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,。

    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：

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(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??；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。

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