CN101304403B - 一种帧同步方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种帧同步方法及系统，所述方法的特征在于包括下列步骤：在同步锁定之前，生成本地伪随机序列并取其中间一段数据与接收数据进行相关，输出峰值位置；根据所述峰值位置得出峰值位置位移，并且利用当前峰值位置位移和前一峰值位置位移之间的关系进行锁定。本发明通过在帧同步锁定前后分别对本地伪随机(PN)序列采用不同的设置，并且分别采用不同的锁定置信策略，保证了峰值位置的稳定性，缩短了同步时间，使同步具有更好的稳定性。

Description

一种帧同步方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信息传输领域，尤其涉及一种针对中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机的帧同步方法及系统。 

背景技术

图1是中国数字电视地面标准的复帧结构。如图1所示，中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)帧结构数据帧结构是一种四层结构。信号帧是系统帧结构的基本单元，一个信号帧由帧头和帧体两部分时域信号组成。帧头和帧体信号的基带符号率(7.56Msps)相同。 

帧头部分由PN序列构成，其长度有三种选项。帧头信号采用I路和Q路相同的4QAM调制。 

帧体部分包含36个符号的系统信息和3744个符号的数据，共3780个符号。帧体长度是500μs(3780×1/7.56μs)，保持不变。 

如表1所示，为适应不同应用，定义了三种可选的帧头模式以及相应的信号帧结构。对于a)的信号帧结构，每225个信号帧组成一个超帧(225×4200×1/7.56μs＝125ms)；对于b)的信号帧结构，每216个信号帧组成一个超帧(216×4375×1/7.56μs＝125ms)；对于c)的信号帧结构，每200个信号帧组成一个超帧(200×4725×1/7.56μs＝125ms)。由此可见，三种帧头模式所对应的超帧长度都保持不变。 

表1 

帧头模式1： 

帧头模式1采用的PN序列定义为循环扩展的8阶m序列，可由一个线性反馈移位寄存器(LFSR)实现，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。 

长度为420个符号的帧头信号(PN420)，由一个前同步、一个PN255序列和一个后同步构成，前同步和后同步定义为PN255序列的循环扩展，其中前同步长度为82个符号，后同步长度为83个符号，如下表2所示。 

前同步82个符号

PN255

后同步83个符号

表2 

LFSR的初始条件确定所产生的PN序列的相位。在一个超帧中共有225个信号帧。每个超帧中各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。 

产生序列PN255的LFSR的生成多项式定义为： 

G₂₅₅(x)＝1+x+x⁵+x⁶+x⁸

图2是8阶m序列生成结构。 

PN420序列可以用图2所示的LFSR产生。 

帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率的2倍。 

协议中规定：不要求指示帧序号时，上述PN序列无需实现相位变化，使用序号0的PN初始相位。 

帧头模式2： 

帧头模式2采用10阶最大长度伪随机二进制序列截短而成，帧头信号的长度为595个符号，是长度为1023的m序列的前595个码片。 

该最大长度伪随机二进制序列由10比特LFSR产生。该最大长度伪随机二进制序列的生成多项式为： 

G₁₀₂₃(x)＝1+x³+x¹⁰

该10比特LFSR的初始相位为：0000000001，在每个信号帧开始时复位。 

图3是10阶m序列生成结构。 

产生该最大长度伪随机二进制序列的结构如图3所示。 

由图3产生的伪随机序列的前595码片，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。在一个超帧中共有216个信号帧。每个超帧中各信号帧的帧头采用相同的PN序列。 

帧头信号的平均功率与帧体信号的平均功率相同。 

帧头模式3： 

帧头模式3采用的PN序列定义为循环扩展的9阶m序列，可由一个LFSR实现，经“0”到+1值及“1”到-1值的映射变换为非归零的二进制符号。 

长度为945个符号的帧头信号(PN945)，由一个前同步、一个PN511序列和一个后同步构成。前同步和后同步定义为PN511序列的循环扩展，前同步和后同步长度均为217个符号，如下表所示。LFSR的初始条件确定所产生的PN序列的相位。在一个超帧中共有200个信号帧，每个超帧中各信号帧的帧头采用不同相位的PN信号作为信号帧识别符。 

前同步217个符号

PN511

后同步217个符号

表3 

产生序列PN511的LFSR的生成多项式定义为： 

G₅₁₁(x)＝1+x²+x⁷+x⁸+x⁹

图4是9阶m序列生成结构。 

PN945序列可以用图4的LFSR产生。 

基于图4所示LFSR的初始状态，可产生511个不同相位的PN945序列，从序号0到序号510。本标准选用其中的200个PN945序列，从序号0到序号199。形成的信号帧序号序列和LFSR的初始状态参见标准4.6.2.3。在每个超帧开始时LFSR复位到序号0的初始相位。 

帧头信号的平均功率是帧体信号的平均功率2倍。 

协议中规定在不要求指示帧序号时，上述PN序列无需实现相位变化，使用序号0的PN初始相位。 

在清华大学提交的中国专利200410003482.2，《时域同步正交频分复用接收机的帧同步方法及其系统》中提出了一种技术方案。所述技术方案使用的帧同步PN序列基于一组移动的m序列，依次采用滑动相关法计算过采样后的信号与本地PN序列的相关性，用峰值检测法检测相关峰值及其位置，用相邻信号帧的相位编码确定各个信号帧PN序列的相位，否则，重新启动码捕获程序。该方案的缺点在于需要用四倍的过采样数据，致使电路复杂。 

此外，在电子科技大学的赵文亮发表的学位论文，“地面数字电视融合方案接收机的同步系统的设计与实现”中，还提出了一种技术方案，其中，接收信号帧与本地PN序列相关，根据峰值调整采样时钟，当采样偏差校正到一个采样符号以内时进行相位匹配操作完成帧同步。该方案的缺点在于同步时间较长，相位匹配在采样偏差较大时也可以完成。 

发明内容

本发明提供了一种能解决上述问题的帧同步方法及系统。 

在第一方面，本发明提供了一种帧同步方法，其特征在于：在同步锁定之前，生成本地伪随机序列；取所述本地伪随机序列的中间一段数据与接收信号帧进行相关，输出峰值位置；利用所述峰值位置得出峰值位移，利用当前峰值位移和前一峰值位移之间的关系进行锁定置信，利用当前峰值位移得到下一信号帧的伪随机序列的初始相位；在同步锁定之后，利用所述下一信号帧的伪随机序列初始相位生成本地伪随机序列；取所述本地伪随机序列的前面一段数据与接收信号帧进行相关，输出峰值位置；对所述当前峰值位置进行相位补偿，得到补偿峰值位置；利用前一峰值位置生成理论峰值位置；利用所述补偿峰值位置和所述理论峰值位置之间的关系进行锁定置信；根据当前峰值位置对接收信号帧给出帧体起始指示信号。 

在第二方面，本发明提供了一种帧同步系统，包括：本地伪随机序列生成单元，用于生成本地伪随机序列；相关峰值检测单元，用于在同步锁定之前取所述本地伪随机序列的中间一段数据与接收数据进行相关，在同步锁定之后取本地所述伪随机序列的前面一段数据与接收数据 进行相关，并且在同步锁定前后均输出峰值位置；相位补偿单元，用于在同步锁定之后对当前峰值位置进行相位补偿，得到补偿峰值位置；理论峰值位置生成单元，用于在同步锁定之后利用前一峰值位置生成理论峰值位置；伪随机相位检测单元，在同步锁定之前，用于利用所述峰值位置得出峰值位移，利用当前峰值位移得到下一信号帧的伪随机序列的初始相位，并且在同步锁定之前利用当前峰值位移和前一峰值位移之间的关系进行锁定置信，在同步锁定之后利用所述补偿峰值位置和所述理论峰值位置之间的关系进行锁定置信；在锁定之后，根据当前峰值位置对接收信号帧给出帧体起始指示信号；其中，所述本地伪随机序列的初始相位在锁定之前为0，在锁定之后为所述下一信号帧的伪随机序列的初始相位。 

本发明通过在帧同步锁定前后分别对本地PN序列采用不同的设置，并且分别采用不同的锁定置信策略，保证了峰值位置的稳定性，缩短了同步时间，使同步具有更好的稳定性。 

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中： 

图1是中国数字电视地面标准的复帧结构； 

图2是8阶m序列生成结构； 

图3是10阶m序列生成结构； 

图4是9阶m序列生成结构； 

图5是根据本发明的帧同步方案； 

图6是帧同步锁定前对于帧头模式1的相关输出波形； 

图7是帧同步锁定后对于帧头模式1的相关输出波形；以及 

图8是利用锁定前的PN序列的去信道干扰方法。 

具体实施方式

图5是根据本发明的帧同步方案。该帧同步方案可以适用于中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机。 

如图5所示，帧同步系统包括：本地PN序列生成单元、相关峰值检测单元、相位补偿单元、理论峰值位置生成单元、PN相位检测单元。 

本地PN序列生成单元根据PN相位检测单元给出的相位φ生成相应的本地PN序列。 

相关峰值检测单元将接收信号与本地PN序列生成单元生成的本地序列相关，输出每帧相关值预选峰值位置I_i，peak。 

相位补偿单元用PN相位检测单元的输出值φ对相关峰值检测单元输出值I_i，peak进行补偿，输出值为I′_i，peak＝I_i，peak-φ。 

理论峰值位置生成单元输出理论相关峰值位置 

由 

得到。当PN相位检测单元的锁定信号Lock＝1时 

的初始值由 

得到， 

的初值由I′_i，peak得到。 

PN相位检测单元根据输入值I′_i，peak，I′_i-1，peak计算下一信号帧PN相位φ_i+1。当lock＝0时，φ＝0；当lock＝1时，φ＝φ_i+1。 

并且，在锁定之前，PN相位检测单元利用S_i(S_i＝I′_i，peak-I′_i-1，peak)和和S_i-1(S_i-1＝I′_i-1，peak-I′_i-2，peak)的关系对本方案进行锁定；在锁定之后，利用I′_i，peak和 

进行置信检测。 

下面按步骤简要描述根据本发明的帧同步方案的工作过程。 

1.初始阶段，本地PN序列初始相位为0，取生成PN序列(与信号帧PN长度一致)的中间一段与接收数据相关，在每一帧周期内寻找相关峰值p_i，peak，并记录该峰值位置I_i，peak。 

2.锁定之前(lock＝0)，PN相位检测单元利用S_i与S_i-1的关系对同步方案进行锁定，同时根据当前S_i得到下一帧信号帧PN初始相位φ_i+1。 

3.锁定之后(lock＝1)，本地序列的相位等于当前信号帧PN序列初始相位，然后取所生成序列(与信号帧PN长度一致)的前面一段与接收数据进行相关。 

4.锁定之后(lock＝1)，还要对输出的相关峰值位置I_i，peak进行补偿，同时改变锁定置信策略，即根据I′_i，peak和 

的关系进行置信计数。 

5.锁定之后，根据I_i，peak值对接收信号帧给出帧体起始指示信号。 

下面详细描述根据本发明的符合中国数字电视地面标准(GB20600-2006)接收机的帧同步方案。所述方案分为5个步骤。 

1)初始阶段，本地PN序列初始相位为0，取生成序列(与信号帧PN长度一致)的中间一段与接收数据相关，在每一帧周期内寻找相关峰值p_i，peak，并记录该峰值位置I_i，peak。 

设每帧帧长为N，对应的第i个信号帧相关值为p_i，0，p_i，1，p_i，2，...p_i，N-1， 

峰值p_i，peak及其峰值位置I_i，peak定义如下： 

p_i，peak＝p_i，0； 

I_i，peak＝0； 

for(j＝1；j＜＝N；j++) 

{ 

    if(p_i，j＞＝A·p_i，j-1) 

    { 

         p_i，peak＝p_i，j； 

         I_i，peak＝j； 

    } 

 }

其中A为设定的阈值系数。 

在初始阶段，选择本地PN序列需要满足如下条件：1)峰值明显；2)峰值位置不易受干扰。 

对于帧头模式1而言，PN序列是由8阶m序列扩展而成，周期为255。在一个完整周期内m序列自相关结果相移为0时为255，否则为-1，有比较明显的峰值，故相关长度L取255。同理对应于帧头模式3，L长度取511。 

接下来，对PN序列的初始相位与峰值位置的稳定性之间的关系进行探讨。 

以帧头模式1的帧头数据为例：帧头PN相位范围为[-56，56]。 

如果本地PN序列相位init_phy为0，本地PN序列为初始0相位的前255个数据，则对于帧头PN相位为-56的接收数据，峰值位置不稳定； 

如果本地PN序列相位init_phy为165，本地序列为初始0相位的后255个数据，对于帧头PN相位为56的接收数据，相关峰值则不稳定； 

当本地PN序列初始相位init_phy取56时，相关峰值比较稳定，但与帧头PN相位为56的接收数据相关峰值与次大峰值的比值为255/166显然劣于本地PN序列初始相位init_phy取82时的比值：255/109。 

综上，对于帧头模式1而言，本地PN序列相位init_phy为82是一个比较理想的值，即信号帧PN序列长度为420，取初始相位为0生成序列的中间255个数据。相对于PN序列0相位而言，初始相位init_phy为82，L＝255。 

也就是说，取本地PN序列的中间一段数据相关而得到的峰值位置不易受干扰。应当指出，中间的概念不是绝对的。可以取偏离正中位置的其他部分PN序列来进行相关操作。然而，PN序列取正中位置时其峰值位置最稳定。 

图6是帧同步锁定前采用本地PN序列相位82的对于帧头模式1的相关输出波形。 

同样的分析可以得出对应于帧头模式3的结果。对于帧头模式3而言，信号帧PN序列长度为945，取初始相位为0生成序列的中间511个数据。相对于PN序列0相位而言，初始相位init_phy为217，L＝511。 

2)在锁定之前，PN相位检测单元利用S_i＝I′_i，peak-I′_i-1，peak与S_i-1＝I′_i-1，peak-I′_i-2，peak的关系对同步方案进行锁定，同时根据当前S_i得到下一帧信号帧PN初始相位φ_i+1。 

首先论述初始相位φ_i+1的生成：帧头模式1支持可变相位的PN序列，对于一个超帧而言，有225个信号帧。其PN初始相位取值范围为[-56，56]，初始相位的位移范围为[-112，112]，初始相位位移正好构成一个信号帧。初始相位的位移等价相关峰值位置的位移，因此根据相关峰值位置位移S_i可以得到该信号帧在超帧中的位置可得到下一信号帧PN序列初始相位信息 

。 

该分析适用于相位可变的帧头模式3。此外，对于固定的帧头模式1或3，该操作同样适用，只不过S_i＝0。 

再论述锁定置信策略：根据以上分析，对于不同的帧头模式，S_i与S_i-1关系是唯一的。对于已知的S_i-1，可根据理论得到的S_i值和实际得到的S_i值比较进行锁定置信检测。检测置信方法如下：当两值相等时，置信计数器加1，否则减1，当置信计数器大于阈值时，PN相位检测单元给出锁定指示(lock＝1)。 

3)在锁定之后，本地序列的相位等于当前信号帧PN序列初始相位，取生成序列(与信号帧PN长度一致)的前面一段与接收数据相关。如1) 中所述，对于帧头模式1而言，相关长度L为255；对于帧头模式3而言，相关长度L为511。 

请注意，锁定后所选择序列相位与锁定前的序列相位有所不同。接下来解释有关理由。 

对于中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机，信道估计根据PN序列与接收数据相关得到，采用1)中的PN序列，对应于帧头模式1和帧头模式3，会发现存在如下问题：在峰值的前一个PN周期位置上会有一个峰值，该峰值是由于接收数据的帧头PN序列存在前循环部分，该部分将会对信道估计值形成干扰，尤其是在寻找第一径的策略上。图8是利用1)中的PN序列去信道干扰方法。以帧头模式1为例，通过图8的结构可以去除该干扰，但需要花费额外的硬件资源。 

然而，采用3)中的PN序列则可以解决以上问题，尤其在寻找第一径上不需要任何额外的代价。 

图7是帧同步锁定后对于帧头模式1的相关输出波形。 

4)在锁定之后，对输出的相关峰值位置I_i，peak进行补偿得到补偿后的相关峰值位置 

同时改变锁定置信策略，置信策略根据I′_i，peak和 的关系进行置信计数。 

首先论述相位补偿：当lock＝1时，由于产生的本地PN序列相位与当前数据帧的帧头PN初始相位是一致的，相关峰值位置I_i，peak在每一个帧周期内的位置不变，为了仍然利用S_i进行锁定检测，需要对I_i，peak值进行补偿，补偿后的值为：I′_i，peak＝I_i，peak-φ_i。 

再论述锁定后的置信策略：理论峰值位置生成单元自动产生当前帧的峰值位置 

其值由 得到，Lock＝1时 

的初始值由 

得到， 

的初值由I′_i，peak得到。具体的锁定置信策略是将计算峰值位置I′_i，peak与理论峰值位置生成单元产生的峰值位移 

进行比较，该锁定置信策略优于之前的置信策略，例如当采样时钟频偏导致的一个峰值位置发生错误时，锁定之前的锁定置信策略会计算两次错误，而新的锁定置信策略只计算一次错误，显然锁定之后的置信策略增强了系统的稳定性。 

5)在锁定之后，根据I_i，peak值对接收信号帧给出帧体起始指示信号。 

帧同步锁定之后，由于峰值位置I_i，peak在每一个信号帧周期内是相同的，所以信号帧的帧体起始数据与该峰值对应数据的距离T是唯一的。 

对于帧头模式1而言，T＝166； 

对于帧头模式3而言，T＝218； 

对于帧头模式2，由于其帧头PN相位固定且不是完整的PN序列，在该模式下取L＝511时，以上算法同样适合。此时T＝85. 

下面，根据一个具体实施例来描述本发明的实施方案。 

以中国数字电视地面标准(GB 20600-2006)接收机系统为例，假设接收数据采用PN420模式，其中相位是可变的，该方案实施方案如下： 

1.初始阶段，本地PN序列取初始相位为φ＝82，长度为255(初始相位为0的PN序列中间一段)与接收数据相关，在每一帧周期内寻找相关峰值p_i，peak，并记录该峰值位置I_i，peak。 

2.计算前后相邻帧峰值位置位移S_i＝I′_i，peak-I′_i-1，peak。PN相位检测(5)单元利用如下关系式对同步方案进行锁定： 

当满足上述关系式时，锁定置信计数器加1，否则减1，当计数器值大于2时，给出锁定信号，即lock＝1. 

当前帧初始相位与峰值位置位移关系如下所示 

联立(1)式可根据S_i求出下一帧接收数据PN序列初始相位φ_i+1。 

3.锁定之后(lock＝1)，本地序列取初始相位为φ_i+1，长度为255，与接收数据相关。 

4.对锁定后的输出相关峰值位置I_i，peak进行补偿，补偿值为I′_i，peak＝I_i，peak-φ。同时改变锁定置信策略，置信策略根据I′_i，peak和 

的关系进行置信计数。其中： 

${\tilde{I}}_{i,\mathrm{peak}}={\tilde{S}}_i+{\tilde{I}}_{i-1,\mathrm{peak}}$

的值通过关系式(1)求得。 

当 

时，计数器加1，否则减1。 

5.锁定后，对相关峰值对应的接收数据后第166个数据给出信号帧帧体起始指示信号。 

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。 

Claims (2)

1.一种帧同步方法，其特征在于：

在同步锁定之前，

取初始相位为0来生成本地伪随机序列；

取所述本地伪随机序列的中间一段数据与接收信号帧进行相关，输出峰值位置；

利用所述峰值位置得出峰值位移，利用当前峰值位移和前一峰值位移之间的关系进行锁定置信，利用当前峰值位移得到下一信号帧的伪随机序列的初始相位；

在同步锁定之后，

利用所述下一信号帧的伪随机序列初始相位生成本地伪随机序列；

取所述本地伪随机序列的前面一段数据与接收信号帧进行相关，输出峰值位置；

对所述当前峰值位置进行相位补偿，得到补偿峰值位置；

利用前一峰值位置生成理论峰值位置；

利用所述补偿峰值位置和所述理论峰值位置之间的关系进行锁定置信；

根据当前峰值位置对接收信号帧给出帧体起始指示信号。

2.一种帧同步系统，包括：

本地伪随机序列生成单元，用于生成本地伪随机序列；

相关峰值检测单元，用于在同步锁定之前取所述本地伪随机序列的中间一段数据与接收数据进行相关，在同步锁定之后取本地所述伪随机序列的前面一段数据与接收数据进行相关，并且在同步锁定前后均输出峰值位置；

相位补偿单元，用于在同步锁定之后对当前峰值位置进行相位补偿，得到补偿峰值位置；

理论峰值位置生成单元，用于在同步锁定之后利用前一峰值位置生成理论峰值位置；

伪随机相位检测单元，在同步锁定之前，用于利用所述峰值位置得出峰值位移，利用当前峰值位移得到下一信号帧的伪随机序列的初始相位，并且在同步锁定之前利用当前峰值位移和前一峰值位移之间的关系进行锁定置信；在同步锁定之后，利用所述补偿峰值位置和所述理论峰值位置之间的关系进行锁定置信；

在锁定之后，根据当前峰值位置对接收信号帧给出帧体起始指示信号；

其中，所述本地伪随机序列的初始相位在锁定之前为0，在锁定之后为所述下一信号帧的伪随机序列的初始相位。

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