一種WCDMA前導實時檢測方法及其FPGA實現(xiàn)

權(quán) 安，劉春冉

(1.裝備工程技術(shù)研究實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

一種WCDMA前導實時檢測方法及其FPGA實現(xiàn)

權(quán) 安1,2，劉春冉2

(1.裝備工程技術(shù)研究實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

針對WCDMA信號偵收過程中檢測時間窗口長和高速移動目標引入多普勒頻偏的問題，在對常規(guī)WCDMA前導檢測方法研究的基礎之上，提出了一種頻域WCDMA前導實時檢測方法。采用分段FFT和非相干累積進行實時前導檢測，不僅檢測處理時間短，并且對頻偏具有較強的適應性。通過仿真驗證了該方法的檢測性能，并給出了其FPGA設計的ModelSim仿真和資源占用情況。

WCDMA；前導檢測；分段FFT；非相干累積；FPGA

0 引言

在WCDMA通信系統(tǒng)中，需要通過檢測接入前導來捕獲上行擾碼相位和檢測用戶簽名序列。在前導檢測過程中，基站必須對所有可能的相位進行搜索[1]。對于常規(guī)商用WCDMA網(wǎng)絡，其小區(qū)半徑都很小，一般不超過5 km，前導檢測時只需在一個很窄的時間窗口進行搜索，約128個碼片，通常采用高速率時鐘直接相關(guān)檢測[2]或者利用快速哈達曼變換FHT進行前導檢測[3]。而在進行WCDMA信號偵收時，由于是非合作接收，偵收設備和目標之間的距離可能會遠大于常規(guī)基站的小區(qū)半徑，可能達到幾十甚至數(shù)百公里，需要在一個很大的時間窗口內(nèi)進行搜索，因此要求前導檢測必須是全時隙實時檢測。同時，WCDMA信號偵收所針對的目標可能處于高速運動的狀態(tài)，導致信號存在較大的多普勒頻偏，這就要求前導檢測算法必須對頻偏具有較高的容忍性。

1 常規(guī)WCDMA前導檢測方法

在WCDMA通信系統(tǒng)中，隨機接入過程中的前導碼長度為4 096，是由長度為16個碼片的Walsh碼重復256次組成的，并利用長擾碼進行了加擾處理[4]。常規(guī)WCDMA前導檢測方法是將解擾和解旋處理后的數(shù)據(jù)逐點進行隔16累加運算，得到每個相位對應的相關(guān)中間值，再進行快速哈達曼變換FHT完成相關(guān)值計算，最后將所有相位的相關(guān)峰值與門限比較，如果大于門限，則認為捕獲，并輸出簽名序列號，否則，認為未能捕獲。具體的處理方法如圖1所示。

圖1 常規(guī)WCDMA前導檢測處理圖

常規(guī)WCDMA前導檢測方法計算量較大，主要體現(xiàn)在2個方面：一是需要逐點進行解擾和解旋處理；二是利用快速哈達曼變換FHT進行相關(guān)運算。假設需要進行長度為L的相關(guān)運算，利用直接線性卷積方法，折合為加法總次數(shù)為(9L2+2L)/8，其復雜為O(L2)；利用FFT實現(xiàn)線性卷積，折合為加法總次數(shù)為33Llog2L+18L，其復雜為O(Llog2L)；利用FHT實現(xiàn)線性卷積，折合為加法總次數(shù)為20L3+5L2+2Llog2L，其復雜為O(L3)[5]。通過上述對比可以看出，與另外2種方法相比，利用FFT進行線性卷積計算具有一定的優(yōu)勢。同時，常規(guī)前導檢測方法沒有采取抗頻偏措施，當存在較大頻偏時，其檢測性能將會有所下降。

2 WCDMA前導實時檢測關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分段FFT相關(guān)檢測

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

假設2個信號x1(k)和x2(k)為平穩(wěn)隨機序列，時差為T，長度為N，即x2(k)=x1(k+T)。如果直接進行FFT實現(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)隨機序列，所以有：

(2)

式中，Rx=E[x1(k)2]。

對式(1)求期望可以得到：

(3)

當時差為T時，直接進行FFT進行頻域相關(guān)等效的累積時間為N-T。

為了解決上述問題，將其中一個信號的一半置零，每次只搜索0～N/2-1的計算結(jié)果，搜索步進為N/2，即：

(4)

將式(4)代入式(3)中，可以得到：

(5)

從式(5)可以看出，如果時差TN/2，先要步進N/2再進行搜索，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

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

(6)

式中，Tc為碼片持續(xù)時間。

當沒有頻偏的時候，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]。

為了解決上述問題，采用分段非相干累積的方法進行相關(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，而且對信息翻轉(zhuǎn)也不敏感[12]。將一個較長的相關(guān)計算分為多個短相關(guān)計算，然后分別求模值，再通過累加獲得最終的相關(guān)結(jié)果。

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

從圖2中可以看出，隨著相關(guān)時間加長，相關(guān)峰的衰減值不斷增大。非相干累積可以降低頻偏對相關(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前導實時檢測方法

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

① 將輸入的2倍過采樣數(shù)據(jù)分為奇、偶2路，對2路數(shù)據(jù)分別進行分段FFT處理，每段長度為N，步進為N/2；② 將16個經(jīng)過加擾和解旋處理的簽名序列進行分段，每段長度為N/2，每段補N/2個0后進行FFT處理，再取共軛，作為本地特征相關(guān)系數(shù)；③ 將FFT結(jié)果進行k次延時處理，延時步進為N，分別與16個本地特征相關(guān)系數(shù)對應相乘，在頻域?qū)崿F(xiàn)解旋和解擾；④ 進行IFFT運算，將k個IFFT結(jié)果的前N/2個點進行求模、累積處理，將相關(guān)峰值與門限值進行比較，如果超過門限則認為捕獲成功，并提取對應的簽名序列號；否則，認為未能捕獲。

圖3 WCDMA前導實時檢測處理圖

根據(jù)WCDMA相關(guān)協(xié)議規(guī)定，前導檢測正確的概率應大于99.9%。為了便于進行比較，這里使用歸一化檢測門限ThdB作為算法性能評判依據(jù)，其表達式如式(7)所示，表示在正確檢測概率為99.9%時，相關(guān)峰值高于檢測門限的程度。ThdB越小，表示相關(guān)峰值與檢測門限之比越大，就表明對應的檢測方法性能越好[13]。

ThdB=10log10(Th/cPeak)。

(7)

在信噪比SNR為-10 dB，分段FFT長度N為1 024時，分別在頻偏fd為0 Hz和2 kHz時對常規(guī)檢測方法和本文提出的方法進行了仿真對比，其統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 歸一化檢測門限對比表

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

4 WCDMA前導實時檢測的FPGA實現(xiàn)

在WCDMA通信系統(tǒng)中，隨機接入過程可以分為2個子過程：一個子過程是用戶設備UE向網(wǎng)絡方發(fā)送隨機接入物理信道PRACH接入前導的過程；另一個子過程則是UE在獲得網(wǎng)絡方捕獲指示信道AICH發(fā)送的確認應答ACK后，通過PRACH發(fā)送消息部分。WCDMA通信系統(tǒng)中需要設置AICH的發(fā)射時間，這個參數(shù)的取值為0或者1，對應的PRACH和AICH的時間偏置τp-a為1.5個或者2.5個接入時隙，其時序關(guān)系如圖4所示，其中每個接入時隙的長度為5 120個碼片[14]。

根據(jù)協(xié)議要求，接入前導檢測的處理時間不能超過1.5個時隙，即7 680個碼片。采用全并行實現(xiàn)方式的處理時間最短，但是需要消耗大量的FPGA片上資源，從設計的可靠性和成本方面考慮都是難以接受的。由于WCDMA前導實時檢測算法中對奇數(shù)點數(shù)據(jù)和偶數(shù)點數(shù)據(jù)的處理完全相同，所以在FPGA設計中先處理奇數(shù)點數(shù)據(jù)，并存儲其最大值搜索的結(jié)果，再對偶數(shù)點數(shù)據(jù)進行處理，按照這種方式可以使資源占用量減少一半。另外，前導碼的碼片速率為3.84 Msps，可以選取頻率較高的FPGA工作時鐘，縮短FFT、IFFT等運算的處理時間[15]。綜合考慮處理時延和資源占用，選擇分段FFT的長度為1 024、非相干累積次數(shù)為4的情況進行仿真。如圖5所示，當FPGA工作時鐘為122.88 MHz時，該設計方案的處理時延為3 267個碼片，滿足協(xié)議要求，捕獲的簽名序列號為0。

(a) AICH發(fā)射時間設置為0

(b) AICH發(fā)射時間設置為1 圖4 AICH與PRACH的時序關(guān)系圖

圖5 WCDMA前導實時檢測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FFT、共軛相乘和IFFT等運算進行了并行實現(xiàn)，以滿足對處理時延的要求。

表2 資源占用表

5 結(jié)束語

通過對WCDMA通信系統(tǒng)中接入前導結(jié)構(gòu)及其常規(guī)檢測方法的分析，提出了一種WCDMA前導實時檢測方法。利用分段FFT和非相干累積的方法降低了前導檢測的處理時間，并且具有良好的抗頻偏性能。該方法已經(jīng)對商用WCDMA信號進行了偵收測試，能夠正確、及時地檢測出接入前導，并且可以給出對應的簽名序列號，為偵收PRACH消息信號中的控制和數(shù)據(jù)信息打下了基礎。

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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前導實時檢測方法及其FPGA實現(xiàn)[J].無線電通信技術(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

國家部委基金資助項目

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

TN911

A

1003-3114(2017)03-95-4