文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190760
中文引用格式： 周寒冰，李明維，張傳遠，等. 一種適用于AD9371寬帶突發通信的同步檢測算法[J].電子技術應用，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機，支持FDD/TDD制式，覆蓋300 MHz～6 GHz頻段[1]，且可覆蓋大多數蜂窩網頻段，因此，其被廣泛應用于3G/4G/5G微基站和宏基站設備[2-4]中。其功能圖如圖1所示。
在100 MHz帶寬下，AD9371能提供的最大數據采樣速率為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最終抽取后的數據速率在153.6 MS/s，對突發通信來說，由于不能漏過任何同步字檢測，必須對所有數據全處理，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，對處理高速率數據并從中獲取同步信息的方式提出如下要求：(1)避免采用特別復雜的運算方法，例如連續多個FFT；(2)盡量采用流水線的方式處理數據流。
AD9371高速系統中，常規使用的互相關峰值檢測同步算法[5]，這種算法實現的同步檢測狀態機，在處理連續數據時能正常工作，一旦遇到突發通信，本來在連續通信信道下能正常工作的互相關峰值檢測同步算法遇到非同步序列時，由于CAZAC序列的缺陷，也會產生一個跳變，導致不應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。本文對這個同步跳變做了深入分析，增加了一個數據包前沿檢測模塊，聯合互相關峰值檢測算法，對抗數據突發有良好的效果。
1 AD9371的發射同步字序列
突發通信的同步原理是在發射端插入同步序列，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，同步頭到達后，從數據流中摘取精確的比特位信息。
系統采用TDD的幀結構[6]，發射端在數據幀前面增加了3個完全相同的同步恒包絡零自相關CAZAC序列S1、S2、S3，其長度都為4 B，同步字產生的代碼如下：
n=32；
for index=1:n
sync_word(index)=exp((1i*pi*(n-1)*(index-1)*(index-1)/n))；
end
32 bit同步序列的自相關特性如圖3所示。
從圖3可看出，32 bit同步序列做自相關運算后，在中間位置產生峰值，峰值比均值高出16倍，峰均比高，進行峰值檢測較易。
2 傳統同步檢測算法——互相關檢測算法
2.1 互相關檢測算法原理
傳統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狀態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行互相關運算，得到3個相關峰值；3個相關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，則認為同步檢測通過；否則，將重新進行檢測。
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)做互相關運算，得到y(n)，信道沖擊響應為h，白噪聲為w(n)，接收信號中的同步字經過信道后，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)做互相關運算：
當S(n)與r(n)中的同步字剛好對齊時，此時互相關出現峰值；其余時刻，相關值幾乎為零。AD9371實測到同步序列與本地同步字做互相關運算后的波形如圖5所示。
從圖5可以看出，當發送序列中插入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檢測時，可以清晰得到3個相關峰值。而且這3個相關峰值，橫軸上嚴格相差一個同步字長度。
當r(n)里包含同步字時，二者互相關時，就會出現圖5中的相關峰值，連續出現3個相關峰，每個相關峰之間的距離是一個同步序列長度，就確認同步檢測成功。從最后一個同步頭后面的第1個符號是數據包凈荷。
2.2 同步檢測狀態機
接收機里設計了一個四狀態的狀態機來做同步檢測，這種狀態機在連續信道下工作穩定，但遇突發通信，容易引起失步。
上電后在初始化期間，狀態機進入idle狀態，檢測到第一個峰值后，觸發狀態機進入狀態a，在狀態a中，繼續檢測峰值，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，狀態機進入狀態b,否則進入idle狀態；在狀態b中，繼續檢測相關峰值，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，則狀態機進入狀態c；在狀態c中，摘除同步頭，輸出判決成功標志，否則，進入idle狀態。具體過程如圖6所示。
經過AD9371系統實測，這種互相關峰值檢測同步算法在連續通信系統中是可行的，同步捕獲性能符合要求。
2.3 互相關檢測算法在AD9371應用中的問題
將圖6的互相關峰值檢測算法用于突發通信系統，圖6互相關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，同步檢測的互相關器輸出值集中在空白區，輸出電平幾乎為0；當一個數據包的前沿到達后，例如圖4中的幀控時隙到達，盡管此時同步字還未到達，由于同步字CAZAC序列的互相關性能不是很好的原因，導致本地同步字與接收信號互相關器的輸出電平值會突然爬升，傳統的互相關峰值檢測算法會錯誤地將包前沿作為第一個相關峰值，后面的兩個峰值也跟隨發生判決錯誤，導致整個同步檢測算法完全失敗。
錯誤發生的原因在于CAZAC同步字的互相關性缺陷，而且原來的同步模塊沒有做幀同步檢測，當一個新數據包前沿到達后，互相關器輸出的電平值會隨之抬高，判決算法會誤認為有相關峰值出現，后面的狀態機會進入一個錯誤狀態里，導致整個同步系統失步。
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，略微增加整體同步檢測的復雜程度。雙滑動窗只檢測數據包前沿，精確檢測數據位由其后的互相關峰值檢測完成。
如圖7所示，設置兩個滑動窗，窗長度D是同步字調制后的長度，例如32 bit同步字，采用QPSK調制后，每路數據分成I、Q兩路，分別映射到一個調制符號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，數據包前沿到達窗口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；如果包前沿到達窗口A內，還沒進入窗B，此時Mn一定會出現一個峰值，因為A窗內有信號和噪聲，就有大功率，而B窗內只有噪聲，功率很小，當二者比值突然變大時，表示一個數據包前沿到達了，峰值位置就是包前沿位置。
如圖7所示，當一個數據包沿著時間軸滑動到窗A，覆蓋滿了整個窗A時，窗B內還全部是噪聲，分別計算窗A和窗B內的能量an、bn，公式如下：
計算Mn=an/bn，此時Mn會出現峰值，當峰值高于經驗門限Th時，即可判斷一個新數據包已到達，并可進入位同步檢測過程。幀同步檢測性能如圖8所示。
從圖8可以看出，當滑動窗A和B中都是噪聲或都是有效數據時，測試Mn值很小；只有窗A內充滿了數據，B內全部是噪聲時，出現峰值，此峰值位置即為數據包起始位置。
正確的包前沿到達后，需要把包前沿和后續數據送入互相關位同步檢測模塊，其余的空閑信道時數據拋棄掉。此時，需要幀同步模塊摘取有效數據部分，如果不把前沿的信道空閑值摘除，會導致互相關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合同步檢測算法前后對寬帶突發系統同步性能的影響，經實際系統測試發現，采用聯合同步檢測算法后的系統同步性能穩定可靠。在AD9371評估板上，設置3.5 GHz頻段、100 MHz帶寬、200 Mb/s傳輸速率的實際系統進行測試，當接收信號功率達到-14 dBm時，系統仍然保持同步，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]，設計了雙窗口同步和互相關同步檢測模塊，采用QPSK調制，2倍內插的脈沖成型，然后將收、發端RF自環回測試，中間加衰減器，發送端模擬信道突發通信，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 結論
針對AD9371芯片中傳統互同步峰值檢測模塊在信道從空閑變到突發信號時會產生輸出電平突變并導致系統失步問題，本文提出一種改進的雙滑動窗口幀前沿檢測模塊，檢測出數據包前沿到達的時刻，能有效克服AD9371互相關峰值檢測突變的錯誤問題，還能降低同步模塊功耗。經過實測，系統能達到-14 dBm的同步檢測精度，完全滿足AD9371寬帶系統突發通信中的同步檢測需要。
參考文獻
[1] Analog Devices公司.AD9371參考手冊[Z].2016.
[2] 朱雪田，夏旭.5G網絡關鍵技術和業務[J].電子技術應用，2018，44(9)：1-4，8.
[3] 高程，朱雪田，劉春花.5G波束故障恢復設計與實現[J].電子技術應用，2018，44(9)：9-11，16.
[4] 于志強.面向第四代移動通信系統的高性能射頻收發機的研究與設計[D].南京：東南大學，2013.
[5] TERRY J.OFDM wireless LANS：A theoretical and practical guide[M].Sams Indianapolis，2001.
[6] 張大旭.集成式收發機芯片AD9371射頻系統設計[D].南京：東南大學，2018.
[7] 謝擁軍，王正鵬，苗俊剛，等.5G射頻室內測試的關鍵技術[J].電子技術應用，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，錢占奎，謝士銀，梁 薇
(北京國電通網絡技術有限公司，北京100081)