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.
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。
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。
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)確的幀同步和位同步信息。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。
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:
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:
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。
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。
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。
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:
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。
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。
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。
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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)