用于TD-SCDMA系统下行信号的载波检测方法转让专利
申请号 : CN200810114636.3
文献号 : CN101291511B
文献日 : 2011-01-26
发明人 : 牛凯 , 林家儒 , 徐文波 , 汪滢
申请人 : 北京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于TD-SCDMA系统下行信号的载波检测方法，其特征在于：根据TD-SCDMA系统中，每个信号帧中下行时隙的信号功率远大于上行时隙的信号功率，在上下行时隙的切换点处会产生一个功率值的跳变的帧结构特点，该方法是先对所接收的高频信号进行不同频率的下变频，所述不同频率点应该能够覆盖TD-SCDMA信号所占用的频带，且相邻两个频点的频率间隔相同；因为TD-SCDMA系统占用15MHz频带宽度：2010MHz～2025MHz，对接收的高频信号进行下变频的频率是从最小的频率点开始取值，并以Δf＝200KHz的步进频率逐渐增加，直到到达最大的频率点为止，总共需要计算 种下变频情况；
且正确的下变频频率值是将其高频信号下变频后的信号的中心频点正好位于零频；然后，利用滑动窗口截取不同数据段的下变频信号进行功率测量，以统计该信号的功率跳变次数，并根据该功率跳变次数来完成下行信号的载波检测。
2.根据权利要求1所述的载波检测方法，其特征在于：所述方法包括下述操作步骤：(1)将接收的高频信号以不同频率进行下变频，要求这些不同频率点能够覆盖TD-SCDMA信号所占用的频带，且相邻两个频点的频率间隔相同；
(2)根据帧结构特点，利用滑动窗口对步骤(1)中每次下变频后的信号进行分段截取，再统计各个相邻两个窗口内数据段的功率差值，并与已有的功率跳变阈值进行比较，将功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的下变频信号所对应的下变频频率，视为原高频信号的中心频率点，即所谓的载频点。
3.根据权利要求2所述的载波检测方法，其特征在于：根据TD-SCDMA信号的帧结构，每帧长度为6400个码片，每个时隙为864个码片的特点，所述步骤(2)进一步包括下列两种检测方法：
(21)对每次下变频后的信号都采用重叠的滑动窗口进行分数据段检测：设窗口长为
864个码片，窗口的开始位置先和下变频信号第一帧的第一个码片对齐，计算出该窗口内数据段的功率；然后往后滑动窗口，当窗口滑过864-172个码片时，再次固定窗口，使此时该窗口内的前面172个码片是上一次窗口固定时的最后172个码片，即相邻两次的窗口有172个重叠码片时，再计算该窗口内数据段的功率；然后，再次滑动窗口，多次重复上述操作，得到多个窗口内的信号功率值，再分别计算相邻两个窗口的功率差值，并将这些功率差值与设定的功率跳变阈值进行比较，则功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号在下变频时所使用的频率，即为原高频信号的载频点；
(22)对于每次下变频后的信号都采用相邻的双滑动窗进行分组检测：设定两个长度都为864码片长的窗口，第一个窗口的开始位置对应下变频信号第一帧的第一个码片，而第二个窗口的开始位置对应下变频信号第一帧的第865个码片，即两个窗口相邻而不重叠；分别计算该两个相邻窗口内数据段的功率和彼此的功率差值，然后将两个窗口同时往后滑动一个码片长度，再分别计算此时每个窗口内数据段的功率和彼此的功率差值；接着再往后滑动一个码片长度，多次重复上述操作，得到多个窗口内的信号功率值，分别计算相邻两个窗口的功率差值；再将这些功率差值与设定的功率跳变阈值进行比较，则功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号，在下变频时所使用的频率就是原高频信号的载频点。
4.根据权利要求3所述的载波检测方法，其特征在于：所述步骤(21)进一步包括下列具体操作内容：
(211)根据步骤(21)设定的窗长以及窗口每次滑动的长度，每一帧内的6400个码片恰好被划分为9个彼此有重叠的数据段，分别记作：W1＝{r1，r2，...r864}，W2＝{r864-172+1，r864-172+2，...r864-172+864}，……，W9＝{r8×864-8×172+1，r8×864-8×172+2，...r8×864-8×172+864}；然后用对每个码片值取绝对值的方法分别计算每个数据段的等效功率值：P1＝|r1|+|r2|+...+|r864|，P2＝|r864-172+1|+|r864-172+2|+...+|r864-172+864|，……，P9＝|r8×864-8×172+1|+|r8×864-8×172+2|+...+|r8×864-8×172+864|，并计算得到相邻两个数据段的功率差值，即每一帧数据得到8个功率差值：ΔP1＝|P1-P2|，ΔP2＝|P2-P3|，......，ΔP8＝|P8-P9|；
(212)为提高计算的可靠性，重复步骤(211)的操作内容，对10帧数据计算得到80个功率差值，把该80个功率差值分别与设定的功率跳变阈值进行比较，将超过功率跳变阈值的功率差值算作一次跳变，并统计总跳变次数numi；
(213)对每个频点都按照步骤(211)和(212)执行相同的操作内容，虽然正确的载频点只有一个，但为保证计算的可靠性，挑出其中跳变次数最多的3个频点对该三个频点分别估计它们各自的等效信噪比，以便能够更精确地找出信号所在的载频点，式中， 是下变频检测频点，下标m是其序号；
(214)执行所述步骤(213)中的等效信噪比估计的具体操作内容：分别计算三个频点中的每个频点 的等效信噪比为：snrj＝|Pj-Pj+1|/min(Pj，Pj+1)；式中，Pj，Pj+1分别表示得到第j次跳变功率差值的前后两个重叠窗口内的功率值，|Pj-Pj+1|表示两窗口对应的功率差值，min(Pj，Pj+1)表示取两个功率值的较小值，功率跳变次数的序号j＝1，…，numi，numi为功率跳变的总次数；由于只有当上行信号为零时得到的上述比值才近似等于真正的信噪比，而实际系统中往往有上行信号，因此这里将该比值描述为等效信噪比；然后，以相同的方法计算所有这些跳变点等效信噪比的平均值，即numi个值的平均值，并作为该频点 的等效信噪比；
(215)根据帧结构特性：当下变频频率正确，即 为正确的上下时隙跳变点时，得到的等效信噪比会比较大；选取上述三个频点中等效信噪比最大值的频点信号为正确下变频后的信号，即其在下变频时所使用的频率，就是原高频信号所在的载频点。
5.根据权利要求3所述的载波检测方法，其特征在于：所述步骤(22)进一步包括下列具体操作内容：
(221)用两个长度为864码片的相邻连续窗口A、B分别截取数据，并分别计算该两个窗口A、B内的数据段功率分别是： 和 以及这两个窗口的功率差值m0＝|a0-b0|；
(222)将该两个相邻的连续窗口一起向后滑动多次，每次滑动1个码片长度，每滑动一次就要分别计算滑动后的两个连续窗口A、B内数据段的功率an、bn，以及该两个窗口的功率差值mn＝|an-bn|，n表示第n次滑动；不断往后滑动窗口，并且计算功率差值mn；直到B窗口的结束位置对应一帧数据的最后一个码片位置，此时一帧数据的最后864×2个码片正好落入两个相邻的连续窗口内；在上述的滑动过程中，A窗口的起始位置从第一个码片开始，一直滑到了第(6400-864×2+1)个码片的位置，即一共滑动了n＝6400-864×2次；
(223)将每次下变频后信号所得到的多个功率差值mn分别与设定的功率跳变阈值进行比较，超过功率跳变阈值的功率差值算作一次跳变，统计功率差值mn中超过功率跳变阈值的次数；
(224)对每个频点分别执行所述步骤(221)～(223)的操作内容，挑出其中超过阈值次数最多的频点信号作为载波检测后的信号。
6.根据权利要求4或5所述的载波检测方法，其特征在于：所述方法不仅能够找到TD-SCDMA下行信号的载频点，而且在载波检测过程中得到的过阈值跳变点的窗口位置或功率差值mn的峰值位置，被认为位于上下行时隙切换点位置的附近，即能够在TD-SCDMA系统同步中载波检测后的帧同步搜索中，提供帧头的大概搜索范围，以简化算法。
说明书 :
用于TD-SCDMA系统下行信号的载波检测方法
技术领域
背景技术
广播信道的同步。在实现良好的同步操作基础上，终端才能够在上电之后搜寻周围可能存
在的小区，登陆并侦听网络上发出的寻呼。
同步码，就能与基站建立同步。而TD-SCDMA系统不存在类似的公共同步码，但是，它可以利
用其中的32个相互正交的同步序列码(位于图1帧结构的下行导频时隙DwPTS中)进行
帧同步。因此，在TD-SCDMA系统中，最初的同步工作是要求正确地检测出信号帧结构中的
同步序列码。
可能位于该15MHz频段中的任何一个频点，所以在进行上述帧同步之前，首先要通过一定
的检测手段确定有信号的频点，即检测信号的载频点，然后再对该频点的信号进行相关的
帧同步工作。
滤波器(参见图3中所示的虚线方框)。从图3的频域示意图可以看出，在本地下变频的载
波频率与发送信号的频率相同时，即此时在本地步进得到的下变频频点ωi正好与中心频
率ωc相等，则下变频后信号的中心频率正好位于零频，此时，信号能够完整地通过低通滤
波器，那么此时检测的低通滤波后的信号有最大功率值。所以，利用M个不同频点分别对接
收信号进行下变频且低通滤波后，只需要比较这M个不同频点对应的信号功率值，其中具
有最大功率的下变频频率点就是发送信号所在的载波频点。
到正确的载波所在频点，并且能够为后面的帧同步操作提供初步的信息。如图1所示的一
帧的帧结构中，有2个上下行信道(时隙)转换点，因为下行信道功率远远大于上行信道的
功率(基站发送功率远远大于移动台的发送功率)，也就是说，如果下变频的频率等于信号
所在频率，那么信号在低通滤波后不会有损耗，则在转换点处会产生一个较大的功率跳变；
而如果接收信号没有正确下变频到零频，那么低通滤波后的信号功率会有损耗，甚至是只
有平稳随机分布的噪声，那么在转换点处就不会有明显的功率跳变，或者根本没有功率跳
变。所以，统计每个频点下变频后接收数据分时段的功率跳变次数，将其作为载波检测是否
有信号的依据，并且得到的功率跳变位置能够为后面的帧同步操作提供粗略的码片搜索范
围。因此，如何根据接收信号所在载频位置的不确定性检测到TD-SCDMA系统下行信号的载
波频点，就成为国内科技人员义不容辞的责任和义务，也自然地成为许多通信技术人员关
注的科研课题的焦点。
发明内容
信系统中进行载波检测方法的有效性和精准性，且算法复杂度低；另外，该方法不仅能检测
出载频位置，而且能为帧同步操作提供搜索码片的初步范围。
行时隙的信号功率，在上下行时隙的切换点处会产生一个功率值的跳变的帧结构特点，
该方法是先对所接收的高频信号进行不同频率的下变频，所述不同频率点应该能够覆盖
TD-SCDMA信号所占用的频带，且相邻两个频点的频率间隔相同；因为TD-SCDMA系统占用
15MHz频带宽度：2010MHz～2025MHz，对接收的高频信号进行下变频的频率是从最小的频
率点开始取值，并以Δf＝200KHz的步进频率逐渐增加，直到到达最大的频率点为止，总共
需要计算 种下变频情况；且正确的下变频频率值是将其高频信号下变
频后的信号的中心频点正好位于零频；然后，利用滑动窗口截取不同数据段的下变频信号
进行功率测量，以统计该信号的功率跳变次数，并根据该功率跳变次数来完成下行信号的
载波检测。
将功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的下变频信号所对应的下变频频率，视为原高频
信号的中心频率点，即所谓的载频点。
口内数据段的功率；然后往后滑动窗口，当窗口滑过864-172个码片时，再次固定窗口，使
此时该窗口内的前面172个码片是上一次窗口固定时的最后172个码片，即相邻两次的窗
口有172个重叠码片时，再计算该窗口内数据段的功率；然后，再次滑动窗口，多次重复上
述操作，得到多个窗口内的信号功率值，再分别计算相邻两个窗口的功率差值，并将这些功
率差值与设定的功率跳变阈值进行比较，则功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号
在下变频时所使用的频率，即为原高频信号的载频点；
片，而第二个窗口的开始位置对应下变频信号第一帧的第865个码片，即两个窗口相邻而
不重叠；分别计算该两个相邻窗口内数据段的功率和彼此的功率差值，然后将两个窗口同
时往后滑动一个码片长度，再分别计算此时每个窗口内数据段的功率和彼此的功率差值；
接着再往后滑动一个码片长度，多次重复上述操作，得到多个窗口内的信号功率值，分别计
算相邻两个窗口的功率差值；再将这些功率差值与设定的功率跳变阈值进行比较，则功率
差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号，在下变频时所使用的频率就是原高频信号的载
频点。
P2＝|r864-172+1|+|r864-172+2|+...+|r864-172+864|，……，P9＝|r8×864-8×172+1|+|r8×864-8×172+2|+...+|r8×864-8×172+864|，并计算得到相邻两个数据段的功率差值，即每一帧数据得到8个功率差值：
ΔP1＝|P1-P2|，ΔP2＝|P2-P3|，......，ΔP8＝|P8-P9|；
阈值的功率差值算作一次跳变，并统计总跳变次数numi；
对该三个频点分别估计它们各自的等效信噪比，以便能够更精
确地找出信号所在的载频点，式中， 是下变频检测频点，下标m是其序号；
功率差值，min(Pj，Pj+1)表示取两个功率值的较小值，功率跳变次数的序号j＝1，…，numi，numi为功率跳变的总次数；由于只有当上行信号为零时得到的上述比值才近似等于真正的
信噪比，而实际系统中往往有上行信号，因此这里将该比值描述为等效信噪比；然后，以相
同的方法计算所有这些跳变点等效信噪比的平均值，即numi个值的平均值，并作为该频点i
的等效信噪比；
频后的信号，即其在下变频时所使用的频率，就是原高频信号所在的载频点。
差值m0＝|a0-b0|；
功率差值mn＝|an-bn|，n表示第n次滑动；不断往后滑动窗口，并且计算功率差值mn；直到
B窗口的结束位置对应一帧数据的最后一个码片位置，此时一帧数据的最后864×2个码片
正好落入两个相邻的连续窗口内；在上述的滑动过程中，A窗口的起始位置从第一个码片
开始，一直滑到了第(6400-864×2+1)个码片的位置，即一共滑动了n＝6400-864×2次；
阈值的次数；
置的附近，即能够在TD-SCDMA系统同步中载波检测后的帧同步搜索中，提供帧头的大概搜
索范围，以简化算法。
仅能够正确执行载波检测，并且，在检测过程中还能为帧同步提供上下行时隙切换点的位
置信息，以方便执行后续的帧同步算法。
附图说明
具体实施方式
2
ni服从均值为0、方差为σ 的复高斯分布；自然数j表示码片序号；由于数据分两路发送：
I路和Q路，所以sj，rj都为复数。
值应该为 但为了简化计算量，利用绝对值来代替其平方值，并不影响上下行时隙
功率累加值的相对比较结果)，会在上下行时隙的切换点处产生一个功率值的跳变点。如果
该频点不存在信号帧结构，那么所采集的信号均是噪声，由于噪声的平稳性，其功率累加值
不会产生很大变化，即没有跳变点。因此本发明用于TD-SCDMA系统下行信号的载波检测方
法，是根据TD-SCDMA系统中，每个信号帧中下行时隙的信号功率远大于上行时隙的信号功
率，在上下行时隙的切换点处会产生一个功率值的跳变的帧结构特点而设计的。
功率跳变次数来完成下行信号的载波检测。
达最大的频率点为止，总共需要计算 种下变频情况；且正确的下变频频率值
是将其高频信号下变频后的信号的中心频点正好位于零频。
将功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的下变频信号所对应的下变频频率，视为原高频
信号的中心频率点，即所谓的载频点。
帧的第一个码片对齐，计算出该窗口Wm内数据段的功率；然后往后滑动窗口，当窗口滑过
(864-172)个码片时，再次固定窗口，使此时该窗口内的前面172个码片是上一次窗口固定
时的最后172个码片，即相邻两次的窗口有172个重叠码片时，再计算该窗口Wm+1内数据段
的功率；然后，再次滑动窗口，多次重复上述操作，得到多个窗口内的信号功率值，再分别计
算相邻两个窗口的功率差值，并将这些功率差值与设定的功率跳变阈值进行比较，则功率
差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号在下变频时所使用的频率，即为原高频信号的载
频点。
P2＝|r864-172+1|+|r864-172+2|+...+|r864-172+864|，……，P9＝|r8×864-8×172+1|+|r8×864-8×172+2|+...+|r8×864-8×172+864|，并计算得到相邻两个数据段的功率差值，即每一帧数据得到8个功率差值：
ΔP1＝|P1-P2|，|ΔP2＝|P2-P3|，......，ΔP8＝|P8-P9|。
率值有所不同，因此阈值也不同)进行比较，将超过功率跳变阈值的功率差值算作一次跳
变，并统计80个功率差值的总跳变次数numi。
个频点统计出的过阈值的跳变次数足够多，接近或甚至超过正确频点的统计值。因此，虽
然正确的载频点只有一个，但为保证计算的可靠性，该方法对每个频点都按照步骤(11)和
(12)执行相同的操作内容，挑出其中跳变次数最多的3个频点
对该三个频点分别估计它们各自的等效信噪比，以便能够更精确地找出信号所在的载频
点，式中， 是下变频检测频点，下标i是其序号。
示两窗口对应的功率差值，min(Pj，Pj+1)表示取两个功率值的较小值；由于只有当上行信号
为零时得到的上述比值才近似等于真正的信噪比，而实际系统中往往有上行信号，因此这
里将该比值描述为等效信噪比；然后，以相同的方法计算所有这些跳变点等效信噪比的平
均值，即numi个值的平均值，并作为该频点ωi频下变频后的等效信噪比。
噪比最大值的频点信号为正确下变频后的信号，即其在下变频时所使用的频率，就是原高
频信号所在的载频点，完成载波检测。
帧的第一个码片，而第二个窗口B的开始位置对应下变频信号第一帧的第865个码片，即两
个窗口相邻而不重叠；分别计算该两个相邻窗口内数据段的功率和彼此的功率差值，然后
将两个窗口同时往后滑动一个码片长度，再分别计算此时每个窗口内数据段的功率和彼此
的功率差值；接着再往后滑动一个码片长度，多次重复上述操作，得到多个窗口内的信号功
率值，分别计算相邻两个窗口的功率差值；再将这些功率差值与设定的功率跳变阈值进行
比较，则功率差值超过该功率跳变阈值次数最多的信号，在下变频时所使用的频率就是原
高频信号的载频点。
值m0＝|a0-b0|；
功率差值mn＝|an-bn|，n表示第n次滑动；不断往后滑动窗口，并且计算功率差值mn；直到
B窗口的结束位置对应一帧数据的最后一个码片位置，此时一帧数据的最后864×2个码片
正好落入两个相邻的连续窗口内；在上述的滑动过程中，A窗口的起始位置从第一个码片
开始，一直滑到了第(6400-864×2+1)个码片的位置，即一共滑动了n＝6400-864×2次；
阈值的次数；
同步中载波检测后的帧同步搜索中，提供帧头的大概搜索范围，以简化算法。总之，本发明
利用TD-SCDMA特有的帧结构时隙功率的特征，加以信噪比的估计辅助不仅能够正确进行
载波检测，并且在检测过程中还能为帧同步提供上下行时隙切换点的位置信息，以方便帧
同步算法的执行。
同步仿真，因此PCCPCH信道和SCCPCH信道时分复用TS0，而用户信道占用TS4、TS5和TS6；
其余三个上行时隙的数据以0填充。对每个码片进行4次采样。信道采用协议3GPP TS
25.102中的两径情况。
种情况进行仿真。
以等效地假设接收的信号始终为基带信号，即中心频率为零频，经过本地一移动的带通滤
波器，其中心频率从-1.6MHz～1.6MHz之间(为了简化，只考虑有接收信号落入滤波器范
围内的情况，这些情况最可能对找到正确的频点结果产生影响；而不考虑那些信号带宽完
全不在滤波器范围内的情况，即带通滤波器中心频率大于1.6MHz或小于-1.6MHz时，信号
完全被滤除，此时对找到正确的频点结果影响不大)，并以200KHz的间隔进行移动(即16
个频点，正确频点值在第9个频点的零频处)，得到16个频点信号，然后根据TD-SCDMA帧结
构特点，找出功率跳变点，以跳变次数足够多的频点作为信号所在载波频点；
接近)，为了准确找到载波频点，可以挑出跳变次数最多的三个频点，将每个频点下每次跳
变都认为是从有信号帧结构时隙到没信号帧结构时隙的跳变，即有用信号(Signal)+噪声
(Noise)和噪声(Noise)的一次跳变，再利用这些跳变估算出三个频点的平均等效信噪比，
信噪比最高的频点确定为载波频点。
正确检测出正确频点。根据功率差值mn的位置还可以初步判断上下行时隙切换点的位置。
(图8(A)、(B)、(C)分别表示在三种信噪比下功率差值mn的幅度值，图中的横坐标表示移
动的码片数，纵坐标表示利用2帧数据进行双窗口检测时该两个相邻窗口内数据段的功率
差值mn的幅度值；虚线表示用信号和噪声做测试源所得到的帧结构功率差值特性曲线，实
线表示只用相同方差的纯噪声做测试源所得到的帧结构功率差值特性曲线。)
噪比进行估计。而方法2相邻的双滑动窗计算工作量比较大，但是计算时没有码片的重复
计算，功率值变化敏感，可以确定一个统一的阈值进行检测。两种方法都能够提供帧同步初
步信息。