低信噪比环境下WCDMA小区搜索的FPGA实现

蒋宗明

（中国西南电子技术研究所 四川 成都 610036）

作为广泛使用的第三代移动通信系统，WCDMA系统小区间通过不同的下行扰码进行区分，为此引入了小区搜索的概念。用户终端在进入小区时，需要进行小区搜索，与当前小区基站取得同步并获取小区配置信息。

显然，小区搜索过程决定了终端性能，是终端设备的重要功能之一。接收信号信噪比是影响小区搜索的主要因素之一，尤其是在网优、电子对抗和反恐等需要对大范围内的小区进行普查时；故加强低信噪比环境下小区搜索性能有利于提高设备的性能。目前用户设备在小区搜索时通常采用较易实现的非相干累加合并和硬译码方式[1-2]，但这是以降低信噪比性能为代价的。因此根据具体工程应用背景下的设备研发需求，对低信噪比环境下的小区搜索进行优化有重要意义。

1 工作原理及组成

小区搜索过程通常分3个步骤进行。

1）通过主同步信道（P-SCH）实现时隙同步。

WCDMA系统的所有小区都使用相同的PSC码，并且统一在每个时隙的开始广播，所以可以采用PSC码检测的方法来实现小区的时隙同步。

2）通过辅同步信道（S-SCH）实现帧同步以及码组识别。

SSC码序列是以帧为周期发送，每帧内各时隙的SSC码都是固定的，所以根据小区的SSC码排列方式，可以识别小区使用的扰码组号，而且帧起始位置也得到确定。

3）通过主公共导频信道（P-CPICH）完成主扰码识别。

利用小区使用扰码组中的8个主扰码对P-CPICH进行相关计算，识别获取该小区所使用的下行主扰码。

到此终端完成小区的搜索过程，随后根据前述信息完成信道估计，获取BCH广播信息，完成小区识别。

小区搜索功能的实现由数个具体的功能单元组成。其中，状态控制实现整个搜索流程的控制以及与外部接口通信，主/辅同步码捕获完成对PSC和SSC的捕获，导频捕获完成导频信道的检测判决并输出主扰码。

2 实现方案

2.1 状态控制实现

状态控制功能由状态机实现，具体状态转移图如图1所示。

图1 状态控制功能的状态机实现Fig.1 Implement of state machine for control function

状态机在空闲时接收到小区搜索指令后跳转到主同步捕获状态，根据检测结果依次跳转到辅同步捕获和导频检测状态，导频捕获且检测通过后上报同步和主扰码信息。导频检测验证未能通过或者各状态多次无法捕获，则判断时隙同步检测不准确，返回重新进行小区搜索。

2.2 主同步码捕获

主同步码通常使用PSC码的匹配滤波器完成检测，但是硬件实现时考虑到256阶匹配滤波器资源占用较大，一般使用改进的滤波器实现方式[3-4]。而在工程应用时，为提高接收性能，通常采用过采样，则8倍过采样条件下的一种改进匹配滤波器如图2所示。显然，改进后的滤波器仅有10个延时单元和14个加法运算器，大大节约了资源损耗。

在WCDMA系统设计中，为克服信道衰落、干扰和噪声的对P-SCH捕获性能的影响，不同时隙的P-SCH匹配滤波结果需要通过相干、非相干或者差分相干累加等不同的方式进行累积，提高频偏、低信噪比环境下P-SCH捕获性能。

图2 主同步码匹配滤波器的优化设计Fig.2 Optimized design of PSC mached filter

一般而言，相干累加能够很好地抵抗噪声对匹配滤波器的输出影响，因此，在接收信号相位确定的情况下，该方式的性能表现良好；但在信道衰落和移动环境下导致接收信号相位不确定，或者存在频偏的情况下，相干累加的性能急剧下降，此时非相干累加方法相对更具优势；而2分段差分相干具有前两者的优点[5]，所以综合权衡后在累加实现时采用2分段差分相干累加，具体实现方式参如图3所示。

图3 差分相干累加的实现Fig.3 Implement of differential coherent accumulation

2.3 辅同步码捕获

SSC码有16种类型，在一个无线帧中包括15个，所以一帧内需要对进行15×16=240次相关检测，积累N个时隙后，将得到的SSC码排序方式进行处理，即可得到小区所属码组。

显然，SSC码的相关检测设计中，16个相关检测器对硬件设计是一个巨大的负担，需要进行优化设计。由于SSC码的生成特性，在与序列Z作乘法运算，SSC码就转化成hardmard序列；这样辅同步就可以简化为解扩信号与16个256 bit的已知hardmard序列相关，该过程可以通过快速哈达玛变换（FHT）来实现[6]，而该变换可以通过蝶形算法方便的在FPGA中实现。

在低信噪比环境下，单个时隙辅同步码检测存在一定的错误概率，不能简单的使用似然判决，需要性能较好且便于FPGA实现的RS译码算法。常用的译码方式有硬译码和软译码，后者在低信噪比环境及差分相干累加条件下具有更好的性能[7]，故设计时采用软译码方式以得到更好的性能。

2.4 导频信道捕获

WCDMA导频信道信息码为全1，使用固定的信道化码（OVSF）与其他信道区分，并使用当前小区的主扰码加扰以区分不同小区。通过同步取得小区主扰码码组后，将接收到的导频信号分别与主扰码组的8个不同扰码进行解扰，然后与固定的扩频码Csp，256，0相关解扩，最后对相关结果进行判决以确定实际使用码组。为在低信噪比环境下提高捕获性能，一般可以采用计分竞赛方式[8]和相关值非相干累加方式。仿真计算表明，计分方式要优于后者，故实现时采用计分竞赛方式。

3 主要性能仿真及测试

3.1 性能仿真

仿真条件：参考3GPP协议文献及测试仪器设置，发送信道及其功率分配如下表1所示，高斯白噪声环境，频偏为6 kHz，仿真统计500帧，使用10帧累加后判决。则不同信噪比条件下，改进后（2分段差分相干累加+RS软译码）对比改进前 （非相干累加+RS硬译码）的小区搜索成功概率如图4所示。可见优化方案低信噪比环境下性能较好。

表1 信道参数设置方式Tab.1 Parameters configuration of the channels

图4 优化方案性能对比Fig.4 Performance of the optimized and normal scheme

3.2 测试结果

采用Xilinx公司Vertex II FPGA完成硬件设计，采样速率采用8倍过采样为30.72 MHz，状态机和流水线工作在4倍采样时钟即122.88 MHz，使用ISE10.1完成HDL开发。设计完成后利用安捷伦无线通讯测试仪E5515C的WCDMA模块进行硬件性能测试，在高斯白噪声环境下检测性能，仪器参数设置方式参见如表1所示，其中信道功率按照大型城市环境下室外基站信号强度的典型值选取。实验结果表明，在信道功率取-75 dBm时，相同检测概率下设备低信噪比同步性能优于改进前方案约2 dB，考虑到硬件实现时的系统损耗，则实验结果与仿真相符，证明上述措施是有效的。

4 结 论

小区搜索的性能在很大程度上决定了WCDMA终端设备的性能，在设备研发中，提高快衰信道和低信噪比环境下的基带处理性能有重要的意义。通过研究小区搜索优化算法，在硬件资源有限的条件下，采用针对性的实现方案，提高了低信噪比环境下的小区搜索性能，其结果得到实验验证。

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