CN1228993C - 基于插值的二维能量窗定时同步方法 - Google Patents

Abstract

基于插值的二维能量窗定时同步方法是一种应用于无线通信***的定时同步的方法，该同步的方法为：(1)对M个天线的接收信号进行2倍速率采样和A/D转换；(2)进行匹配滤波；(3)对输出进行插值，得到2N倍过采样的相关结果；(4)对相关结果进行非相干的合并；(5)计算窗口内的各多径分量能量之和，并与门限进行比较；若窗口能量大于门限，则进行第7步，否则，改变窗口位置，再进行门限判决；(6)比较原窗口与当前窗口的能量，如果新的窗口能量大于原有窗口能量，则用新的窗口能量代替原有窗口能量，否则窗口能量值不变，重复第5步，直到找到能量最大的窗口；(7)找出此窗口内的相关峰值，记下对应的同步相位。

Description

基于插值的二维能量窗定时同步方法

                        技术领域

本发明是一种应用于无线通信***的定时同步的方法，属于移动通信中的同步技术领域。

                        背景技术

定时同步是移动通信***能正常通信的前提。为了能够支持高速数据业务，未来移动通信***将是宽带、多(收、发)天线的***，信号带宽将远大于信道相干带宽，因此***具有分辨多径的能力。传统的接收机中，都是针对单径进行信号携带能量的检测，从而得到此径的定时信息。这种定时同步检测算法在高斯信道中可以工作得很好，但对于多径衰落信道，由于接收机可分辨出多个相互独立的多径信号，则只考察单径信号能量的定时同步方案将使得***性能下降。同时，由于收发天线各单元之间的距离不会很远，到达各天线的多径分量在时间上可以认为是同步的，因此，到达各天线单元的相应多径分量都可以用于同步。为了保证高速数据通信的质量，***对同步精度的要求较高，需达到1/4-1/8码片的精度，这就要求4-8倍的过采样率，由于要求较高的量化比特数(需要8位以上)。而由于***带宽较大(可达到10-100MHz)，如此高的采样率和量化比特数将导致极高的数据速率，使得硬件实现十分困难。理论上，两倍的过采样信号具有全信息保持的特征，由此可以得到任意高的同步精度，基于以上考虑，本发明提出了基于两倍过采样信号进行插值的二维能量窗定时同步方法。

                            发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种能提高同步精度，也减轻***实现复杂度；能提高同步的正确概率的基于插值的二维能量窗定时同步方法。

技术方案

本发明的基于插值的二维能量窗定时同步方法为：

(1)对M个天线的接收信号进行2倍速率过采样和模数(A/D)转换；

(2)对来自M个天线的2倍过采样接收信号进行匹配滤波；

(3)对M路匹配滤波器的输出进行N倍插值，得到2N倍过采样的相关结果；

(4)对M路2N倍过采样的相关结果进行非相干的合并；

(5)计算窗口内各多径分量能量之和，并与门限进行比较；若窗口能量大于门限，则进行第7步，否则，改变窗口位置，再进行门限判决；

(6)比较原窗口与当前窗口的能量，如果当前窗口能量大于原有窗口能量，则用当前窗口能量代替原有窗口能量，否则窗口能量值不变，重复第5步，直到找到能量最大的窗口；

(7)找出此窗口内的相关峰值及对应的同步相位。

其中找出能量最大的能量窗内的各个相关峰值的具体实现步骤为：

a)用冒泡法找到能量窗内的最大值，并记录下其位置；

b)将第a)步中找到的最大值对应的样点及其左右n个样点置零，形成新的信号序列，然后找到新的信号序列中的最大值(此最大值小于第一步中找到的最大值，因此，称之为第二最大值)并记录下其位置；

c)再将在第b)步中找到的最大值及其左右n个样点置零，用冒泡法找到最大值(即第三最大值)，并记录下其位置；

d)重复以上的步骤，直到找到所有的峰值及其位置。

有益效果

1、对过采样率较低的信号进行插值，得到过采样率较高的信号，从而提高同步精度，也减轻了***实现复杂度；

2、引入二维能量窗概念，充分利用了各个多径信号的能量，能提高同步的正确概率，从而减少了完成同步所需的时间。

本发明提出的同步算法能用于各种移动通信***。

                            附图说明

图1是本发明定时同步方法结构示意图。

图2是基于插值的二维能量窗同步算法的实现装置结构示意图。它包括匹配滤波装置、插值装置、平方装置、加法装置、窗口能量计算装置、最大能量窗口搜索装置、窗内多径搜索装置。

                         具体实施方式

假设***有M根接收天线。天线1～天线M的接收信号经2倍采样、A/D变换后送到各匹配滤波器进行相关运算。匹配滤波器的输出送到N倍插值器进行插值，从而得到2N倍过采样的相关值，然后M个天线的2N倍过采样相关值送到二维能量窗运算模块，由它进行同步搜索与判决，输出定时信息。

具体算法描述如下。

各天线的接收信号是发射信号经过衰落后的多径信号和噪声的叠加。天线m经采样后的接收信号表达式可写成：

$r_m\left({\mathrm{kT}}_s\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{l,m}\left({\mathrm{kT}}_s\right)S({\mathrm{kT}}_s-{\mathrm{\τ}}_l)+n_m\left({\mathrm{kT}}_s\right),m=1,...,M$ [公式1]

其中假设共有L条多径分量，c_l，m、τ_l、分别为第m根接收天线处的第l条多径分量的信道衰落系数、时延、S为发射信号。T_s＝T_c/2为抽样间隔(T_c为chip间隔)。假设时延与时间无关，并且信道衰落服从Rayleigh分布。n_m为双边功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声。

上式可简写为：

$r_m\left(k\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{l,m}\left(k\right)S(k-{\mathrm{\τ}}_l)+n_m\left(k\right),m=1...,M$ [公式2]

各匹配滤波器的输出为：

$y_m\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-i)h\left(i\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-i)P^{*}(N-1-i)$

$=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r(n-i)(P_s(N-1-i)-j{P}_s(N-1-i))$

$=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{l,m}(n-i)(P_s(n-i-{\mathrm{\τ}}_l)+{\mathrm{jP}}_s(n-i-{\mathrm{\τ}}_l))+n_m(n-i))$

$*(P_s(N-1-i)-j{P}_s(N-1-i)))$

m＝1，...，4[公式3]

其中P_s为同步码序列，其长度为K，并假定I，Q两路都是同一个码，h为匹配滤波器的抽头系数，*表示复共扼。

各匹配滤波器输出的相关值将进行N倍插值，得到2N倍过采样的相关值。N倍插值后的相关值为：

$x_m\left(n\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_m\left(k\right)f(n-\mathrm{kN}),m=1...,M$ [公式4]

其中f(i)为插值滤波器的系数。

插值后的相关值送到二维能量窗运算模块。

由于通常在同步阶段载波相位是未知的，各天线同步信道信号的合并是非相干的。合并后的信号能量为：

$z\left(n\right)\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\left|x_i\left(n\right)\right|}^2$ [公式5]

借鉴多径分集接收机的概念，我们考虑在多径衰落信道中采用能量窗检测方法，即将相邻的L个相位上的能量观测值z(i)(i＝1，2，...，L)进行累加(这里L通常选择为多径时延扩展)，得到当前窗口的检测变量

当达到同步时，此变量应达到最大值，相应窗口所对应的位置即为多径同时同步的位置。因此，只需找出窗口内各径的定时，即可完成同步。用数学表达式来概括，即应找到以下最大值：

$\underset{0\≤m\≤(M-1)}{\max }\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}z(m+j-1)$ [公式6]其中M是搜索的总范围，L为接收机可分辨的多径数目。

从上式可以看出，在这种搜索方式中，由于窗口移动时，相邻窗口的重叠部分很多，因此，相位搜索速度比较慢。对上式进行简化，得到另一种搜索方式，即只需找到以下最大值：

$\underset{0\≤m\≤(M/L-1)}{\max }\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}z(\mathrm{mL}+j-1)$ [公式7]

这种情况下由于窗口没有重叠部分，因此搜索速度较快。

然后再在最大窗口内找到最大值，即找到同步位置，实现同步。根据以上描述，可以得到基于两倍过采样信号进行插值的二维能量窗同步算法的实现步骤为：

(1)对M个天线的接收信号进行2倍速率采样和A/D转换；

(2)对来自M个天线的2倍过采样接收信号进行匹配滤波；

(3)对M路匹配滤波器的输出进行N倍插值，得到2N倍过采样的相关结果；

(4)对M路2N倍过采样的相关结果进行求平方，然后相加；

(5)计算窗口内的各多径分量能量之和(即窗口能量)，并与门限进行比较；若窗口能量大于门限，则进行第7步，否则，改变窗口位置，再进行门限判决；

(6)比较原窗口与当前窗口的能量，如果当前窗口能量大于原有窗口能量，则用当前窗口能量代替原有窗口能量，否则窗口能量值不变，重复第5步，直到找到能量最大的窗口；

(7)找出此窗口内的相关峰值，记下对应的同步相位。其中找出能量最大的能量窗内的相关峰值的具体实现步骤为：

a)用冒泡法找到能量窗内的最大值，并记录下其位置；

b)将第a)步中找到的最大值及其左右n个样点置零，形成新的信号序列，从中用冒泡法找到最大值(此最大值小于第一步中找到的最大值，因此，称为第二最大值)，并记录下其位置；

c)再将在第b)步中找到的最大值及其左右n个样点置零，从中用冒泡法找到最大值(即第三最大值)，并记录下其位置；

d)重复以上的步骤，直到找到所有的峰值及其位置。

同步装置包括匹配滤波装置、插值装置、平方装置、加法装置、窗口能量计算装置、最大能量窗口搜索装置、窗内多径搜索装置。

匹配滤波装置完成相关运算([公式3])，插值装置完成插值运算([公式4])，平方装置完成信号能量计算，加法装置完成二维信号合并([公式5])，窗口能量计算装置完成能量窗能量的计算([公式6]中的求和项)，最大窗口能量搜索装置完成[公式6]中的求最大值的运算，窗内多径搜索装置完成窗内相关峰值搜索的各步骤。

Claims (2)

1、一种基于插值的二维能量窗定时同步方法，其特征在于该同步的方法为：

(1)对M个天线的接收信号进行2倍速率采样和A/D转换；

(2)对来自M个天线的2倍过采样接收信号进行匹配滤波；

(3)对M路匹配滤波器的输出进行N倍插值，得到2N倍过采样的相关结果；

(4)对M路2N倍过采样的相关结果进行非相干的合并；

(5)计算窗口内的各多径分量能量之和即窗口能量，并与门限进行比较；若窗口能量大于门限，则进行第7步，否则，改变窗口位置，再进行门限判决；

(6)比较原窗口与当前窗口的能量，如果当前窗口能量大于原有窗口能量，则用当前窗口能量代替原有窗口能量，否则窗口能量值不变，重复第5步，直到找到能量最大的窗口；

(7)找出此窗口内的相关峰值，记下对应的同步相位。

2、根据权利要求1所述的基于插值的二维能量窗定时同步方法，其特征在于找出能量最大的能量窗内的相关峰值的具体实现步骤为：

a)用冒泡法找到能量窗内的最大值，并记录下其位置；

b)将第a)步中找到的最大值及其左右n个样点置零，形成新的信号序列，从中用冒泡法找到最大值，此最大值小于第一步中找到的最大值，因此，称为第二最大值，并记录下其位置；

c)再将在第b)步中找到的最大值及其左右n个样点置零，从中用冒泡法找到最大值即第三最大值，并记录下其位置；

d)重复以上的步骤，直到找到所有的峰值及其位置。

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