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。

    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。

    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(mén)限的峰值超過(guò)了門(mén)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。

    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(mǎn)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：

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：

    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。

    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。

    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。

    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(mǎn)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a_n、b_n，公式如下：

    計(jì)算Mn=a_n/b_n，此時(shí)Mn會(huì)出現(xiàn)峰值，當(dāng)峰值高于經(jīng)驗(yàn)門(mén)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。

    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值很小；只有窗A內(nèi)充滿(mǎn)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。

    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(mǎn)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(mǎn)足AD9371寬帶系統(tǒng)突發(fā)通信中的同步檢測(cè)需要。

參考文獻(xiàn)

[1] Analog Devices公司.AD9371參考手冊(cè)[Z].2016.

[2] 朱雪田，夏旭.5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：1-4，8.

[3] 高程，朱雪田，劉春花.5G波束故障恢復(fù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(9)：9-11，16.

[4] 于志強(qiáng).面向第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的高性能射頻收發(fā)機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2013.

[5] TERRY J.OFDM wireless LANS：A theoretical and practical guide[M].Sams Indianapolis，2001.

[6] 張大旭.集成式收發(fā)機(jī)芯片AD9371射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2018.

[7] 謝擁軍，王正鵬，苗俊剛，等.5G射頻室內(nèi)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(7)：5-10.

[8] SHIN H，WALKER B，Pan Dongling，et al.Analysis of spectral spreading in a phase-modulated system for 1.75-GHz GSM RF transmitter design[C].Custom Integrated Circuits Conference，2003：19-40.

作者信息:

周寒冰，李明維，張傳遠(yuǎn)，錢(qián)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)