《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于AD9371寬帶突發(fā)通信的同步檢測(cè)算法
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
周寒冰，李明維，張傳遠(yuǎn)，錢占奎，謝士銀，梁 薇
北京國(guó)電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，北京100081
摘要： AD9371是ADI新推出的面向sub-6G頻段的第五代移動(dòng)通信射頻收發(fā)機(jī)系統(tǒng)芯片，由于AD9371的帶寬和速率高，當(dāng)接收機(jī)采用互相關(guān)峰值檢測(cè)同步算法工作時(shí)，如果遇到突發(fā)數(shù)據(jù)包，由于同步字CAZAC序列互相關(guān)特性上的缺陷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輸出跳變，導(dǎo)致本來(lái)不應(yīng)該越過(guò)門限的峰值越過(guò)了門限，引起互相關(guān)峰值同步算法失步。為了解決這個(gè)突發(fā)包同步問(wèn)題，給出了一種基于AD9371收發(fā)芯片的突發(fā)通信的幀前沿檢測(cè)和位同步聯(lián)合同步檢測(cè)算法，增加了獨(dú)立的幀前沿檢測(cè)功能。經(jīng)AD9371系統(tǒng)實(shí)測(cè)，此種方法特別適合于抗突發(fā)信道。
中圖分類號(hào)： TN912
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190760
中文引用格式： 周寒冰，李明維，張傳遠(yuǎn)，等. 一種適用于AD9371寬帶突發(fā)通信的同步檢測(cè)算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(12)：87-90.
英文引用格式： Zhou Hanbing，Li Mingwei，Zhang Chuanyuan，et al. A synchronized detect algorithm for AD9371 broadband burst communications[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：87-90.
A synchronized detect algorithm for AD9371 broadband burst communications
Zhou Hanbing，Li Mingwei，Zhang Chuanyuan，Qian Zhankui，Xie Shiyin，Liang Wei
Beijing Guodiantong Network Technology Co.，Ltd.，Beijing 100081，China
Abstract： AD9371 is a 5G mobile transceiver system chip which covered all sub-6G frequency bands newly provided by ADI corporation. Because the bandwidth and data rate are very high，when this AD9371 receiver worked under the cross-correlation peak algorithm, if a burst packet reached, for CAZAC synchronize word sequence′s cross-correlation defect, this synchronize detector will output a value jumping，causing the synchronize detected threshold beyond the truly threshold, so that all cross-relation peak detect algorithm lost its synchronize status. To solve this burst problem, this paper provides an unite burst frame edge and bit synchronize detect algorithm based on AD9371 transceiver chip with a independence frame edge detect function added. The practical test result proves it is suitable for AD9371 burst channel.
Key words : AD9371；burst；frame synchronize；bit synchronize；united synchronize detector

0 引言

    AD9371是一種高度集成的寬帶射頻收發(fā)機(jī)，支持FDD/TDD制式，覆蓋300 MHz～6 GHz頻段[1]，且可覆蓋大多數(shù)蜂窩網(wǎng)頻段，因此，其被廣泛應(yīng)用于3G/4G/5G微基站和宏基站設(shè)備[2-4]中。其功能圖如圖1所示。

tx1-t1.gif

    在100 MHz帶寬下，AD9371能提供的最大數(shù)據(jù)采樣速率為200 MS/s，圖2是采用122.88 MHz晶振時(shí)的接收ADC采樣鏈路圖。

tx1-t2.gif

    如圖2所示，AD9371接收ADC最終抽取后的數(shù)據(jù)速率在153.6 MS/s，對(duì)突發(fā)通信來(lái)說(shuō)，由于不能漏過(guò)任何同步字檢測(cè)，必須對(duì)所有數(shù)據(jù)全處理，處理時(shí)延不能超過(guò)緩存單元容量，否則就溢出。所用處理器的工作時(shí)鐘必須大于153.6 MHz，才能在采樣速率為153.6 MS/s的采樣流中得到準(zhǔn)確的幀同步和位同步信息。因器件工作主頻限制，對(duì)處理高速率數(shù)據(jù)并從中獲取同步信息的方式提出如下要求：(1)避免采用特別復(fù)雜的運(yùn)算方法，例如連續(xù)多個(gè)FFT；(2)盡量采用流水線的方式處理數(shù)據(jù)流。

    AD9371高速系統(tǒng)中，常規(guī)使用的互相關(guān)峰值檢測(cè)同步算法[5]，這種算法實(shí)現(xiàn)的同步檢測(cè)狀態(tài)機(jī)，在處理連續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)能正常工作，一旦遇到突發(fā)通信，本來(lái)在連續(xù)通信信道下能正常工作的互相關(guān)峰值檢測(cè)同步算法遇到非同步序列時(shí)，由于CAZAC序列的缺陷，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跳變，導(dǎo)致不應(yīng)該超過(guò)門限的峰值超過(guò)了門限，同步算法會(huì)把它誤判為一個(gè)同步序列到達(dá)。本文對(duì)這個(gè)同步跳變做了深入分析，增加了一個(gè)數(shù)據(jù)包前沿檢測(cè)模塊，聯(lián)合互相關(guān)峰值檢測(cè)算法，對(duì)抗數(shù)據(jù)突發(fā)有良好的效果。

1 AD9371的發(fā)射同步字序列

    突發(fā)通信的同步原理是在發(fā)射端插入同步序列，接收端通過(guò)幀同步檢測(cè)、位同步檢測(cè)兩個(gè)步驟捕獲發(fā)射端插入的同步序列。幀同步檢測(cè)即檢測(cè)同步頭序列是否到達(dá)，同步頭到達(dá)后，從數(shù)據(jù)流中摘取精確的比特位信息。

    系統(tǒng)采用TDD的幀結(jié)構(gòu)[6]，發(fā)射端在數(shù)據(jù)幀前面增加了3個(gè)完全相同的同步恒包絡(luò)零自相關(guān)CAZAC序列S1、S2、S3，其長(zhǎng)度都為4 B，同步字產(chǎn)生的代碼如下：

n=32；

for index=1:n

    sync_word(index)=exp((1i*pi*(n-1)*(index-1)*(index-1)/n))；

end

    32 bit同步序列的自相關(guān)特性如圖3所示。

tx1-t3.gif

    從圖3可看出，32 bit同步序列做自相關(guān)運(yùn)算后，在中間位置產(chǎn)生峰值，峰值比均值高出16倍，峰均比高，進(jìn)行峰值檢測(cè)較易。

2 傳統(tǒng)同步檢測(cè)算法——互相關(guān)檢測(cè)算法

2.1 互相關(guān)檢測(cè)算法原理

    傳統(tǒng)的同步檢測(cè)算法是一種將幀同步和位同步合并的簡(jiǎn)化算法，不再單獨(dú)檢測(cè)幀同步，而是利用多個(gè)同步字觸發(fā)狀態(tài)機(jī)方式來(lái)提高同步檢測(cè)的可靠性。本地同步字與接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到3個(gè)相關(guān)峰值；3個(gè)相關(guān)峰值在時(shí)間軸上相差同步字長(zhǎng)的距離。若同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件，則認(rèn)為同步檢測(cè)通過(guò)；否則，將重新進(jìn)行檢測(cè)。

    同步字的峰值檢測(cè)如圖4所示，同步檢測(cè)模塊中，本地存儲(chǔ)著完整的同步字S(n)，將本地同步字S(n)取共軛后，與接收信號(hào)r(n)做互相關(guān)運(yùn)算，得到y(tǒng)(n)，信道沖擊響應(yīng)為h，白噪聲為w(n)，接收信號(hào)中的同步字經(jīng)過(guò)信道后，變成下式所示：

    tx1-gs1.gif

其中，*是卷積運(yùn)算。接收信號(hào)r(n)與同步字S(n)做互相關(guān)運(yùn)算：

     tx1-gs2.gif

tx1-t4.gif

    當(dāng)S(n)與r(n)中的同步字剛好對(duì)齊時(shí)，此時(shí)互相關(guān)出現(xiàn)峰值；其余時(shí)刻，相關(guān)值幾乎為零。AD9371實(shí)測(cè)到同步序列與本地同步字做互相關(guān)運(yùn)算后的波形如圖5所示。

tx1-t5.gif

    從圖5可以看出，當(dāng)發(fā)送序列中插入3個(gè)CAZAC同步字序列后，在接收端與本地同步字做同步互相關(guān)檢測(cè)時(shí)，可以清晰得到3個(gè)相關(guān)峰值。而且這3個(gè)相關(guān)峰值，橫軸上嚴(yán)格相差一個(gè)同步字長(zhǎng)度。

    當(dāng)r(n)里包含同步字時(shí)，二者互相關(guān)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)圖5中的相關(guān)峰值，連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)相關(guān)峰，每個(gè)相關(guān)峰之間的距離是一個(gè)同步序列長(zhǎng)度，就確認(rèn)同步檢測(cè)成功。從最后一個(gè)同步頭后面的第1個(gè)符號(hào)是數(shù)據(jù)包凈荷。

2.2 同步檢測(cè)狀態(tài)機(jī)

    接收機(jī)里設(shè)計(jì)了一個(gè)四狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)來(lái)做同步檢測(cè)，這種狀態(tài)機(jī)在連續(xù)信道下工作穩(wěn)定，但遇突發(fā)通信，容易引起失步。

    上電后在初始化期間，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入idle狀態(tài)，檢測(cè)到第一個(gè)峰值后，觸發(fā)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)a，在狀態(tài)a中，繼續(xù)檢測(cè)峰值，如果檢測(cè)到第二個(gè)峰值，且時(shí)間上與第一個(gè)峰值相差一個(gè)同步字長(zhǎng)，就判決為檢測(cè)到了第二個(gè)同步字，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)b,否則進(jìn)入idle狀態(tài)；在狀態(tài)b中，繼續(xù)檢測(cè)相關(guān)峰值，如果檢測(cè)到第3個(gè)峰值，且第3個(gè)峰值與第2個(gè)峰值間距離相差一個(gè)同步字長(zhǎng)，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)c；在狀態(tài)c中，摘除同步頭，輸出判決成功標(biāo)志，否則，進(jìn)入idle狀態(tài)。具體過(guò)程如圖6所示。

tx1-t6.gif

    經(jīng)過(guò)AD9371系統(tǒng)實(shí)測(cè)，這種互相關(guān)峰值檢測(cè)同步算法在連續(xù)通信系統(tǒng)中是可行的，同步捕獲性能符合要求。

2.3 互相關(guān)檢測(cè)算法在AD9371應(yīng)用中的問(wèn)題

    將圖6的互相關(guān)峰值檢測(cè)算法用于突發(fā)通信系統(tǒng)，圖6互相關(guān)峰值同步檢測(cè)的輸出波形如圖5所示。

    很明顯，AD9371的信道空閑時(shí)，同步檢測(cè)的互相關(guān)器輸出值集中在空白區(qū)，輸出電平幾乎為0；當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包的前沿到達(dá)后，例如圖4中的幀控時(shí)隙到達(dá)，盡管此時(shí)同步字還未到達(dá)，由于同步字CAZAC序列的互相關(guān)性能不是很好的原因，導(dǎo)致本地同步字與接收信號(hào)互相關(guān)器的輸出電平值會(huì)突然爬升，傳統(tǒng)的互相關(guān)峰值檢測(cè)算法會(huì)錯(cuò)誤地將包前沿作為第一個(gè)相關(guān)峰值，后面的兩個(gè)峰值也跟隨發(fā)生判決錯(cuò)誤，導(dǎo)致整個(gè)同步檢測(cè)算法完全失敗。

    錯(cuò)誤發(fā)生的原因在于CAZAC同步字的互相關(guān)性缺陷，而且原來(lái)的同步模塊沒(méi)有做幀同步檢測(cè)，當(dāng)一個(gè)新數(shù)據(jù)包前沿到達(dá)后，互相關(guān)器輸出的電平值會(huì)隨之抬高，判決算法會(huì)誤認(rèn)為有相關(guān)峰值出現(xiàn)，后面的狀態(tài)機(jī)會(huì)進(jìn)入一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)里，導(dǎo)致整個(gè)同步系統(tǒng)失步。

3 雙滑動(dòng)窗幀同步檢測(cè)解決AD9371同步檢測(cè)問(wèn)題

    雙滑動(dòng)窗幀同步同步檢測(cè)算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，略微增加整體同步檢測(cè)的復(fù)雜程度。雙滑動(dòng)窗只檢測(cè)數(shù)據(jù)包前沿，精確檢測(cè)數(shù)據(jù)位由其后的互相關(guān)峰值檢測(cè)完成。

    如圖7所示，設(shè)置兩個(gè)滑動(dòng)窗，窗長(zhǎng)度D是同步字調(diào)制后的長(zhǎng)度，例如32 bit同步字，采用QPSK調(diào)制后，每路數(shù)據(jù)分成I、Q兩路，分別映射到一個(gè)調(diào)制符號(hào)symbol上去，所以符號(hào)長(zhǎng)度D=16，并行計(jì)算這兩個(gè)相鄰滑動(dòng)窗內(nèi)的接收信號(hào)能量，離散信號(hào)的累加就是求能量值。如式(3)和式(4)所示，數(shù)據(jù)包前沿到達(dá)窗口A之前，只有噪聲，窗A與窗B能量的比值Mn是平滑的，沒(méi)有峰值；如果包前沿到達(dá)窗口A內(nèi)，還沒(méi)進(jìn)入窗B，此時(shí)Mn一定會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，因?yàn)锳窗內(nèi)有信號(hào)和噪聲，就有大功率，而B(niǎo)窗內(nèi)只有噪聲，功率很小，當(dāng)二者比值突然變大時(shí)，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包前沿到達(dá)了，峰值位置就是包前沿位置。

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    如圖7所示，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包沿著時(shí)間軸滑動(dòng)到窗A，覆蓋滿了整個(gè)窗A時(shí)，窗B內(nèi)還全部是噪聲，分別計(jì)算窗A和窗B內(nèi)的能量an、bn，公式如下：

     tx1-gs3-4.gif

    計(jì)算Mn=an/bn，此時(shí)Mn會(huì)出現(xiàn)峰值，當(dāng)峰值高于經(jīng)驗(yàn)門限Th時(shí)，即可判斷一個(gè)新數(shù)據(jù)包已到達(dá)，并可進(jìn)入位同步檢測(cè)過(guò)程。幀同步檢測(cè)性能如圖8所示。

tx1-t8.gif

    從圖8可以看出，當(dāng)滑動(dòng)窗A和B中都是噪聲或都是有效數(shù)據(jù)時(shí)，測(cè)試Mn值很??；只有窗A內(nèi)充滿了數(shù)據(jù)，B內(nèi)全部是噪聲時(shí)，出現(xiàn)峰值，此峰值位置即為數(shù)據(jù)包起始位置。

    正確的包前沿到達(dá)后，需要把包前沿和后續(xù)數(shù)據(jù)送入互相關(guān)位同步檢測(cè)模塊，其余的空閑信道時(shí)數(shù)據(jù)拋棄掉。此時(shí)，需要幀同步模塊摘取有效數(shù)據(jù)部分，如果不把前沿的信道空閑值摘除，會(huì)導(dǎo)致互相關(guān)峰值位同步檢測(cè)出錯(cuò)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

    在AD9371芯片上對(duì)比采用雙滑動(dòng)窗幀同步和位同步聯(lián)合同步檢測(cè)算法前后對(duì)寬帶突發(fā)系統(tǒng)同步性能的影響，經(jīng)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用聯(lián)合同步檢測(cè)算法后的系統(tǒng)同步性能穩(wěn)定可靠。在AD9371評(píng)估板上，設(shè)置3.5 GHz頻段、100 MHz帶寬、200 Mb/s傳輸速率的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)接收信號(hào)功率達(dá)到-14 dBm時(shí)，系統(tǒng)仍然保持同步，同步性能與AD9371手冊(cè)里的最低功率一致。

    在AD9371評(píng)估板和XILINX的ZYNQ 7045 FPGA評(píng)估板上[7-8]，設(shè)計(jì)了雙窗口同步和互相關(guān)同步檢測(cè)模塊，采用QPSK調(diào)制，2倍內(nèi)插的脈沖成型，然后將收、發(fā)端RF自環(huán)回測(cè)試，中間加衰減器，發(fā)送端模擬信道突發(fā)通信，在100 MHz帶寬、153.6 MS/s速率下，測(cè)試記錄如表1所示。

tx1-b1.gif

    由上表可知，AD9371同步檢測(cè)的最低接收功率為-14 dBm，AD9371手冊(cè)里給出了-14 dBm，是AD9371的最低接收功率。所以，本同步模塊可以滿足AD9371的最低功率要求。

5 結(jié)論

    針對(duì)AD9371芯片中傳統(tǒng)互同步峰值檢測(cè)模塊在信道從空閑變到突發(fā)信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生輸出電平突變并導(dǎo)致系統(tǒng)失步問(wèn)題，本文提出一種改進(jìn)的雙滑動(dòng)窗口幀前沿檢測(cè)模塊，檢測(cè)出數(shù)據(jù)包前沿到達(dá)的時(shí)刻，能有效克服AD9371互相關(guān)峰值檢測(cè)突變的錯(cuò)誤問(wèn)題，還能降低同步模塊功耗。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，系統(tǒng)能達(dá)到-14 dBm的同步檢測(cè)精度，完全滿足AD9371寬帶系統(tǒng)突發(fā)通信中的同步檢測(cè)需要。

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周寒冰，李明維，張傳遠(yuǎn)，錢占奎，謝士銀，梁  薇

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