CN107295535A - 一种gsm‑r***频率偏移自动校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种GSM‑R***频率偏移自动校正方法，搜索124个信道，即所有的BCH通道，对它们进行功率扫描，选择最强的BCCH载波驻扎；检测FCCH帧；在找到FCCH帧的下一帧搜索SCH帧，之后进行解调，针对铁路快速移动的特点，通过快速估计由高速移动所带来的频率偏移，再进行补偿，从而减小多普勒效应对GSM‑R通信的影响，提高GSM‑R***的通信质量。

Description

一种GSM-R***频率偏移自动校正方法

技术领域

本发明涉及一种GSM-R***频率偏移自动校正方法。

背景技术

GSM-R是在公网GSM技术基础上融合了调度通信功能的专门用于铁路无线通信的数字集群通信***。GSM-R突出特点是将高速铁路列车自动控制信息的传输与以语音通信为主的调度通信统一纳入同一个无线通信平台，是一个功能完善、实现通信信号一体化的先进高效的通信***。

目前，GSM-R数字移动通信***为我国铁路移动通信标准的通信方式；中国已成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家；近年来，高速铁路建设在全世界范围呈高速发展趋势，高速铁路的快速发展对于高速铁路无线通信***，既是一个机遇，也是一个巨大的挑战。随着高速铁路发展的不断加速，为了适应高速铁路环境的特殊性，并且进一步满足移动用户日益增长的通信需求，基于GSM-R通信射频拉远单元***日益成为研究的热点，与此同时，研究高速铁路场景下的多普勒频移效应对通信***的设计的重要性也愈加突出。

在高速移动的情况下，终端和基站(或射频拉远单元)之间由于多普勒效应，会产生频率偏移，从而使得同步难以建立、保持。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，针对铁路快速移动的特点，通过快速估计由高速移动所带来的频率偏移，再进行补偿，从而减小多普勒效应对GSM-R通信的影响，提高GSM-R***的通信质量。

本发明是这样实现的：一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，包括如下步骤：

步骤1、搜索124个信道，即所有的BCH通道，对它们进行功率扫描，选择最强的BCCH载波驻扎；

步骤2、检测FCCH帧；

步骤3、在找到FCCH帧的下一帧搜索SCH帧，之后进行解调。

进一步地，所述步骤2进一步具体为：由于FCCH帧中数据为全1，经过gmsk调制后是频率为67kHz的正弦波，每次对156个比特长的输入序列中(2N+1)个频点进行FFT运算，若FFT的峰值连续在抽头8出现，则找到了FCCH帧；否则对下一个156比特的输入序列继续进行相同的处理，直至检测到FCCH帧。

进一步地，所述(2N+1)个频点包括：67kHz频点，以及以67kHz频点为中心，两边各再选取N个频点。

进一步地，根据公式，

上式中，Δf为频偏值，T为接收信号之间的时间间隔，L为接收信号数，R(m)为各信号之间的相关值，

之后将检测到的FCCH帧通过Δf进行补偿，得到精确的FCCH帧。

本发明具有如下优点：本发明一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，通过搜索124个BCH通道，对其进行功率扫描的方式确定BCCH载波，然后先使用FFT进行粗频率估计，校正后，再使用相关的方法精频率估计，精估计后可以有效降低因高速列车快速移动引起的多普勒频率偏移。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为GSM-R通信***频率偏移自动校正装置框图。

图2为FCCH和SCH在51超帧的映射示意图。

图3为对FCCH和SCH的搜索示意图。

图4为FCCH频率同步流程图。

图5为FCCH精同步流程图。

具体实施方式

本发明GSM-R***频率偏移自动校正方法，包括如下步骤：

步骤1、搜索124个信道，即所有的BCH通道，对它们进行功率扫描，选择最强的BCCH载波驻扎；

步骤2、由于FCCH帧中数据为全1，经过gmsk调制后是频率为67kHz的正弦波，每次对156个比特长的输入序列中(2N+1)个频点进行FFT运算，若FFT的峰值连续在抽头8出现，则找到了FCCH帧；否则对下一个156比特的输入序列继续进行相同的处理，直至检测到FCCH帧，所述(2N+1)个频点包括：67kHz频点，以及以67kHz频点为中心，两边各再选取N个频点，

根据公式，

上式中，Δf为频偏值，T为接收信号之间的时间间隔，L为接收信号数，R(m)为各信号之间的相关值，之后将检测到的FCCH帧通过Δf进行补偿，得到精确的FCCH帧；

步骤3、在找到FCCH帧的下一帧搜索SCH帧，之后进行解调。

主要应用场景：

GSM-R***自动频率偏移校正装置适用于高速铁路(超过350km/h)、磁悬浮火车(时速高达431km/h)、地铁等由于多普勒频移效应，导致无法接通，掉话等现像的场合。该装置具有安装方便、工程投资低，见效快等优点，具有极高的性价比。设备框图如图1所示。各功能详见说明如下：

1)低噪放大器

对业务天线端输入的微弱GSM-R射频信号进行低噪声放大器，降低基站接收噪声电平，提高信噪比。

2)混频器(下行)

对射频信号进行频谱搬移，将射频信号搬到中频进行处理。

3)A/D

模拟信号数字化，将模拟信号转化为数字信号进行处理。

4)FPGA

经A/D转换后的数字信号送给FPGA进行解调处理，计算其频率误差，把这个频率误差作为输出参考频率的频偏，可以解决速度过快切换过程引起的多普勒频移。(具体的AFC过程参照下面的AFC工作原理)

5)D/A

数字信号模拟化，将数字信号转换成模拟信号进行处理。

6)混频器(上行)

对中频信号进行频谱搬移，将中频信号搬到射频信号发射出去。

2.2.1工作原理：

该装置通过逻辑信道(FCCH，SCH)完成与基站之间的同步。其中FCCH用来完成频率精/粗同步和时间粗同步，SCH用来完成时间精同步。FCCH和SCH帧位于51超帧的第0个时隙，如图2所示。

开机后，移动台进行的与同步有关的操作为:

第一步：搜索124个信道，即所有的BCH通道，对它们进行功率扫描，选择最强的BCCH载波驻扎；

第二步：检测FCCH帧

·连续检测，最多检测11帧，必定能找到FCCH(由51超帧的结构决定的)；

·频率粗/精估计，时间粗估计；

第三步：在找到FCCH帧的下一帧搜索SCH帧

·时间精估计和补偿；

·SCH数据解调。

第二步和第三步如附图3所示。

GSM-R射频拉远单元***在设计开发过程中，还采用了一系列算法足其***的应用特性，下面是详细的介绍AFC装置中FCCH的检测、频率粗同步和频率精同步：

1)FCCH的检测和频率粗同步

FCCH帧是基站发出的频率同步帧(数据为全1)，用于移动台帧边界的对齐和减少频率误差。FCCH帧不含有有用信息，所以不需要解调。仅用于频率粗/精同步和时间粗同步。

协议规定，频率粗同步的误差为10ppm(20kHz)，精同步的误差为0.1pp m(200Hz)。

如图4所示，FCCH的检测和频率粗同步充分利用了FCCH帧的特点。因为FCCH帧中数据为全1，经过gmsk调制后是频率为67kHz的正弦波，我们每次对156个比特长的输入序列进行32点FFT运算，窗长为32。

考虑到实现的简化，无需对所有的32点进行操作，可以只选取其中部分点，但一定要把67kHz这个频点包括在内，一般的考虑是以67kHz频点为中心，两边各再选取N个点，即共(2N+1)个频点。我们采用的方法是只计算第6、7、8、9、10这5点即可，其中第8个点对应最精确的270/32*8＝67kHz.因为规定粗同步的精度为20kHz，选择五点正好可以满足(270/32*2)。

如果FFT的峰值连续在抽头8出现，我们认为找到了FCCH帧；否则对下一个156比特的输入序列继续进行相同的处理。最多搜索连续的11帧，即可完成FCCH检测和频率粗同步。粗同步的精度±4.23kHz(270/32).频率粗同步完成后，移动台可以调整本地的帧边界，相应的时间粗同步也完成了。时间精度为±16个符号(窗长32)。

FCCH的频率精同步

粗估计以后，对所有的输入数据用粗估计的频率值进行下变频，这样得到的信号频谱肯定在67KHz的±4.25kHz范围内，所以可以先在这个范围内低通滤波。FCCH的同步充分利用了其帧的特殊结构，在GMSK调制后，FB是一个频率为67KHz的标准正弦波，因此利用选择性FFT的方法来对其进行帧捕获和频率粗同步，将粗同步的结果补偿后；(我们利用相关求和的方法来进行频率的频度精同步)精同步流程如图5所示。

精估计用的是相关的方法。下面推导一下算法，推导过程为了简便.令接收信号为x(n)＝e^jωn，不加入初始相位和白噪声，白噪声的相关仍为白噪声，而初始相位的影响可以计入噪声。

粗估计之后，设定接收的信号表达式为：e^jωnT，利用公式得到的函数与频偏Δω有关，ω是接收的频率，ω₁是经过粗估计的频率，

求解频偏的方法是采用自相关原则，

这里Z_k为FB中142Bit数据。详细推导过程如下：

由于所以有

对相关值进行求和

(等比级数)

上式中ρ为常数。上式可以写成：

其中，πΔfT(L+1)为的幅角，有

故

上式中T为接收信号之间的时间间隔，L为接收信号数，R(m)为各信号之间的相关值。求得的频偏用来调整接收的频率，以和基站频率同步。

移动台在开机时，初步和基站同步，不仅频率存在偏差，而且时间上也存在偏差，在FCCH搜索法中可以得到-16T～16T的范围内的时间偏差。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、搜索124个信道，即所有的BCH通道，对它们进行功率扫描，选择最强的BCCH载波驻扎；

步骤2、检测FCCH帧；

步骤3、在找到FCCH帧的下一帧搜索SCH帧，之后进行解调。

2.根据权利要求1所述的一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，其特征在于：所述步骤2进一步具体为：由于FCCH帧中数据为全1，经过gmsk调制后是频率为67kHz的正弦波，每次对156个比特长的输入序列中(2N+1)个频点进行FFT运算，若FFT的峰值连续在抽头8出现，则找到了FCCH帧；否则对下一个156比特的输入序列继续进行相同的处理，直至检测到FCCH帧。

3.如权利要求2所述的一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，其特征在于：所述(2N+1)个频点包括：67kHz频点，以及以67kHz频点为中心，两边各再选取N个频点。

4.如权利要求2所述的一种GSM-R***频率偏移自动校正方法，其特征在于：

根据公式，

上式中，Δf为频偏值，T为接收信号之间的时间间隔，L为接收信号数，R(m)为各信号之间的相关值，

之后将检测到的FCCH帧通过Δf进行补偿，得到精确的FCCH帧。