低信噪比環(huán)境下WCDMA小區(qū)搜索的FPGA實現(xiàn)

蔣宗明

（中國西南電子技術研究所 四川 成都 610036）

作為廣泛使用的第三代移動通信系統(tǒng)，WCDMA系統(tǒng)小區(qū)間通過不同的下行擾碼進行區(qū)分，為此引入了小區(qū)搜索的概念。用戶終端在進入小區(qū)時，需要進行小區(qū)搜索，與當前小區(qū)基站取得同步并獲取小區(qū)配置信息。

顯然，小區(qū)搜索過程決定了終端性能，是終端設備的重要功能之一。接收信號信噪比是影響小區(qū)搜索的主要因素之一，尤其是在網(wǎng)優(yōu)、電子對抗和反恐等需要對大范圍內(nèi)的小區(qū)進行普查時；故加強低信噪比環(huán)境下小區(qū)搜索性能有利于提高設備的性能。目前用戶設備在小區(qū)搜索時通常采用較易實現(xiàn)的非相干累加合并和硬譯碼方式[1-2]，但這是以降低信噪比性能為代價的。因此根據(jù)具體工程應用背景下的設備研發(fā)需求，對低信噪比環(huán)境下的小區(qū)搜索進行優(yōu)化有重要意義。

1 工作原理及組成

小區(qū)搜索過程通常分3個步驟進行。

1）通過主同步信道（P-SCH）實現(xiàn)時隙同步。

WCDMA系統(tǒng)的所有小區(qū)都使用相同的PSC碼，并且統(tǒng)一在每個時隙的開始廣播，所以可以采用PSC碼檢測的方法來實現(xiàn)小區(qū)的時隙同步。

2）通過輔同步信道（S-SCH）實現(xiàn)幀同步以及碼組識別。

SSC碼序列是以幀為周期發(fā)送，每幀內(nèi)各時隙的SSC碼都是固定的，所以根據(jù)小區(qū)的SSC碼排列方式，可以識別小區(qū)使用的擾碼組號，而且?guī)鹗嘉恢靡驳玫酱_定。

3）通過主公共導頻信道（P-CPICH）完成主擾碼識別。

利用小區(qū)使用擾碼組中的8個主擾碼對P-CPICH進行相關計算，識別獲取該小區(qū)所使用的下行主擾碼。

到此終端完成小區(qū)的搜索過程，隨后根據(jù)前述信息完成信道估計，獲取BCH廣播信息，完成小區(qū)識別。

小區(qū)搜索功能的實現(xiàn)由數(shù)個具體的功能單元組成。其中，狀態(tài)控制實現(xiàn)整個搜索流程的控制以及與外部接口通信，主/輔同步碼捕獲完成對PSC和SSC的捕獲，導頻捕獲完成導頻信道的檢測判決并輸出主擾碼。

2 實現(xiàn)方案

2.1 狀態(tài)控制實現(xiàn)

狀態(tài)控制功能由狀態(tài)機實現(xiàn)，具體狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖1所示。

圖1 狀態(tài)控制功能的狀態(tài)機實現(xiàn)Fig.1 Implement of state machine for control function

狀態(tài)機在空閑時接收到小區(qū)搜索指令后跳轉(zhuǎn)到主同步捕獲狀態(tài)，根據(jù)檢測結(jié)果依次跳轉(zhuǎn)到輔同步捕獲和導頻檢測狀態(tài)，導頻捕獲且檢測通過后上報同步和主擾碼信息。導頻檢測驗證未能通過或者各狀態(tài)多次無法捕獲，則判斷時隙同步檢測不準確，返回重新進行小區(qū)搜索。

2.2 主同步碼捕獲

主同步碼通常使用PSC碼的匹配濾波器完成檢測，但是硬件實現(xiàn)時考慮到256階匹配濾波器資源占用較大，一般使用改進的濾波器實現(xiàn)方式[3-4]。而在工程應用時，為提高接收性能，通常采用過采樣，則8倍過采樣條件下的一種改進匹配濾波器如圖2所示。顯然，改進后的濾波器僅有10個延時單元和14個加法運算器，大大節(jié)約了資源損耗。

在WCDMA系統(tǒng)設計中，為克服信道衰落、干擾和噪聲的對P-SCH捕獲性能的影響，不同時隙的P-SCH匹配濾波結(jié)果需要通過相干、非相干或者差分相干累加等不同的方式進行累積，提高頻偏、低信噪比環(huán)境下P-SCH捕獲性能。

圖2 主同步碼匹配濾波器的優(yōu)化設計Fig.2 Optimized design of PSC mached filter

一般而言，相干累加能夠很好地抵抗噪聲對匹配濾波器的輸出影響，因此，在接收信號相位確定的情況下，該方式的性能表現(xiàn)良好；但在信道衰落和移動環(huán)境下導致接收信號相位不確定，或者存在頻偏的情況下，相干累加的性能急劇下降，此時非相干累加方法相對更具優(yōu)勢；而2分段差分相干具有前兩者的優(yōu)點[5]，所以綜合權衡后在累加實現(xiàn)時采用2分段差分相干累加，具體實現(xiàn)方式參如圖3所示。

圖3 差分相干累加的實現(xiàn)Fig.3 Implement of differential coherent accumulation

2.3 輔同步碼捕獲

SSC碼有16種類型，在一個無線幀中包括15個，所以一幀內(nèi)需要對進行15×16=240次相關檢測，積累N個時隙后，將得到的SSC碼排序方式進行處理，即可得到小區(qū)所屬碼組。

顯然，SSC碼的相關檢測設計中，16個相關檢測器對硬件設計是一個巨大的負擔，需要進行優(yōu)化設計。由于SSC碼的生成特性，在與序列Z作乘法運算，SSC碼就轉(zhuǎn)化成hardmard序列；這樣輔同步就可以簡化為解擴信號與16個256 bit的已知hardmard序列相關，該過程可以通過快速哈達瑪變換（FHT）來實現(xiàn)[6]，而該變換可以通過蝶形算法方便的在FPGA中實現(xiàn)。

在低信噪比環(huán)境下，單個時隙輔同步碼檢測存在一定的錯誤概率，不能簡單的使用似然判決，需要性能較好且便于FPGA實現(xiàn)的RS譯碼算法。常用的譯碼方式有硬譯碼和軟譯碼，后者在低信噪比環(huán)境及差分相干累加條件下具有更好的性能[7]，故設計時采用軟譯碼方式以得到更好的性能。

2.4 導頻信道捕獲

WCDMA導頻信道信息碼為全1，使用固定的信道化碼（OVSF）與其他信道區(qū)分，并使用當前小區(qū)的主擾碼加擾以區(qū)分不同小區(qū)。通過同步取得小區(qū)主擾碼碼組后，將接收到的導頻信號分別與主擾碼組的8個不同擾碼進行解擾，然后與固定的擴頻碼Csp，256，0相關解擴，最后對相關結(jié)果進行判決以確定實際使用碼組。為在低信噪比環(huán)境下提高捕獲性能，一般可以采用計分競賽方式[8]和相關值非相干累加方式。仿真計算表明，計分方式要優(yōu)于后者，故實現(xiàn)時采用計分競賽方式。

3 主要性能仿真及測試

3.1 性能仿真

仿真條件：參考3GPP協(xié)議文獻及測試儀器設置，發(fā)送信道及其功率分配如下表1所示，高斯白噪聲環(huán)境，頻偏為6 kHz，仿真統(tǒng)計500幀，使用10幀累加后判決。則不同信噪比條件下，改進后（2分段差分相干累加+RS軟譯碼）對比改進前 （非相干累加+RS硬譯碼）的小區(qū)搜索成功概率如圖4所示?？梢妰?yōu)化方案低信噪比環(huán)境下性能較好。

表1 信道參數(shù)設置方式Tab.1 Parameters configuration of the channels

圖4 優(yōu)化方案性能對比Fig.4 Performance of the optimized and normal scheme

3.2 測試結(jié)果

采用Xilinx公司Vertex II FPGA完成硬件設計，采樣速率采用8倍過采樣為30.72 MHz，狀態(tài)機和流水線工作在4倍采樣時鐘即122.88 MHz，使用ISE10.1完成HDL開發(fā)。設計完成后利用安捷倫無線通訊測試儀E5515C的WCDMA模塊進行硬件性能測試，在高斯白噪聲環(huán)境下檢測性能，儀器參數(shù)設置方式參見如表1所示，其中信道功率按照大型城市環(huán)境下室外基站信號強度的典型值選取。實驗結(jié)果表明，在信道功率取-75 dBm時，相同檢測概率下設備低信噪比同步性能優(yōu)于改進前方案約2 dB，考慮到硬件實現(xiàn)時的系統(tǒng)損耗，則實驗結(jié)果與仿真相符，證明上述措施是有效的。

4 結(jié) 論

小區(qū)搜索的性能在很大程度上決定了WCDMA終端設備的性能，在設備研發(fā)中，提高快衰信道和低信噪比環(huán)境下的基帶處理性能有重要的意義。通過研究小區(qū)搜索優(yōu)化算法，在硬件資源有限的條件下，采用針對性的實現(xiàn)方案，提高了低信噪比環(huán)境下的小區(qū)搜索性能，其結(jié)果得到實驗驗證。

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