《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頻段的第五代移動通信射頻收發(fā)機系統(tǒng)芯片,由于AD9371的帶寬和速率高,當(dāng)接收機采用互相關(guān)峰值檢測同步算法工作時,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,會產(chǎn)生一個輸出跳變,導(dǎo)致本來不應(yīng)該越過門限的峰值越過了門限,引起互相關(guān)峰值同步算法失步。為了解決這個突發(fā)包同步問題,給出了一種基于AD9371收發(fā)芯片的突發(fā)通信的幀前沿檢測和位同步聯(lián)合同步檢測算法,增加了獨立的幀前沿檢測功能。經(jīng)AD9371系統(tǒng)實測,此種方法特別適合于抗突發(fā)信道。
中圖分類號: TN912
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: 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,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晶振時的接收ADC采樣鏈路圖。

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    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,對突發(fā)通信來說,由于不能漏過任何同步字檢測,必須對所有數(shù)據(jù)全處理,處理時延不能超過緩存單元容量,否則就溢出。所用處理器的工作時鐘必須大于153.6 MHz,才能在采樣速率為153.6 MS/s的采樣流中得到準(zhǔn)確的幀同步位同步信息。因器件工作主頻限制,對處理高速率數(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)雜的運算方法,例如連續(xù)多個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)峰值檢測同步算法[5],這種算法實現(xiàn)的同步檢測狀態(tài)機,在處理連續(xù)數(shù)據(jù)時能正常工作,一旦遇到突發(fā)通信,本來在連續(xù)通信信道下能正常工作的互相關(guān)峰值檢測同步算法遇到非同步序列時,由于CAZAC序列的缺陷,也會產(chǎn)生一個跳變,導(dǎo)致不應(yīng)該超過門限的峰值超過了門限,同步算法會把它誤判為一個同步序列到達(dá)。本文對這個同步跳變做了深入分析,增加了一個數(shù)據(jù)包前沿檢測模塊,聯(lián)合互相關(guān)峰值檢測算法,對抗數(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,接收端通過幀同步檢測、位同步檢測兩個步驟捕獲發(fā)射端插入的同步序列。幀同步檢測即檢測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個完全相同的同步恒包絡(luò)零自相關(guān)CAZAC序列S1、S2、S3,其長度都為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)行峰值檢測較易。

2 傳統(tǒng)同步檢測算法——互相關(guān)檢測算法

2.1 互相關(guān)檢測算法原理

    傳統(tǒng)的同步檢測算法是一種將幀同步和位同步合并的簡化算法,不再單獨檢測幀同步,而是利用多個同步字觸發(fā)狀態(tài)機方式來提高同步檢測的可靠性。本地同步字與接收信號進(jìn)行互相關(guān)運算,得到3個相關(guān)峰值;3個相關(guān)峰值在時間軸上相差同步字長的距離。若同時滿足以上兩個條件,則認(rèn)為同步檢測通過;否則,將重新進(jìn)行檢測。

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

    tx1-gs1.gif

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

     tx1-gs2.gif

tx1-t4.gif

    當(dāng)S(n)與r(n)中的同步字剛好對齊時,此時互相關(guān)出現(xiàn)峰值;其余時刻,相關(guān)值幾乎為零。AD9371實測到同步序列與本地同步字做互相關(guān)運算后的波形如圖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)檢測時,可以清晰得到3個相關(guān)峰值。而且這3個相關(guān)峰值,橫軸上嚴(yán)格相差一個同步字長度。

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

2.2 同步檢測狀態(tài)機

    接收機里設(shè)計了一個四狀態(tài)的狀態(tài)機來做同步檢測,這種狀態(tài)機在連續(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)機進(jìn)入idle狀態(tài),檢測到第一個峰值后,觸發(fā)狀態(tài)機進(jìn)入狀態(tài)a,在狀態(tài)a中,繼續(xù)檢測峰值,如果檢測到第二個峰值,且時間上與第一個峰值相差一個同步字長,就判決為檢測到了第二個同步字,狀態(tài)機進(jìn)入狀態(tài)b,否則進(jìn)入idle狀態(tài);在狀態(tài)b中,繼續(xù)檢測相關(guān)峰值,如果檢測到第3個峰值,且第3個峰值與第2個峰值間距離相差一個同步字長,則狀態(tài)機進(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)。具體過程如圖6所示。

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    經(jīng)過AD9371系統(tǒng)實測,這種互相關(guān)峰值檢測同步算法在連續(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)檢測算法在AD9371應(yīng)用中的問題

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

    很明顯,AD9371的信道空閑時,同步檢測的互相關(guān)器輸出值集中在空白區(qū),輸出電平幾乎為0;當(dāng)一個數(shù)據(jù)包的前沿到達(dá)后,例如圖4中的幀控時隙到達(dá),盡管此時同步字還未到達(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互相關(guān)器的輸出電平值會突然爬升,傳統(tǒng)的互相關(guān)峰值檢測算法會錯誤地將包前沿作為第一個相關(guān)峰值,后面的兩個峰值也跟隨發(fā)生判決錯誤,導(dǎo)致整個同步檢測算法完全失敗。

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

3 雙滑動窗幀同步檢測解決AD9371同步檢測問題

    雙滑動窗幀同步同步檢測算法簡單,易于實現(xiàn),略微增加整體同步檢測的復(fù)雜程度。雙滑動窗只檢測數(shù)據(jù)包前沿,精確檢測數(shù)據(jù)位由其后的互相關(guān)峰值檢測完成。

    如圖7所示,設(shè)置兩個滑動窗,窗長度D是同步字調(diào)制后的長度,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,分別映射到一個調(diào)制符號symbol上去,所以符號長度D=16,并行計算這兩個相鄰滑動窗內(nèi)的接收信號能量,離散信號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,沒有峰值;如果包前沿到達(dá)窗口A內(nèi),還沒進(jìn)入窗B,此時Mn一定會出現(xiàn)一個峰值,因為A窗內(nèi)有信號和噪聲,就有大功率,而B窗內(nèi)只有噪聲,功率很小,當(dāng)二者比值突然變大時,表示一個數(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)一個數(shù)據(jù)包沿著時間軸滑動到窗A,覆蓋滿了整個窗A時,窗B內(nèi)還全部是噪聲,分別計算窗A和窗B內(nèi)的能量an、bn,公式如下:

     tx1-gs3-4.gif

    計算Mn=an/bn,此時Mn會出現(xiàn)峰值,當(dāng)峰值高于經(jīng)驗門限Th時,即可判斷一個新數(shù)據(jù)包已到達(dá),并可進(jìn)入位同步檢測過程。幀同步檢測性能如圖8所示。

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    從圖8可以看出,當(dāng)滑動窗A和B中都是噪聲或都是有效數(shù)據(jù)時,測試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,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)位同步檢測模塊,其余的空閑信道時數(shù)據(jù)拋棄掉。此時,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,會導(dǎo)致互相關(guān)峰值位同步檢測出錯。

4 實驗測試

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

    在AD9371評估板和XILINX的ZYNQ 7045 FPGA評估板上[7-8],設(shè)計了雙窗口同步和互相關(guān)同步檢測模塊,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,測試記錄如表1所示。

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    由上表可知,AD9371同步檢測的最低接收功率為-14 dBm,AD9371手冊里給出了-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AD9371芯片中傳統(tǒng)互同步峰值檢測模塊在信道從空閑變到突發(fā)信號時會產(chǎn)生輸出電平突變并導(dǎo)致系統(tǒng)失步問題,本文提出一種改進(jìn)的雙滑動窗口幀前沿檢測模塊,檢測出數(shù)據(jù)包前沿到達(dá)的時刻,能有效克服AD9371互相關(guān)峰值檢測突變的錯誤問題,還能降低同步模塊功耗。經(jīng)過實測,系統(tǒng)能達(dá)到-14 dBm的同步檢測精度,完全滿足AD9371寬帶系統(tǒng)突發(fā)通信中的同步檢測需要。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

周寒冰,李明維,張傳遠(yuǎn),錢占奎,謝士銀,梁  薇

(北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司,北京100081)

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