復(fù)雜環(huán)境下低信噪比WCDMA信號接收系統(tǒng)總體設(shè)計?

蔣宗明

復(fù)雜環(huán)境下低信噪比WCDMA信號接收系統(tǒng)總體設(shè)計?

蔣宗明

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

根據(jù)區(qū)域內(nèi)移動通信網(wǎng)信號接收的需求，提出了一種復(fù)雜環(huán)境下低信噪比WCDMA移動通信信號接收系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，針對關(guān)鍵環(huán)節(jié)小區(qū)搜索采用了差分相干累積和RS譯碼判決等改進(jìn)措施，提高了低信噪比WCDMA信號的處理性能。仿真和實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)措施的有效性。

WCDMA通信信號；復(fù)雜環(huán)境；信號截獲；差分相干累積；RS譯碼

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，WCDMA移動通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域。相當(dāng)數(shù)量的國家和地區(qū)將WCDMA等3G通信系統(tǒng)作為應(yīng)急條件下軍事通信系統(tǒng)的有效補(bǔ)充，故WCDMA移動通信系統(tǒng)的信號截獲及分析處理在軍事乃至反恐等領(lǐng)域有著重要的意義。

在上述特殊使用環(huán)境下，需要對一定區(qū)域內(nèi)的移動通信系統(tǒng)基站、移動終端的無線信號進(jìn)行接收處理，分離并解析多個目標(biāo)基站或用戶終端信息，為系統(tǒng)決策提供依據(jù)。但此時接收系統(tǒng)面臨電磁環(huán)境復(fù)雜、信號密集交織及嚴(yán)重同頻干擾造成的目標(biāo)信號信噪比惡化等問題，故提高復(fù)雜環(huán)境下低信噪比WCDMA移動通信信號的截獲性能是必要的。

目前，公開發(fā)表的區(qū)域內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下移動通信信號處理主要針對GSM移動通信系統(tǒng)［1］，WCDMA系統(tǒng)通常針對近距離環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，采用非相干累積及硬判決等方式進(jìn)行信號處理，但這是以降低信噪比性能為代價的［2］。鑒于此，本文在進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計時對關(guān)鍵環(huán)節(jié)小區(qū)搜索進(jìn)行優(yōu)化，采用差分相干累積及RS譯碼判決等方式，提高了系統(tǒng)在低信噪比環(huán)境下取得小區(qū)同步和信息截獲處理的能力。

2 系統(tǒng)原理及組成

2.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)WCDMA移動通信協(xié)議，系統(tǒng)工作時，通過小區(qū)搜索可以獲取較大區(qū)域內(nèi)移動通信網(wǎng)的主要配置情況以及具體某小區(qū)的配置參數(shù)。首先通過SCH的同步碼（PSC及SSC）捕獲，可以實(shí)現(xiàn)時隙同步、幀同步及主擾碼組識別；通過P-CPICH捕獲，得到小區(qū)的下行主擾碼；根據(jù)小區(qū)主擾碼，檢測到BCH（P -CCPCH），并讀取系統(tǒng)消息，從而獲取小區(qū)的相關(guān)基本信息，由此截獲目標(biāo)專用信道信息并分析處理。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由接收機(jī)和信號處理終端組成，其原理框圖參見圖1～2。

（1）接收機(jī)原理及組成

接收機(jī)主要完成空中無線信號的接收及模擬基帶信號的輸出。空中信號通過天線饋入到接收機(jī)，經(jīng)低噪放大、濾波、混頻和正交解調(diào)處理后，形成I／Q分離的模擬基帶信號，輸出到信號處理終端。輸出采用AGC控制，保證了大動態(tài)范圍并提高了終端處理性能。

（2）信號處理終端原理及組成

信號處理終端實(shí)現(xiàn)模擬基帶信號的處理，完成小區(qū)搜索和信道截獲處理，解析信令和業(yè)務(wù)信息，通過I／O接口輸出處理結(jié)果。A／D采樣后的數(shù)據(jù)輸入FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA單元完成時隙同步、幀同步和主擾碼識別，并輸出捕獲指示和擾碼信息；然后由功能控制模塊通知基帶處理開始接收下行公共控制信道，通過FPGA對該信道進(jìn)行Rake接收和解調(diào)，其處理結(jié)果送往DSP進(jìn)行信號處理，判斷是否為基站下行公共控制信道信號并進(jìn)行配置參數(shù)解析，然后根據(jù)系統(tǒng)指令接收處理業(yè)務(wù)信道信息。處理結(jié)束后結(jié)果通過I／O接口輸出。在FPGA中實(shí)現(xiàn)RAKE接收的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)且處理效率較高，在有效降低多徑效應(yīng)不良影響的同時提高了靈敏度。

（3）檢測電路原理

終端接收上級系統(tǒng)的自檢指令完成自檢。接收機(jī)頻率源的頻綜鎖定信號作為狀態(tài)顯示信號輸出，功能控制模塊可以據(jù)此判斷頻率源及本振是否正常工作。對FPGA和DSP的自檢通過內(nèi)部檢測協(xié)議完成，可以判斷FPGA和DSP工作是否正常。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

（1）同步碼檢測優(yōu)化技術(shù)

為提高低信噪比環(huán)境下的主輔同步碼檢測性能，應(yīng)該盡量減小基帶信號處理時的頻偏，故在接收機(jī)中采用高精度頻綜以提高輸出信號頻率精度。設(shè)計中采用0.1 ppm的溫補(bǔ)晶振和高精度鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻綜電路，令接收機(jī)輸出基帶信號頻偏降低到±0.5 kHz，提高了同步性能。

（2）時隙同步優(yōu)化技術(shù)

通常在WCDMA系統(tǒng)設(shè)計中，為克服信道衰落和噪聲對P-SCH捕獲性能的影響，不同時隙的PSCH匹配濾波結(jié)果需要通過非相干方式進(jìn)行累積，可以提高頻偏環(huán)境下P-SCH捕獲性能，但這是以降低信噪比性能為代價的。為提高低信噪比環(huán)境下的同步性能，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了分段差分相關(guān)累積，保證了存在頻差時的同步性能［3］。該方案需要較多的計算資源，但是在現(xiàn)有硬件條件下是可以接受的。

（3）幀同步優(yōu)化技術(shù)

低信噪比環(huán)境下進(jìn)行幀同步時，單個輔同步碼檢測有一定的錯誤概率，需要多幀累積后進(jìn)行譯碼判決。系統(tǒng)采用RS譯碼器完成WCDMA輔同步碼譯碼，實(shí)現(xiàn)了主擾碼組的RS譯碼判決，在累積結(jié)果中誤碼數(shù)不大于6時能正確譯碼，提高了同步性能。

（4）導(dǎo)頻捕獲性能優(yōu)化技術(shù)

在導(dǎo)頻捕獲時引入計分競賽方式進(jìn)行主擾碼判決，對比常用的非相干累積判決方式，提高了低信噪比環(huán)境下導(dǎo)頻捕獲性能［4］。對于邏輯復(fù)雜度增加的問題，在FPGA中使用控制轉(zhuǎn)移狀態(tài)機(jī)解決。

（5）接收天線優(yōu)化技術(shù)

為避免復(fù)雜城市環(huán)境下目標(biāo)及觀測者鄰近小區(qū)的同頻信號對接收的不利影響，使用小型化高指向性天線保證天線增益并抑制背景信號的干擾，提高信號接收信噪比。設(shè)計時采用垂直極化的多陣元微帶天線，將3 dB波束寬度降低到8°，則距離5 km處覆蓋的區(qū)域直徑約為702 m，小于標(biāo)準(zhǔn)的宏小區(qū)基站距離，可以滿足使用要求。

（6）截獲信號分級判決處理技術(shù)

根據(jù)WCDMA系統(tǒng)原理，導(dǎo)頻信道的捕獲要求低于同步信道的捕獲條件，在結(jié)果處理時需要對不同信噪比的移動通信信號進(jìn)行分級處理。在信噪比較高情況下，可以和目標(biāo)小區(qū)同步并獲取詳細(xì)目標(biāo)信息，為進(jìn)一步的措施提供引導(dǎo)；在信噪比惡化情況下，無法通過同步信道同步時，通過導(dǎo)頻信道的捕獲和解析可以得到WCDMA信號載波頻率等信息，將同步信道解析情況和導(dǎo)頻信道解析情況綜合處理，為上級系統(tǒng)的決策提供參考，同時為區(qū)域性的通信對抗措施提供依據(jù)。

4 性能參數(shù)計算及分析

4.1 接收靈敏度

系統(tǒng)接收靈敏度取決于接收范圍和具體的應(yīng)用環(huán)境。典型的WCDMA基站通常采用天線下傾布置，根據(jù)所在的城市、郊區(qū)或野外環(huán)境進(jìn)行小區(qū)的規(guī)劃，確定天線角度和覆蓋范圍。同時，由于城市建筑及野外山體樹木遮擋，電磁波實(shí)際路徑損耗需要按照相關(guān)的傳播模型計算，目前ESTI推薦使用COST -231-Walfish-Ikegami模型。

根據(jù)該模型，按照最大損耗路徑進(jìn)行計算，在非視距傳播環(huán)境下計算路徑損耗的表達(dá)式（單位為dB）如下：

式中，Lo表示自由空間損耗，Lrts為屋頂?shù)浇置娴难苌浜蜕⑸鋼p耗，Lmsd為多遮蔽物衍射損耗，Lrts和Lmsd是非視距參數(shù)的函數(shù)。

按照中國聯(lián)通城市環(huán)境典型基站參數(shù)建立模型，以計算不同距離上基站信號強(qiáng)度。典型WCDMA基站采用雙極化天線，頻率覆蓋GSM到WCDMA頻段，下傾角6°，3 dB波束寬度11°，最大增益14 dBi，基站發(fā)射總功率10 W，各信道功率分配按典型值計算，建筑物平均高度30 m，則不同距離和高度上接收到的基站信號強(qiáng)度如表1所示。

根據(jù)表1結(jié)果，對5 km距離內(nèi)基站信號進(jìn)行接收，天線增益為12 dBi且饋線損耗3 dB時，接收靈敏度為-100 dB即可滿足接收要求，并留有約5 dB余量，能保證目標(biāo)小區(qū)信號快速衰減時對弱信號的接收。

4.2 同步性能仿真

使用MATLAB對上述方案進(jìn)行驗(yàn)證。相對于信道總功率，同步信道及主公共導(dǎo)頻信道功率均為-10 dB，高斯白噪聲信道環(huán)境，接收小區(qū)下行信號頻偏為3 kHz，信號接收時采用10幀相關(guān)值累積，分別在非相干及差分相干等方案下，完成200次獨(dú)立小區(qū)同步以計算小區(qū)同步概率，結(jié)果如圖3所示。

4.3 導(dǎo)頻捕獲性能仿真

使用MATLAB對上述方案進(jìn)行驗(yàn)證。分別對256 chip及512 chip分段條件下的計分競賽和非相干累積方法進(jìn)行仿真對比，其余條件參見4.2節(jié)，完成200次獨(dú)立導(dǎo)頻捕獲以計算錯誤概率，結(jié)果如圖4所示。

4.4 仿真結(jié)果分析

從圖3可知，信噪比降低到-24 dB時，小區(qū)同步性能開始以較快速度惡化，此時相干累積方案由于頻偏的存在已經(jīng)無法完成同步，但在相同錯誤概率下，2分段差分相干累積性能優(yōu)于非相干累積約2 dB。由圖4可知，計分競賽方案導(dǎo)頻捕獲性能最優(yōu)，且分段較小時性能較好。同時，低信噪比環(huán)境下導(dǎo)頻捕獲性能優(yōu)于同步性能約5 dB，這是由于導(dǎo)頻信號具有擴(kuò)頻增益的緣故。所以系統(tǒng)性能主要取決于小區(qū)同步性能，設(shè)計時應(yīng)該以小區(qū)同步性能的提高作為重點(diǎn)。

利用Agilent E5515C內(nèi)置WCDMA模塊的驗(yàn)證測試表明，在高斯白噪聲環(huán)境下10 562～10 838頻道接收時，同步檢測性能優(yōu)于改進(jìn)前約2 dB，證明措施是有效的。

5 結(jié)論

在移動通信系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛的環(huán)境下，對區(qū)域內(nèi)的移動通信信號的接收和處理是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。本文提出了一種復(fù)雜環(huán)境下WCDMA信號接收處理的系統(tǒng)總體方案，并在工程中得以應(yīng)用。具體實(shí)驗(yàn)表明，采用該方案的系統(tǒng)架構(gòu)先進(jìn)，低信噪比性能優(yōu)于常規(guī)的非相干累積和硬判決同步性能，提高了對大范圍內(nèi)移動通信信號的截獲和處理能力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是輕型化、快速化（截獲快、解析快），重點(diǎn)在于發(fā)展智能天線、擴(kuò)頻信號高效處理算法及高速信號處理硬件，提高設(shè)備的軟件化水平，使其能夠滿足更有彈性的任務(wù)需要，應(yīng)用于更加廣闊的領(lǐng)域。

［1］張浩，鐘子發(fā)，王紅軍.GSM公共信道中FCCH的同頻分離與捕獲［J］.通信對抗，2006（1）：36-38.

ZHANG Hao，ZHONG Zi-fa，WANG Hong-jun.Separation and Capture of Cochannel FCCH in GSM［J］.Communication Countermeasures，2006（1）：36-38.（in Chinese）

［2］Liao Deng，Qiu Dong-yu，Elhakeem Ahmed K.New Code Synchronization Algorithm for the Secondary Cell-search Stage in WCDMA［C］／／Proceedings of International Conference on Communication Software and Networks.Chengdu，China：IEEE，2009：87-92.

［3］Kang Min Lee，Ji Yong Chun.An Initial Cell Search Scheme Robust to Frequency Errorin W CDMA System［C］／／Proceedings of International Conference on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.London，UK：IEEE，2000：1400-1404.

［4］Sheen Wern-Ho，Ho Jan-Shin，Chu Yuan-Sun，et al. Cell Search in WCDMA Under Large-Frequency and Clock Errors：Algorithms to Hardware Implementation［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Fundamental Theory and Applications，2008，55（2）：659-671.

Design of Low SNR WCDMA Signal Reconnaissance System in Complex Environment

JIANG Zong-ming
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

According to the signal reconnaissance of mobile communication system in a certain area，a top design of low SNR WCDMA mobile communication signal receiving and processing system in complex environment is introduced.An optimized cell search scheme is adopted by using differential coherent accumulation and RS decoder and the performance of low SNR WCDMA signal processing is improved.Computation and experiment confirm the effectiveness of the optimized scheme.

WCDMA signal；complex environment；signal reconnaissance；differential coherent accumulation；RS decoder

?不同高度上接收到不同距離基站的信號強(qiáng)度 Table 1

高度5 km／m信號強(qiáng)度／dBm距離1 km距離2 km距離4 km距離2-84.1-90.1-96.1-98.0 20-75.1-81.1-87.2-89.1 40-60.1-66.1-72.1-74.1

TN929.533

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.004

蔣宗明（1975—），男，四川自貢人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ艑埂?/p>

1001-893X（2012）07-1075-04

2012-04-26；

2012-05-25

JIANG Zong-ming was born in Zigong，Sichuan Province，in 1975.He received the M.S.degree in 2005.He is now an engineer.His research concerns communication countermeasures.

Email：jjjmy＠sina.com