CN1925364A - 一种用于td－scdma系统的频率同步方法及使用该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于TD－SCDMA移动通信中的频率同步方法及使用该方法的频率同步装置。本方法把接收机本地时钟划分为多个工作状态，每个工作状态使用特定的训练序列，并且采用L&R估计器做频偏估计、采用符号和偏差准则剔除频偏估计异常点、采用随时钟工作状态变化滤波系数的环路滤波器。

Description

一种用于TD-SCDMA系统的频率同步方法及使用该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种应用于时分同步码分多址(Time Division SynchronousCode-Division Multiple Access，简称TD-SCDMA)移动通信中的频率同步方法及使用该方法的装置。

背景技术

在无线通信系统中，发射机和接收机常常无法严格频率同步，导致信号接收质量的下降甚至无法完成通信。基于成本的考虑，通常某些接收机所在的设备，比如手机，无法采用高精度和高稳定度晶体振荡器，只能采用较便宜的晶体振荡器。因此，当此类设备开机的时候，接收机和信号发射机之间的频率偏差经常比较大。比如在TD-SCDMA系统中，手机和基站之间的初始频差经常能达到10PPM。如果不采取措施，校正本地晶体振荡器，使接收机同步上发射机的频率，后续的通信工作根本无法正常进行。

接收机和发射机之间的频率同步一般采用频率跟踪环来实现。在频率跟踪环中，有个关键部件FOE(Frequency Offset Estimation)专门用来做频差估计。频差估计通常有DA(Data Aided)和NDA(Non-Data Aided)这两种方式。其中DA方法是利用发射机发射的训练序列来进行估计，而在NDA方法中，训练序列未知，类似于盲检测的方式。目前常用的无线通信体制采用的都是DA的方法。

TD-SCDMA是我国提出的3G标准，它采用了许多独特的技术，具有一定的优势，将在3G市场占据一定的份额。和WCDMA不一样，TD-SCDMA采用分时隙的方式，最大的特点是训练序列不连续的、训练序列没有扩频，这样基于运算量等各方面因素考虑，WCDMA系统中常用的一些频差估计方法无法在TD-SCDMA系统中使用。

因此，需要一种简单有效的方法，解决TD-SCDMA系统中的频率同步问题。

发明内容

本发明的目的是为TD-SCDMA系统中的频率同步提供一种简单有效的实现方式。本发明提供了一种用于TD-SCDMA系统的频率同步方法，包括：

步骤一，RRC滤波；

步骤二，训练序列识别，通过相关的方法识别训练序列的下行同步码和基本中导码，并找到其准确位置，并根据本地时钟状态选取对应的训练序列的种类；

步骤三，数字解调，去除训练序列的调制信息；

步骤四，频差估计，从去除调制信息的训练序列中得到本次的频差估计值；

步骤五，VCO参数计算，包括多帧平均、频差估计值异常点剔除、环路滤波等操作，计算得到VCO需要调整的电压值；

步骤六，调整VCO的控制电压值。

本发明还提供了一种使用上述频率同步方法的频率同步装置，包括无线射频接收机、A/D、数字基带和晶体振荡器VCO单元，其中：

(1)无线接收机把TD-SCDMA下行射频信号变成模拟基带信号；

(2)A/D完成数字-模拟和模拟-数字转变；

(3)数字基带完成RRC滤波、训练序列识别、数字解调、频差估计、VCO参数计算、调整VCO电压等操作，是本方法的核心环节；

(4)VCO是接收机晶体振荡器，用来给接收机提供系统时钟。

附图说明

图1是TD-SCDMA的帧结构示意图；

图2是本发明对应的频率同步装置示意图；

图3是本发明的频率同步框图；

图4时本发明中涉及到的系统时钟同步状态图。

具体实施方式

下面结合附图说明，详细说明本发明的具体实施方式。

图1是TD-SCDMA系统的帧结构，可以选用下行导频时隙中传送的下行同步码或在TS0传送的基本中导码当作训练序列。

图2是本发明对应的频率同步装置，包括无线射频接收机、A/D、数字基带、晶体振荡器VCO等单元，其中，无线接收机把TD-SCDMA射频信号变成模拟基带信号；A/D完成数字-模拟和模拟-数字转变；数字基带完成RRC滤波、训练序列识别、数字解调、频差估计、VCO控制电压计算等操作，是本方法的核心环节；VCO是接收机晶体振荡器，用来给接收机提供系统时钟。

图3是本发明频率同步工作框图，包含如下工作步骤：

步骤一，RRC滤波；

步骤二，训练序列识别；

通过相关的方法识别训练序列下行同步码和基本中导码，并找到其准确位置，并选取对应的训练序列的种类。从步骤四的公式(4)可以推知，训练序列越长，能估计的频偏范围越小，但是精度稍高，短训练序列则相反。这样，当频差很大的时候，可以把整个调整工作分为粗调和细调两个阶段。为了准确地进行操作，本方法把接收机本地时钟划分为四个状态，参见图4。当系统处于失锁和快捕状态，处于粗调阶段；当系统处于慢捕和锁定状态，处于细调阶段。粗调阶段用下行同步码做训练序列，细调阶段用基本中导码做训练序列。这样可以达到频偏估计精度和频偏估计范围的有效统一。

步骤三，数字解调；

数字解调的目的是去除训练序列的调制信息。

步骤四，频差估计；

频差估计是从去除调制信息的训练序列中得到本次的频差估计值，是载波同步算法中的关键环节。

如图3所示，其中r_f是经过RRC滤波后得到的数字序列，a_i是经过识别后的训练序列，可以为下行同步码(Sync_dl码)和中导码(Mid码)。设y_i是经过解调后的数字序列，参照Umberto Mengali和Aldo N.D′Andrea所著″SynchronizationTechniques for Digital Receivers″一书第三章Luise&Reggiannini方法，可以得到L&R估计器，具体为：

定义R(k)是y_i的自相关函数，有

$R\left(k\right)=\frac{1}{N-k}\underset{i=k+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i{y}_{i-k}^{*},$ 其中0≤k≤N-1            (1)

可以推知，估计的频差为：

$\mathrm{\Δ}\tilde{f}\≅\frac{1}{{2\mathrm{\πT}}_c}\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Im}\left\{R\left(k\right)\right\}}{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{kRe}\left\{R\left(k\right)\right\}}---\left(2\right)$

满足上述条件，必须选择好M，使得MΔfT_c＜＜1。

如果假定 $R\left(k\right)=\exp \left(j2\mathrm{\&pi;\&Delta;fkTs}\right)+{\tilde{n}}_k\&cong;1+j2\mathrm{\&pi;\&Delta;fkTs}+{\tilde{n}}_k,$ 并且噪声 $\left|{\tilde{n}}_k\right|<<1,$ 可以得到：

$\mathrm{\&Delta;}\tilde{f}\&cong;\frac{1}{{\mathrm{\&pi;T}}_c(M+1)}\arg \left\{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}R\left(k\right)\right\}---\left(3\right)$

其中arg(z)表示复值z的参数(相位)，取值范围是(-π，π)，这样需要满足的条件是：

$\mathrm{\&Delta;}\tilde{f}<\frac{1}{T_c(M+1)}---\left(4\right)$

步骤五，VCO参数计算；

包括频差估计值多帧平均、频差估计值异常值剔除、环路滤波等操作，计算得到VCO需要调整的电压值。

为了保证估计的准确性和克服噪声，可以对多帧(L帧)频差估计的结果做平均，即： $\mathrm{\&Delta;}\widehat{f_k}=\frac{\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{\tilde{f}}_j}{L}.$

为了克服噪声的影响，需剔除平均后的异常值。异常值采用符号准则和偏差准则联合判定。

符号准则的具体方法是设一次判定需要N_freq个经过L帧平均后的频差，令 $N_{\mathrm{sign}}=\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{freq}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Sgn}\left(\mathrm{\&Delta;}{\hat{f}}_j\right),$ 其中 如果N_sign的绝对值大于一个设定的非负门限SIGN_TH，则在N_freq个频差值中剔除符号和N_sign不一致的，剩下的接着进行偏差准则判定；如果N_sign＝0，计算N_freq个频差的平均值，接着进行偏差准则判定。其它情况说明值异常，不进行随后的滤波和调VCO操作。

偏差准则是计算N_freq1(N_freq1≤N_freq)个频差中的每个值和平均值之间的偏差，如果偏差在设定的门限范围内，接受本次频偏估计结果，否则说明值异常，不进行随后的滤波和调VCO操作。当系统时钟处于不同的状态，可以采用不同的偏差门限。

接着进行环路滤波，采用一个环路滤波器，有如下关系：

${\hat{f}}_i={\hat{f}}_{i-1}+\mathrm{K\&Delta;}{\hat{f}}_i---\left(5\right)$

其中 是第i次估计时的频率，

是第i次估计的频差，K是环路滤波系数。K值大，收敛速度快，但是抗噪性能差。为了保证收敛速度和抵抗噪声能力的统一，根据本方法使用的场景，当系统时钟处于不同的状态的时候，可以选取不同的值。

步骤六，调整VCO的控制电压值。

此时根据步骤五得到的调整值，换算成需要调整的VCO电压值，通过控制接口调整VCO的工作电压。

采用本方法，可以简单有效地解决TD-SCDMA系统中的下行频率同步问题。

Claims (7)

1、一种用于TD-SCDMA系统的频率同步方法，包括：

步骤一，RRC滤波；

步骤二，训练序列识别，通过相关的方法识别训练序列的下行同步码和基本中导码，并找到其准确位置，并根据本地时钟状态选取对应的训练序列的种类；

步骤三，数字解调，去除训练序列的调制信息；

步骤四，频差估计，从去除调制信息的训练序列中得到本次的频差估计值；

步骤五，VCO参数计算，包括多帧平均、频差估计值异常点剔除、环路滤波等操作，计算得到VCO需要调整的电压值；

步骤六，调整VCO的控制电压值。

2、根据权利要求1的方法，进一步包括把接收机本地时钟划分为失锁、快捕、慢捕、锁定四个状态，状态之间存在迁移。

3、根据权利要求1的方法，其中，步骤二所述的训练序列选取方法，其特征在于频差大的时候采用下行同步码当作训练序列、频差小的时候采用中导码当作训练序列，以达到频差估计精度和估计范围的有效统一。

4、根据权利要求1的频率同步方法，其中，步骤四所述的频差估计方法，其特征是使用L&R估计器。

5、根据权利要求1的频率同步方法，其中，步骤五所述VCO参数计算中的频差估计异常点剔除方法，其特征是采用符号和偏差准则联合判决。

6、根据权利要求1的频率同步方法，其中，步骤五所述VCO参数计算中的环路滤波方法，其特征是环路滤波系数根据接收机本地时钟的状态选取不同的值。

7、一种使用权利要求1中的频率同步方法的频率同步装置，包括无线射频接收机、A/D、数字基带和晶体振荡器VCO单元，其中：

(1)无线接收机把TD-SCDMA下行射频信号变成模拟基带信号；

(2)A/D完成数字-模拟和模拟-数字转变；

(3)数字基带完成RRC滤波、训练序列识别、数字解调、频差估计、VCO参数计算、调整VCO电压等操作，是本方法的核心环节；

(4)VCO是接收机晶体振荡器，用来给接收机提供系统时钟。

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