当运算结果的绝对值等于相关的窗口宽度142时，就认为找到了频率校正突发，进入第六步。

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