一种WCDMA前导实时检测方法及其FPGA实现

权 安，刘春冉

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

一种WCDMA前导实时检测方法及其FPGA实现

权 安1,2，刘春冉2

(1.装备工程技术研究实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

针对WCDMA信号侦收过程中检测时间窗口长和高速移动目标引入多普勒频偏的问题，在对常规WCDMA前导检测方法研究的基础之上，提出了一种频域WCDMA前导实时检测方法。采用分段FFT和非相干累积进行实时前导检测，不仅检测处理时间短，并且对频偏具有较强的适应性。通过仿真验证了该方法的检测性能，并给出了其FPGA设计的ModelSim仿真和资源占用情况。

WCDMA；前导检测；分段FFT；非相干累积；FPGA

0 引言

在WCDMA通信系统中，需要通过检测接入前导来捕获上行扰码相位和检测用户签名序列。在前导检测过程中，基站必须对所有可能的相位进行搜索[1]。对于常规商用WCDMA网络，其小区半径都很小，一般不超过5 km，前导检测时只需在一个很窄的时间窗口进行搜索，约128个码片，通常采用高速率时钟直接相关检测[2]或者利用快速哈达曼变换FHT进行前导检测[3]。而在进行WCDMA信号侦收时，由于是非合作接收，侦收设备和目标之间的距离可能会远大于常规基站的小区半径，可能达到几十甚至数百公里，需要在一个很大的时间窗口内进行搜索，因此要求前导检测必须是全时隙实时检测。同时，WCDMA信号侦收所针对的目标可能处于高速运动的状态，导致信号存在较大的多普勒频偏，这就要求前导检测算法必须对频偏具有较高的容忍性。

1 常规WCDMA前导检测方法

在WCDMA通信系统中，随机接入过程中的前导码长度为4 096，是由长度为16个码片的Walsh码重复256次组成的，并利用长扰码进行了加扰处理[4]。常规WCDMA前导检测方法是将解扰和解旋处理后的数据逐点进行隔16累加运算，得到每个相位对应的相关中间值，再进行快速哈达曼变换FHT完成相关值计算，最后将所有相位的相关峰值与门限比较，如果大于门限，则认为捕获，并输出签名序列号，否则，认为未能捕获。具体的处理方法如图1所示。

图1 常规WCDMA前导检测处理图

常规WCDMA前导检测方法计算量较大，主要体现在2个方面：一是需要逐点进行解扰和解旋处理；二是利用快速哈达曼变换FHT进行相关运算。假设需要进行长度为L的相关运算，利用直接线性卷积方法，折合为加法总次数为(9L2+2L)/8，其复杂为O(L2)；利用FFT实现线性卷积，折合为加法总次数为33Llog2L+18L，其复杂为O(Llog2L)；利用FHT实现线性卷积，折合为加法总次数为20L3+5L2+2Llog2L，其复杂为O(L3)[5]。通过上述对比可以看出，与另外2种方法相比，利用FFT进行线性卷积计算具有一定的优势。同时，常规前导检测方法没有采取抗频偏措施，当存在较大频偏时，其检测性能将会有所下降。

2 WCDMA前导实时检测关键技术

2.1 分段FFT相关检测

FFT变换实际上是将一段有限长的数据进行周期延拓后变换到频域的，如果直接利用分段FFT方法进行相关检测，由于数据的起始位置是随机的，将导致相关峰值Cpeak会随着2段数据的时差变化而产生较大的起伏，从而影响检测效果[6-7]。

假设2个信号x1(k)和x2(k)为平稳随机序列，时差为T，长度为N，即x2(k)=x1(k+T)。如果直接进行FFT实现相关处理，在相关峰值Cpeak可以用式(1)表示：

(1)

由于x1(k)和x2(k)为平稳随机序列，所以有：

(2)

式中，Rx=E[x1(k)2]。

对式(1)求期望可以得到：

(3)

当时差为T时，直接进行FFT进行频域相关等效的累积时间为N-T。

为了解决上述问题，将其中一个信号的一半置零，每次只搜索0～N/2-1的计算结果，搜索步进为N/2，即：

(4)

将式(4)代入式(3)中，可以得到：

(5)

从式(5)可以看出，如果时差TN/2，先要步进N/2再进行搜索，保证相关峰值仍然落在搜索窗口内[8-9]。

2.2 分段非相干累积

频率偏差对相关峰值具有一定的抑制作用[10]。假设频偏为fd，相关长度为N，在时差T为0时，归一化相关峰值表示为：

(6)

式中，Tc为码片持续时间。

当没有频偏的时候，归一化峰值为1。随着fd的增大相关峰值将显著下降，并且在fd=i/(NTc)，i=1,2,3…的情况下，相关峰值甚至降为0[11]。

为了解决上述问题，采用分段非相干累积的方法进行相关处理。由于非相干累积使相关结果不受多普勒频偏的影响，而且对信息翻转也不敏感[12]。将一个较长的相关计算分为多个短相关计算，然后分别求模值，再通过累加获得最终的相关结果。

假设频偏fd为500 Hz，分别在非相干累积次数k为1、2、4的情况下计算出相关峰值，并将其与无频偏时进行比较，其结果如图2所示。

从图2中可以看出，随着相关时间加长，相关峰的衰减值不断增大。非相干累积可以降低频偏对相关峰值的影响，但是随着累积次数的增加，这种改善的效果将逐渐降低。

图2 非相干累积次数与相关峰值衰减的关系图

3 WCDMA前导实时检测方法

利用分段FFT和非相干累积算法，这里给出一种WCDMA前导的实时检测方法，其处理框图如图3所示。具体的实现步骤如下：

① 将输入的2倍过采样数据分为奇、偶2路，对2路数据分别进行分段FFT处理，每段长度为N，步进为N/2；② 将16个经过加扰和解旋处理的签名序列进行分段，每段长度为N/2，每段补N/2个0后进行FFT处理，再取共轭，作为本地特征相关系数；③ 将FFT结果进行k次延时处理，延时步进为N，分别与16个本地特征相关系数对应相乘，在频域实现解旋和解扰；④ 进行IFFT运算，将k个IFFT结果的前N/2个点进行求模、累积处理，将相关峰值与门限值进行比较，如果超过门限则认为捕获成功，并提取对应的签名序列号；否则，认为未能捕获。

图3 WCDMA前导实时检测处理图

根据WCDMA相关协议规定，前导检测正确的概率应大于99.9%。为了便于进行比较，这里使用归一化检测门限ThdB作为算法性能评判依据，其表达式如式(7)所示，表示在正确检测概率为99.9%时，相关峰值高于检测门限的程度。ThdB越小，表示相关峰值与检测门限之比越大，就表明对应的检测方法性能越好[13]。

ThdB=10log10(Th/cPeak)。

(7)

在信噪比SNR为-10 dB，分段FFT长度N为1 024时，分别在频偏fd为0 Hz和2 kHz时对常规检测方法和本文提出的方法进行了仿真对比，其统计结果如表1所示。

表1 归一化检测门限对比表

根据表1可以看出，在无频偏的情况下，不进行非相干累积时，2种算法的归一化检测门限是相同的；在进行4次非相干累积时，本文方法的归一化检测门限提升了约2.6 dB。在频偏为2 kHz时，不进行非相干累积时，2种算法的归一化检测门限是相同的，比无频偏时恶化了约3.2 dB；在进行4次非相干累积时，本文方法的归一化检测门限提升了约2.2 dB。

4 WCDMA前导实时检测的FPGA实现

在WCDMA通信系统中，随机接入过程可以分为2个子过程：一个子过程是用户设备UE向网络方发送随机接入物理信道PRACH接入前导的过程；另一个子过程则是UE在获得网络方捕获指示信道AICH发送的确认应答ACK后，通过PRACH发送消息部分。WCDMA通信系统中需要设置AICH的发射时间，这个参数的取值为0或者1，对应的PRACH和AICH的时间偏置τp-a为1.5个或者2.5个接入时隙，其时序关系如图4所示，其中每个接入时隙的长度为5 120个码片[14]。

根据协议要求，接入前导检测的处理时间不能超过1.5个时隙，即7 680个码片。采用全并行实现方式的处理时间最短，但是需要消耗大量的FPGA片上资源，从设计的可靠性和成本方面考虑都是难以接受的。由于WCDMA前导实时检测算法中对奇数点数据和偶数点数据的处理完全相同，所以在FPGA设计中先处理奇数点数据，并存储其最大值搜索的结果，再对偶数点数据进行处理，按照这种方式可以使资源占用量减少一半。另外，前导码的码片速率为3.84 Msps，可以选取频率较高的FPGA工作时钟，缩短FFT、IFFT等运算的处理时间[15]。综合考虑处理时延和资源占用，选择分段FFT的长度为1 024、非相干累积次数为4的情况进行仿真。如图5所示，当FPGA工作时钟为122.88 MHz时，该设计方案的处理时延为3 267个码片，满足协议要求，捕获的签名序列号为0。

(a) AICH发射时间设置为0

(b) AICH发射时间设置为1 图4 AICH与PRACH的时序关系图

图5 WCDMA前导实时检测ModelSim仿真波形图

以Xilinx公司V6系列315T型FPGA芯片为例，该方案的资源占用情况如表2所示。从表中可以看出，该方案中乘法器DSP48E的占用率较高，主要是由于对FFT、共轭相乘和IFFT等运算进行了并行实现，以满足对处理时延的要求。

表2 资源占用表

5 结束语

通过对WCDMA通信系统中接入前导结构及其常规检测方法的分析，提出了一种WCDMA前导实时检测方法。利用分段FFT和非相干累积的方法降低了前导检测的处理时间，并且具有良好的抗频偏性能。该方法已经对商用WCDMA信号进行了侦收测试，能够正确、及时地检测出接入前导，并且可以给出对应的签名序列号，为侦收PRACH消息信号中的控制和数据信息打下了基础。

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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

权 安，刘春冉.一种WCDMA前导实时检测方法及其FPGA实现[J].无线电通信技术,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

国家部委基金资助项目

权 安(1983—)，男，工程师,主要研究方向：数字信号处理。刘春冉 (1983—)，女，高级工程师,主要研究方向：无线通信。

TN911

A

1003-3114(2017)03-95-4