WCDMA系统基带信号处理AFC算法研究
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摘要：分析了wcdma系统基带信号处理自动频率控制(afc)的原理，重点对延时共扼相乘的AFC算法进行仿真，结果表明信噪比和衰落状况是AFC算法性能的重要影响因素。
关键词：宽带码分多址；自动频率控制；信噪比；衰落状况
中图分类号：TN929文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31390-02
Study on AFC Algorithm of WCDMA Base-band signal Processing System
TAN Yi-zhi
(Faculty of Information Engineering, Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract:The principle of automatic frequency control (AFC) of WCDMA system has been analysed, and the emphasis is to simulate AFC algorithm. The results have shown that Signal-to-Noise and fading status are important factors to AFC capability.
Key words:WCDMA;automatic frequency control;Signal-to-Noise;fading status
在移动通信中，频率变化引起的信道衰落有两种：一种是基站与移动台两者本地振荡频率之间的固有频差引起的衰落；另一种是移动台移动引入的多普勒频移所造成的信道衰落。前者的频差是由物理器件的长期或短期频漂引起的，是慢衰落；相对而言，后者是快衰落。AFC(Automatic Frequency Control)自动频率控制，是用来消除频率偏差的。采用AFC技术，可对两种衰落进行补偿，主要是对慢衰落的补偿，即用来消除基站发射信号和移动台接收信号之间载波的频率偏差[1]。
1 AFC的技术要求
由于WCDMA基站发射端采用QPSK调制，故最大相位偏移不得超过π/4，即2?仔?驻ftmax≤?仔/4。
由上式可得，频偏 的最大值为2000Hz。若频偏超过2000Hz，相位就会严重混迭，数据就不可能正确恢复了（tmax的计算 ：QPSK调制，每符号相当于3个符号比特，最小扩频因子是8，故每符号24个数据比特位，tmax=1/3.84M×24=1/16000）。
在整个通信过程中，AFC技术采用有两种情况：一种是在信道建立以后，此时各种同步已经建立，固有频偏较小，但可能存在多普勒频移，为了能够跟踪频差的变化，要求AFC的提取时间在几ms之内；另一种是在信道建立之前，小区搜索的初步阶段。此时各种同步还没有建立，固有频偏可能较大，再加上多普勒频移，造成频偏大于2000Hz、同步无法建立的情况，这时需要AFC提取一个粗略的初始频偏对频差进行补偿，使补偿后频偏小于500Hz，同步得以建立。由于初始频偏提取的信号环境较为恶劣(A/D之后，基带处理之前)，提取有一定难度，暂定提取时间为几十ms[2]。
2 算法描述及基本原理
频偏估计可以采用FFT和延时共扼相乘法，具体对于基站来说，由于导频符号不连续，且由于资源的限制，无法使用FFT，所以普遍的方法就是延时共扼相乘法[3]。
3 衡量AFC的因素
针对固定频偏，要求收敛速度快，而且到达固定频偏后的抖动要小。在同一个算法中两者其实是一个相互影响，相互制约的因素。所以一个最优的算法是两者均要较好。
经过研究发现，利用延时共扼相乘的一个时隙的累加值来与门限值比较步进式调整频偏估计，这种方法收敛速度快，锁定时的抖动小，即AFC性能相对较好。
4 仿真结果与讨论
用MATLAB软件来仿真，进行下列情况的AFC性能比较。
4.1理想信道条件下AFC性能
理想信道条件指没有衰落，并且信噪比较高的情况。仿真条件：加性白高斯噪声AWGN，固定频偏FreErr=800Hz ，信噪比Eb/N0=50dB，频率调整步长fo_step=1Hz，NCOTh=1.0（初始相位为0），仿真结果见图2。从图2可以看出，理想信道条件下，AFC的跟踪特性较好，收敛快，锁定到800Hz时，基本稳定不动。
图2 理想信道条件下的AFC性能
4.2单双天线对AFC性能的影响
仿真条件：AWGN，固定频偏FreErr=400Hz ，Eb/N0=5.0dB，fo_step=1Hz，NCOTh=1.0
图3比较了在单双天线上做频偏估计对AFC特性的影响。从图中可以看出双天线（对两个单天线的估计值做平均）的效果比单天线的AFC特性要好（包括瞬态特性和稳态特性），这主要是因为两根天线平均能消除噪声带来的影响。
图3 单双天线对AFC性能的影响
4.3慢衰落情况下信噪比对AFC性能的影响
仿真条件：CASE1，FreErr=800Hz, 图4比较了不同信噪比条件下AFC的特性。可以看出，信噪比较大时，收敛较快，稳态时抖动基本没有大的区别，都很小。
图4 慢衰落下信噪比对AFC性能的影响
4.4不同衰落条件下AFC性能
仿真条件：FreErr=800Hz，Eb/N0=8.0dB，图5比较了不同衰落信道条件下的AFC特性。从图中明显看出，CASE3收敛较慢，主要是由于CASE3的快速衰落引起的。
图5 不同衰落条件下AFC性能
4.5快衰落条件下AFC性能
仿真条件：UMTS Case3 , FreErr=800Hz , 图6比较了快衰落情况不同信噪比时AFC的性能。显然，信噪比越高，收敛越快。
图6 快衰落条件下不同信噪比对AFC性能影响
5 结束语
以上仿真分别讨论了理想信道条件、单双天线条件、不同信噪比条件以及快慢衰落条件下对AFC算法性能的影响，从仿真结果可知，AFC性能与信噪比、衰落状况和单双天线的使用有关，为了得到更好的AFC性能，就要求信噪比越高，衰落越小，使用双天线。因此，为了克服噪声和快衰落，往往采取对一个USER的所有有效FINGERS（两根天线）求平均的措施。
参考文献：
[1]吴伟陵.移动通信中的关键技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2000.
[2]Dahlman E,Gudmundson B,Nilsson M, et a1. UMTS/IMT2000 based on wideband CDMA[J].IEEE Communications Magazine,1998,36(7):70-80．
[3]Francis D, Natali. AFC Tracking Algorithms[J].IEEE Transactions on communications,1984,32(8):935-947.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。