文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190760
中文引用格式：周寒冰，李明维，张传远，等. 一种适用于AD9371宽带突发通信的同步检测算法[J].电子技术应用，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是一种高度集成的宽带射频收发机，支持FDD/TDD制式，覆盖300 MHz～6 GHz频段[1]，且可覆盖大多数蜂窝网频段，因此，其被广泛应用于3G/4G/5G微基站和宏基站设备[2-4]中。其功能图如图1所示。
在100 MHz带宽下，AD9371能提供的最大数据采样速率为200 MS/s，图2是采用122.88 MHz晶振时的接收ADC采样链路图。
如图2所示，AD9371接收ADC最终抽取后的数据速率在153.6 MS/s，对突发通信来说，由于不能漏过任何同步字检测，必须对所有数据全处理，处理时延不能超过缓存单元容量，否则就溢出。所用处理器的工作时钟必须大于153.6 MHz，才能在采样速率为153.6 MS/s的采样流中得到准确的帧同步和位同步信息。因器件工作主频限制，对处理高速率数据并从中获取同步信息的方式提出如下要求：(1)避免采用特别复杂的运算方法，例如连续多个FFT；(2)尽量采用流水线的方式处理数据流。
AD9371高速系统中，常规使用的互相关峰值检测同步算法[5]，这种算法实现的同步检测状态机，在处理连续数据时能正常工作，一旦遇到突发通信，本来在连续通信信道下能正常工作的互相关峰值检测同步算法遇到非同步序列时，由于CAZAC序列的缺陷，也会产生一个跳变，导致不应该超过门限的峰值超过了门限，同步算法会把它误判为一个同步序列到达。本文对这个同步跳变做了深入分析，增加了一个数据包前沿检测模块，联合互相关峰值检测算法，对抗数据突发有良好的效果。
1 AD9371的发射同步字序列
突发通信的同步原理是在发射端插入同步序列，接收端通过帧同步检测、位同步检测两个步骤捕获发射端插入的同步序列。帧同步检测即检测同步头序列是否到达，同步头到达后，从数据流中摘取精确的比特位信息。
系统采用TDD的帧结构[6]，发射端在数据帧前面增加了3个完全相同的同步恒包络零自相关CAZAC序列S1、S2、S3，其长度都为4 B，同步字产生的代码如下：
n=32；
for index=1:n
sync_word(index)=exp((1i*pi*(n-1)*(index-1)*(index-1)/n))；
end
32 bit同步序列的自相关特性如图3所示。
从图3可看出，32 bit同步序列做自相关运算后，在中间位置产生峰值，峰值比均值高出16倍，峰均比高，进行峰值检测较易。
2 传统同步检测算法——互相关检测算法
2.1 互相关检测算法原理
传统的同步检测算法是一种将帧同步和位同步合并的简化算法，不再单独检测帧同步，而是利用多个同步字触发状态机方式来提高同步检测的可靠性。本地同步字与接收信号进行互相关运算，得到3个相关峰值；3个相关峰值在时间轴上相差同步字长的距离。若同时满足以上两个条件，则认为同步检测通过；否则，将重新进行检测。
同步字的峰值检测如图4所示，同步检测模块中，本地存储着完整的同步字S(n)，将本地同步字S(n)取共轭后，与接收信号r(n)做互相关运算，得到y(n)，信道冲击响应为h，白噪声为w(n)，接收信号中的同步字经过信道后，变成下式所示：
其中，*是卷积运算。接收信号r(n)与同步字S(n)做互相关运算：
当S(n)与r(n)中的同步字刚好对齐时，此时互相关出现峰值；其余时刻，相关值几乎为零。AD9371实测到同步序列与本地同步字做互相关运算后的波形如图5所示。
从图5可以看出，当发送序列中插入3个CAZAC同步字序列后，在接收端与本地同步字做同步互相关检测时，可以清晰得到3个相关峰值。而且这3个相关峰值，横轴上严格相差一个同步字长度。
当r(n)里包含同步字时，二者互相关时，就会出现图5中的相关峰值，连续出现3个相关峰，每个相关峰之间的距离是一个同步序列长度，就确认同步检测成功。从最后一个同步头后面的第1个符号是数据包净荷。
2.2 同步检测状态机
接收机里设计了一个四状态的状态机来做同步检测，这种状态机在连续信道下工作稳定，但遇突发通信，容易引起失步。
上电后在初始化期间，状态机进入idle状态，检测到第一个峰值后，触发状态机进入状态a，在状态a中，继续检测峰值，如果检测到第二个峰值，且时间上与第一个峰值相差一个同步字长，就判决为检测到了第二个同步字，状态机进入状态b,否则进入idle状态；在状态b中，继续检测相关峰值，如果检测到第3个峰值，且第3个峰值与第2个峰值间距离相差一个同步字长，则状态机进入状态c；在状态c中，摘除同步头，输出判决成功标志，否则，进入idle状态。具体过程如图6所示。
经过AD9371系统实测，这种互相关峰值检测同步算法在连续通信系统中是可行的，同步捕获性能符合要求。
2.3 互相关检测算法在AD9371应用中的问题
将图6的互相关峰值检测算法用于突发通信系统，图6互相关峰值同步检测的输出波形如图5所示。
很明显，AD9371的信道空闲时，同步检测的互相关器输出值集中在空白区，输出电平几乎为0；当一个数据包的前沿到达后，例如图4中的帧控时隙到达，尽管此时同步字还未到达，由于同步字CAZAC序列的互相关性能不是很好的原因，导致本地同步字与接收信号互相关器的输出电平值会突然爬升，传统的互相关峰值检测算法会错误地将包前沿作为第一个相关峰值，后面的两个峰值也跟随发生判决错误，导致整个同步检测算法完全失败。
错误发生的原因在于CAZAC同步字的互相关性缺陷，而且原来的同步模块没有做帧同步检测，当一个新数据包前沿到达后，互相关器输出的电平值会随之抬高，判决算法会误认为有相关峰值出现，后面的状态机会进入一个错误状态里，导致整个同步系统失步。
3 双滑动窗帧同步检测解决AD9371同步检测问题
双滑动窗帧同步同步检测算法简单，易于实现，略微增加整体同步检测的复杂程度。双滑动窗只检测数据包前沿，精确检测数据位由其后的互相关峰值检测完成。
如图7所示，设置两个滑动窗，窗长度D是同步字调制后的长度，例如32 bit同步字，采用QPSK调制后，每路数据分成I、Q两路，分别映射到一个调制符号symbol上去，所以符号长度D=16，并行计算这两个相邻滑动窗内的接收信号能量，离散信号的累加就是求能量值。如式(3)和式(4)所示，数据包前沿到达窗口A之前，只有噪声，窗A与窗B能量的比值Mn是平滑的，没有峰值；如果包前沿到达窗口A内，还没进入窗B，此时Mn一定会出现一个峰值，因为A窗内有信号和噪声，就有大功率，而B窗内只有噪声，功率很小，当二者比值突然变大时，表示一个数据包前沿到达了，峰值位置就是包前沿位置。
如图7所示，当一个数据包沿着时间轴滑动到窗A，覆盖满了整个窗A时，窗B内还全部是噪声，分别计算窗A和窗B内的能量an、bn，公式如下：
计算Mn=an/bn，此时Mn会出现峰值，当峰值高于经验门限Th时，即可判断一个新数据包已到达，并可进入位同步检测过程。帧同步检测性能如图8所示。
从图8可以看出，当滑动窗A和B中都是噪声或都是有效数据时，测试Mn值很小；只有窗A内充满了数据，B内全部是噪声时，出现峰值，此峰值位置即为数据包起始位置。
正确的包前沿到达后，需要把包前沿和后续数据送入互相关位同步检测模块，其余的空闲信道时数据抛弃掉。此时，需要帧同步模块摘取有效数据部分，如果不把前沿的信道空闲值摘除，会导致互相关峰值位同步检测出错。
4 实验测试
在AD9371芯片上对比采用双滑动窗帧同步和位同步联合同步检测算法前后对宽带突发系统同步性能的影响，经实际系统测试发现，采用联合同步检测算法后的系统同步性能稳定可靠。在AD9371评估板上，设置3.5 GHz频段、100 MHz带宽、200 Mb/s传输速率的实际系统进行测试，当接收信号功率达到-14 dBm时，系统仍然保持同步，同步性能与AD9371手册里的最低功率一致。
在AD9371评估板和XILINX的ZYNQ 7045 FPGA评估板上[7-8]，设计了双窗口同步和互相关同步检测模块，采用QPSK调制，2倍内插的脉冲成型，然后将收、发端RF自环回测试，中间加衰减器，发送端模拟信道突发通信，在100 MHz带宽、153.6 MS/s速率下，测试记录如表1所示。
由上表可知，AD9371同步检测的最低接收功率为-14 dBm，AD9371手册里给出了-14 dBm，是AD9371的最低接收功率。所以，本同步模块可以满足AD9371的最低功率要求。
5 结论
针对AD9371芯片中传统互同步峰值检测模块在信道从空闲变到突发信号时会产生输出电平突变并导致系统失步问题，本文提出一种改进的双滑动窗口帧前沿检测模块，检测出数据包前沿到达的时刻，能有效克服AD9371互相关峰值检测突变的错误问题，还能降低同步模块功耗。经过实测，系统能达到-14 dBm的同步检测精度，完全满足AD9371宽带系统突发通信中的同步检测需要。
参考文献
[1] Analog Devices公司.AD9371参考手册[Z].2016.
[2] 朱雪田，夏旭.5G网络关键技术和业务[J].电子技术应用，2018，44(9)：1-4，8.
[3] 高程，朱雪田，刘春花.5G波束故障恢复设计与实现[J].电子技术应用，2018，44(9)：9-11，16.
[4] 于志强.面向第四代移动通信系统的高性能射频收发机的研究与设计[D].南京：东南大学，2013.
[5] TERRY J.OFDM wireless LANS：A theoretical and practical guide[M].Sams Indianapolis，2001.
[6] 张大旭.集成式收发机芯片AD9371射频系统设计[D].南京：东南大学，2018.
[7] 谢拥军，王正鹏，苗俊刚，等.5G射频室内测试的关键技术[J].电子技术应用，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，李明维，张传远，钱占奎，谢士银，梁 薇
(北京国电通网络技术有限公司，北京100081)