一種WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)

權(quán) 安，劉春冉

(1.裝備工程技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

一種WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)

權(quán) 安1,2，劉春冉2

(1.裝備工程技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

針對(duì)WCDMA信號(hào)偵收過(guò)程中檢測(cè)時(shí)間窗口長(zhǎng)和高速移動(dòng)目標(biāo)引入多普勒頻偏的問(wèn)題，在對(duì)常規(guī)WCDMA前導(dǎo)檢測(cè)方法研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種頻域WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。采用分段FFT和非相干累積進(jìn)行實(shí)時(shí)前導(dǎo)檢測(cè)，不僅檢測(cè)處理時(shí)間短，并且對(duì)頻偏具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的檢測(cè)性能，并給出了其FPGA設(shè)計(jì)的ModelSim仿真和資源占用情況。

WCDMA；前導(dǎo)檢測(cè)；分段FFT；非相干累積；FPGA

0 引言

在WCDMA通信系統(tǒng)中，需要通過(guò)檢測(cè)接入前導(dǎo)來(lái)捕獲上行擾碼相位和檢測(cè)用戶(hù)簽名序列。在前導(dǎo)檢測(cè)過(guò)程中，基站必須對(duì)所有可能的相位進(jìn)行搜索[1]。對(duì)于常規(guī)商用WCDMA網(wǎng)絡(luò)，其小區(qū)半徑都很小，一般不超過(guò)5 km，前導(dǎo)檢測(cè)時(shí)只需在一個(gè)很窄的時(shí)間窗口進(jìn)行搜索，約128個(gè)碼片，通常采用高速率時(shí)鐘直接相關(guān)檢測(cè)[2]或者利用快速哈達(dá)曼變換FHT進(jìn)行前導(dǎo)檢測(cè)[3]。而在進(jìn)行WCDMA信號(hào)偵收時(shí)，由于是非合作接收，偵收設(shè)備和目標(biāo)之間的距離可能會(huì)遠(yuǎn)大于常規(guī)基站的小區(qū)半徑，可能達(dá)到幾十甚至數(shù)百公里，需要在一個(gè)很大的時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行搜索，因此要求前導(dǎo)檢測(cè)必須是全時(shí)隙實(shí)時(shí)檢測(cè)。同時(shí)，WCDMA信號(hào)偵收所針對(duì)的目標(biāo)可能處于高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，導(dǎo)致信號(hào)存在較大的多普勒頻偏，這就要求前導(dǎo)檢測(cè)算法必須對(duì)頻偏具有較高的容忍性。

1 常規(guī)WCDMA前導(dǎo)檢測(cè)方法

在WCDMA通信系統(tǒng)中，隨機(jī)接入過(guò)程中的前導(dǎo)碼長(zhǎng)度為4 096，是由長(zhǎng)度為16個(gè)碼片的Walsh碼重復(fù)256次組成的，并利用長(zhǎng)擾碼進(jìn)行了加擾處理[4]。常規(guī)WCDMA前導(dǎo)檢測(cè)方法是將解擾和解旋處理后的數(shù)據(jù)逐點(diǎn)進(jìn)行隔16累加運(yùn)算，得到每個(gè)相位對(duì)應(yīng)的相關(guān)中間值，再進(jìn)行快速哈達(dá)曼變換FHT完成相關(guān)值計(jì)算，最后將所有相位的相關(guān)峰值與門(mén)限比較，如果大于門(mén)限，則認(rèn)為捕獲，并輸出簽名序列號(hào)，否則，認(rèn)為未能捕獲。具體的處理方法如圖1所示。

圖1 常規(guī)WCDMA前導(dǎo)檢測(cè)處理圖

常規(guī)WCDMA前導(dǎo)檢測(cè)方法計(jì)算量較大，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是需要逐點(diǎn)進(jìn)行解擾和解旋處理；二是利用快速哈達(dá)曼變換FHT進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。假設(shè)需要進(jìn)行長(zhǎng)度為L(zhǎng)的相關(guān)運(yùn)算，利用直接線性卷積方法，折合為加法總次數(shù)為(9L2+2L)/8，其復(fù)雜為O(L2)；利用FFT實(shí)現(xiàn)線性卷積，折合為加法總次數(shù)為33Llog2L+18L，其復(fù)雜為O(Llog2L)；利用FHT實(shí)現(xiàn)線性卷積，折合為加法總次數(shù)為20L3+5L2+2Llog2L，其復(fù)雜為O(L3)[5]。通過(guò)上述對(duì)比可以看出，與另外2種方法相比，利用FFT進(jìn)行線性卷積計(jì)算具有一定的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，常規(guī)前導(dǎo)檢測(cè)方法沒(méi)有采取抗頻偏措施，當(dāng)存在較大頻偏時(shí)，其檢測(cè)性能將會(huì)有所下降。

2 WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分段FFT相關(guān)檢測(cè)

FFT變換實(shí)際上是將一段有限長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行周期延拓后變換到頻域的，如果直接利用分段FFT方法進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，由于數(shù)據(jù)的起始位置是隨機(jī)的，將導(dǎo)致相關(guān)峰值Cpeak會(huì)隨著2段數(shù)據(jù)的時(shí)差變化而產(chǎn)生較大的起伏，從而影響檢測(cè)效果[6-7]。

假設(shè)2個(gè)信號(hào)x1(k)和x2(k)為平穩(wěn)隨機(jī)序列，時(shí)差為T(mén)，長(zhǎng)度為N，即x2(k)=x1(k+T)。如果直接進(jìn)行FFT實(shí)現(xiàn)相關(guān)處理，在相關(guān)峰值Cpeak可以用式(1)表示：

(1)

由于x1(k)和x2(k)為平穩(wěn)隨機(jī)序列，所以有：

(2)

式中，Rx=E[x1(k)2]。

對(duì)式(1)求期望可以得到：

(3)

當(dāng)時(shí)差為T(mén)時(shí)，直接進(jìn)行FFT進(jìn)行頻域相關(guān)等效的累積時(shí)間為N-T。

為了解決上述問(wèn)題，將其中一個(gè)信號(hào)的一半置零，每次只搜索0～N/2-1的計(jì)算結(jié)果，搜索步進(jìn)為N/2，即：

(4)

將式(4)代入式(3)中，可以得到：

(5)

從式(5)可以看出，如果時(shí)差TN/2，先要步進(jìn)N/2再進(jìn)行搜索，保證相關(guān)峰值仍然落在搜索窗口內(nèi)[8-9]。

2.2 分段非相干累積

頻率偏差對(duì)相關(guān)峰值具有一定的抑制作用[10]。假設(shè)頻偏為fd，相關(guān)長(zhǎng)度為N，在時(shí)差T為0時(shí)，歸一化相關(guān)峰值表示為：

(6)

式中，Tc為碼片持續(xù)時(shí)間。

當(dāng)沒(méi)有頻偏的時(shí)候，歸一化峰值為1。隨著fd的增大相關(guān)峰值將顯著下降，并且在fd=i/(NTc)，i=1,2,3…的情況下，相關(guān)峰值甚至降為0[11]。

為了解決上述問(wèn)題，采用分段非相干累積的方法進(jìn)行相關(guān)處理。由于非相干累積使相關(guān)結(jié)果不受多普勒頻偏的影響，而且對(duì)信息翻轉(zhuǎn)也不敏感[12]。將一個(gè)較長(zhǎng)的相關(guān)計(jì)算分為多個(gè)短相關(guān)計(jì)算，然后分別求模值，再通過(guò)累加獲得最終的相關(guān)結(jié)果。

假設(shè)頻偏fd為500 Hz，分別在非相干累積次數(shù)k為1、2、4的情況下計(jì)算出相關(guān)峰值，并將其與無(wú)頻偏時(shí)進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著相關(guān)時(shí)間加長(zhǎng)，相關(guān)峰的衰減值不斷增大。非相干累積可以降低頻偏對(duì)相關(guān)峰值的影響，但是隨著累積次數(shù)的增加，這種改善的效果將逐漸降低。

圖2 非相干累積次數(shù)與相關(guān)峰值衰減的關(guān)系圖

3 WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法

利用分段FFT和非相干累積算法，這里給出一種WCDMA前導(dǎo)的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，其處理框圖如圖3所示。具體的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

① 將輸入的2倍過(guò)采樣數(shù)據(jù)分為奇、偶2路，對(duì)2路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分段FFT處理，每段長(zhǎng)度為N，步進(jìn)為N/2；② 將16個(gè)經(jīng)過(guò)加擾和解旋處理的簽名序列進(jìn)行分段，每段長(zhǎng)度為N/2，每段補(bǔ)N/2個(gè)0后進(jìn)行FFT處理，再取共軛，作為本地特征相關(guān)系數(shù)；③ 將FFT結(jié)果進(jìn)行k次延時(shí)處理，延時(shí)步進(jìn)為N，分別與16個(gè)本地特征相關(guān)系數(shù)對(duì)應(yīng)相乘，在頻域?qū)崿F(xiàn)解旋和解擾；④ 進(jìn)行IFFT運(yùn)算，將k個(gè)IFFT結(jié)果的前N/2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行求模、累積處理，將相關(guān)峰值與門(mén)限值進(jìn)行比較，如果超過(guò)門(mén)限則認(rèn)為捕獲成功，并提取對(duì)應(yīng)的簽名序列號(hào)；否則，認(rèn)為未能捕獲。

圖3 WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)處理圖

根據(jù)WCDMA相關(guān)協(xié)議規(guī)定，前導(dǎo)檢測(cè)正確的概率應(yīng)大于99.9%。為了便于進(jìn)行比較，這里使用歸一化檢測(cè)門(mén)限ThdB作為算法性能評(píng)判依據(jù)，其表達(dá)式如式(7)所示，表示在正確檢測(cè)概率為99.9%時(shí)，相關(guān)峰值高于檢測(cè)門(mén)限的程度。ThdB越小，表示相關(guān)峰值與檢測(cè)門(mén)限之比越大，就表明對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法性能越好[13]。

ThdB=10log10(Th/cPeak)。

(7)

在信噪比SNR為-10 dB，分段FFT長(zhǎng)度N為1 024時(shí)，分別在頻偏fd為0 Hz和2 kHz時(shí)對(duì)常規(guī)檢測(cè)方法和本文提出的方法進(jìn)行了仿真對(duì)比，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 歸一化檢測(cè)門(mén)限對(duì)比表

根據(jù)表1可以看出，在無(wú)頻偏的情況下，不進(jìn)行非相干累積時(shí)，2種算法的歸一化檢測(cè)門(mén)限是相同的；在進(jìn)行4次非相干累積時(shí)，本文方法的歸一化檢測(cè)門(mén)限提升了約2.6 dB。在頻偏為2 kHz時(shí)，不進(jìn)行非相干累積時(shí)，2種算法的歸一化檢測(cè)門(mén)限是相同的，比無(wú)頻偏時(shí)惡化了約3.2 dB；在進(jìn)行4次非相干累積時(shí)，本文方法的歸一化檢測(cè)門(mén)限提升了約2.2 dB。

4 WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)的FPGA實(shí)現(xiàn)

在WCDMA通信系統(tǒng)中，隨機(jī)接入過(guò)程可以分為2個(gè)子過(guò)程：一個(gè)子過(guò)程是用戶(hù)設(shè)備UE向網(wǎng)絡(luò)方發(fā)送隨機(jī)接入物理信道PRACH接入前導(dǎo)的過(guò)程；另一個(gè)子過(guò)程則是UE在獲得網(wǎng)絡(luò)方捕獲指示信道AICH發(fā)送的確認(rèn)應(yīng)答ACK后，通過(guò)PRACH發(fā)送消息部分。WCDMA通信系統(tǒng)中需要設(shè)置AICH的發(fā)射時(shí)間，這個(gè)參數(shù)的取值為0或者1，對(duì)應(yīng)的PRACH和AICH的時(shí)間偏置τp-a為1.5個(gè)或者2.5個(gè)接入時(shí)隙，其時(shí)序關(guān)系如圖4所示，其中每個(gè)接入時(shí)隙的長(zhǎng)度為5 120個(gè)碼片[14]。

根據(jù)協(xié)議要求，接入前導(dǎo)檢測(cè)的處理時(shí)間不能超過(guò)1.5個(gè)時(shí)隙，即7 680個(gè)碼片。采用全并行實(shí)現(xiàn)方式的處理時(shí)間最短，但是需要消耗大量的FPGA片上資源，從設(shè)計(jì)的可靠性和成本方面考慮都是難以接受的。由于WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)算法中對(duì)奇數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)和偶數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理完全相同，所以在FPGA設(shè)計(jì)中先處理奇數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)其最大值搜索的結(jié)果，再對(duì)偶數(shù)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照這種方式可以使資源占用量減少一半。另外，前導(dǎo)碼的碼片速率為3.84 Msps，可以選取頻率較高的FPGA工作時(shí)鐘，縮短FFT、IFFT等運(yùn)算的處理時(shí)間[15]。綜合考慮處理時(shí)延和資源占用，選擇分段FFT的長(zhǎng)度為1 024、非相干累積次數(shù)為4的情況進(jìn)行仿真。如圖5所示，當(dāng)FPGA工作時(shí)鐘為122.88 MHz時(shí)，該設(shè)計(jì)方案的處理時(shí)延為3 267個(gè)碼片，滿(mǎn)足協(xié)議要求，捕獲的簽名序列號(hào)為0。

(a) AICH發(fā)射時(shí)間設(shè)置為0

(b) AICH發(fā)射時(shí)間設(shè)置為1 圖4 AICH與PRACH的時(shí)序關(guān)系圖

圖5 WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)ModelSim仿真波形圖

以Xilinx公司V6系列315T型FPGA芯片為例，該方案的資源占用情況如表2所示。從表中可以看出，該方案中乘法器DSP48E的占用率較高，主要是由于對(duì)FFT、共軛相乘和IFFT等運(yùn)算進(jìn)行了并行實(shí)現(xiàn)，以滿(mǎn)足對(duì)處理時(shí)延的要求。

表2 資源占用表

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)WCDMA通信系統(tǒng)中接入前導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其常規(guī)檢測(cè)方法的分析，提出了一種WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。利用分段FFT和非相干累積的方法降低了前導(dǎo)檢測(cè)的處理時(shí)間，并且具有良好的抗頻偏性能。該方法已經(jīng)對(duì)商用WCDMA信號(hào)進(jìn)行了偵收測(cè)試，能夠正確、及時(shí)地檢測(cè)出接入前導(dǎo)，并且可以給出對(duì)應(yīng)的簽名序列號(hào)，為偵收PRACH消息信號(hào)中的控制和數(shù)據(jù)信息打下了基礎(chǔ)。

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A Real-time Preamble Detection in WCDMA System and Its FPGA Implementation

QUAN An1,2，LIU Chun-ran2

(1.Equipment Engineering Technology Research Laboratory,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Considering the large time windows and doppler frequency offset in the reconnaissance for WCDMA signals,a real-time detection algorithm in frequency domain is proposed by analyzing the preamble detection algorithm in the commercial WCDMA network.Segmented FFT and incoherent integration are introduced in order to shorten processing time and possess better anti-frequency offset performance.The detection performance of this algorithm is verified by a series of simulation results.Finally,the ModelSim simulation and hardware resource occupation of this algorithm are given in this paper.

WCDMA;preamble detection;segmented FFT;incoherent integration;FP

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.23

權(quán) 安，劉春冉.一種WCDMA前導(dǎo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3):95-98.

[QUAN An，LIU Chunran. A Real-time Preamble Detection in WCDMA System and Its FPGA Implementation[J].Radio Communications Technology, 2017,43(3):95-98.]

2016-12-07

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

權(quán) 安(1983—)，男，工程師,主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。劉春冉 (1983—)，女，高級(jí)工程師,主要研究方向：無(wú)線通信。

TN911

A

1003-3114(2017)03-95-4