CN101621488A - Dvb-s2系统接收机全模式物理层帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字通信传输同步技术领域，具体为DVB－S2系统接收机全模式物理层帧同步方法。本发明充分利用物理层帧结构的特点，通过在有导频模式下抽取导频信息后联合帧头90个符号抽取得到的信息，在无导频模式下利用帧头90个符号抽取得到的信息，分别进行差分相关处理后进入并行滑动峰值检测窗口，在每个窗口内进行峰值检测判决时引入双峰值检测方案并做出相应判决。本发明可加快帧同步捕获帧头的速度，明显提高系统工作在低信噪比及较大频偏时帧同步相关峰的性能，准确地给出帧同步及起始位置信息。另外也对差分相关处理时的乘法器用简单的控制交换单元代替，保证其具有较低的复杂度。

Description

DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法

技术领域

本发明属于数字通信传输同步技术领域，具体涉及一种DVB-S2(第二代卫星数字视频广播)系统接收机全模式物理层帧同步方法。

背景技术

近年来，无线卫星广播通信得到广泛的关注。DVB-S2系统以其接近香农极限的优良性能和更高的频谱利用率，由ETSI批准替代DVB-S(第一代卫星数字视频广播)成为欧洲第二代数字卫星广播标准，已被我国及世界许多其他国家和地区认可并采纳。针对此标准的接收机的算法及实现研究成为当前卫星广播电视的热点。其中物理层帧的帧同步是DVB-S2接收机系统中的技术难点之一，它为接收机解调提供帧头位置基点参照，直接影响到接收机的解调性能，是决定系统性能的一个重要因素。

帧同步过程通常分成两个步骤：帧头捕获与帧头跟踪。帧头捕获是确定帧头所在位置，锁定帧头位置之后帧头跟踪给出帧头位置标志，从而完成整个帧同步过程，由此可见帧头捕获是帧同步过程中的关键步骤。

DVB-S2系统中进行帧同步面临两个主要的困难：一是需要工作在极低信噪比(最低可至-2.35dB)条件下，二是需要抵抗传输信号经信道后所引入的较大载波频率偏差(最大可达到数据传输符号率的20％)。传统的方法如仅采用帧头符号相关运算及基于阈值检测的方法来捕获帧头位置或其他一些重点针对大的载波频偏条件下的帧同步方法，缺点在于阈值参数需要通过大量仿真来选取，并且对信道参数如信噪比及频偏等很敏感，仅适合于较高信噪比及信道条件相对稳定的情况，或运算较复杂并且捕获帧头的速度太慢；这些特点显然不能满足DVB-S2的系统要求，可见寻求一种高性能的DVB-S2物理层帧同步的必要性。

发明内容

本发明的目的是提供一种DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，以实现在低信噪比和大载波频率偏差存在的条件下，仍能快速、稳定而可靠的完成物理层的帧同步，它同时支持系统帧结构为有导频模式和无导频模式。

DVB-S2系统在DVB-S系统基础上，引入了有导频模式以辅助接收机达到更好的解调性能，但导频的引入会一定程度上降低系统的带宽利用率，所以DVB-S2保留了无导频模式。同时对两种模式的支持也意味着接收机应该能同时处理这两种模式。所以传统的帧同步方法多是集中在对帧头开始的26个符号(这些符号是固定的)进行各种相关处理，而在不同的信噪比下通过大量仿真引入阈值检测机制。信道条件通常是在变化的，也就意味着这些方法的不稳定性。而且，DVB-S2所要求的支持恶劣条件(如-2.35dB信噪比，20％的载波频偏)，使得这些方法通常的帧同步时间很长，难以满足系统及用户的需要。

本发明与传统的基于阈值检测或其他已有帧同步的方法的区别在于：其一，整个帧同步过程是基于无阈值检测的，这样便使帧同步不受预先设定的与信噪比参数有关的阈值的影响；其二，在相关运算时，新采用了双峰值检测方案，即在每个窗口中挑选出了相对最大的前两个峰值的位置，这样可以提高对正确帧头位置的有效覆盖；其三，引入了导频信息抽取得到的序列，使其参与相关运算，在有导频模式时明显提高对低信噪比和大载波频率偏差等恶劣条件的抵抗能力。

本发明提出一种DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步的方法，包括差分信息的抽取，相关运算处理及相关峰值检测与帧捕获判决等步骤。它在数字信号处理系统中依次按以下步骤实现：

(1)通过合并器，把接收到的I(in-phase，同相)和Q(quadrate，正交)两路数据合为一路串行输入到物理层帧同步模块，顺序经过3个深度为1476的FIFO(First-In-First-Out，先入先出)单元缓冲；

(2)抽取与3级FIFO的输入和输出序列进行相关运算的差分信息序列；

(3)3级FIFO的输入和输出序列与预先抽取得到的差分信息序列进行相关计算；

(4)相关计算得到的值在并行滑动窗口下进行峰值检测与帧捕获判决；

(5)判决后给出物理层帧同步捕获信号及帧头起始位置参考信号；

(6)由步骤(5)中得到的信息跟踪输入数据，并在下一帧给出帧头起始位置指示信号。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，它支持全模式物理层帧同步，即同时支持DVB-S2系统帧结构为有导频模式和无导频模式。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，所述抽取差分信息序列，是同时抽取出前3组导频和帧头90个符号中的差分信息序列，3组导频中每组导频均抽取出长度为35的差分信息序列，记为序列P1，序列P2，序列P3，帧头90个符号抽取出2组差分信息序列，长度分别为25和32，记为P_SOF，P_PLSC。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，所述的相关计算，帧结构为有导频模式时，由序列P1，P2，P3和P_SOF，P_PLSC分别控制3级FIFO输入和输出序列进行相关运算；帧结构为无导频模式时，仅由P_SOF，P_PLSC控制第1级FIFO输出序列(亦即帧头90个符号)进行相关运算。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，帧结构为有导频模式时，对序列P1，P2，P3和P_SOF，P_PLSC分别控制得到的相关值进行求和并取绝对值；帧结构为无导频模式时，由P_SOF控制得到的相关值减去由P_PLSC控制得到的相关值，并取绝对值。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，设立8个并行窗口(分别对应有导频模式和无导频模式时的QPSK/8PSK/16APSK/32APSK调制方式时的物理层帧长)，采用双峰值检测方案，即在这些窗口内挑选出由上一步计算得到的值中的最大值和次大值的位置信息并记录。挑选时对同一长度的窗口采取滑动策略，在连续的3个窗口内比较这些位置中是否存在相同。若存在相同即进入帧捕获判决模式，给出帧头位置参考信息及调制方式(对应着物理层帧的长度)信息；若不存在则滑动到新的3个窗口中继续检测，以此类推，直到出现相同的峰值位置。

按照如上所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，根据上一步给出的帧头位置参考信号，跟踪帧头并在下一帧给出准确的帧头起始位置指示信号。

本发明的有益效果

(a)在对抗大的载波频偏方面的优势理论分析：

考虑频偏和相偏及噪声影响，建立接收信号的模型：

r_i＝s_i·e^j(ΔwT+Δθ)+n_i            (1)

其中r_i为定时恢复后(帧同步输入端)的数据符号，s_i为发送端数据符号，Δw和Δθ分别为符号频偏和相偏，n_i为AWGN信号。经过附图3和5中的差分检测电路，运算如下：

r_i+1·r_i′

＝s_i+1s_ie^j(ΔwT+Δθ)e^{-j(ΔwT+Δθ)}

+(n_is_i+1e^j(ΔwT+Δθ)+n_i+1s_ie^{-j(ΔwT+Δθ)}+n_in_i+1)

＝s_i+1s_i+N_i                         (2)

通常将卫星信道中的噪声建模为高斯白噪声，因此由高斯白噪声信号的自相关特性上式中N_i的第三项的数学期望值为0，而信号与噪声不相关使N_i前两项数学期望值为0，星座图上N_i前两项形象地表征为高斯白噪声信号沿逆时针和顺时针的旋转。

通过以上分析可以看出，利用接收数据相关后对单个数据频偏不敏感的特性，就把频偏和相偏对帧同步算法的影响转化成了噪声。

(b)在低信噪比条件下的算法优势的理论分析：

仅对帧头数据做差分检测共抽取出67符号相关信息，而引入前三段导频段后共抽取出67+3×35＝172符号相关信息，等效地信噪比降低了

ΔSNR＝10×log(172/67)＝4.09dB       (3)

而双峰值检测的引入则进一步提高了每一个窗口内捕获到帧头的可能性，理论分析和仿真实现均证明，使用该发明的优点在于引入帧头加导频差分信息序列进行相关运算机制提高了帧同步的性能，在实现过程中优化的差分检测模块和峰值检测算法进一步提高了帧头捕获速度，同时保证相对较低的硬件复杂度。即使在极低信噪比和大载波频偏条件下，仍然能快速捕捉帧头，相对已有帧同步方案在DVB-S2系统中更具吸引力。

附图说明

图1描述了DVB-S2系统物理层帧的帧结构。

图2直观表征了DVB-S2系统物理层帧头90个符号在星座图上的映射规则(π/2-BPSK)。

图3a为对输入的数据(理想情况下出现最大相关峰值时则正好为帧头部分)的符号进行差分检测。

图3b为对3a中3级流水线加法的详细说明。

图4为对第一个导频段的扰码序列以及理想情况下扰码后接收到的物理层第一导频段的符号数据，共36个。

图5为对输入的数据(理想情况下出现最大相关峰值时则正好为第一个导频段符号数据)的差分检测，共35个交换单元。

图6示意了帧同步相关运算帧头部分与导频部分做相关时的连接关系。

图7示意了相关求值后在并行滑动窗口下进行峰值检测与判决的方案。

图8是应用该方案进行实验得到的物理层帧同步10帧内同步失败率与信噪比的关系曲线。

具体实施方式

该方案用于DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步部分的实现中，显示出了很好的帧同步效果，甚至超出了DVB-S2的系统预期要求，实验结果如图8所示，实验条件设置如下：符号传输速率25M波特率，载波频率偏移为5MHz，检测窗口设置为10个物理帧。

下面介绍针对该发明的帧同步方法的原理，以及详细介绍具体实施的步骤：

(1)对特殊字段求差分相关(即对SOF、PLSC及前三个导频段求差分相关)

在DVB-S2中，帧头部分分成SOF(Start Of Frame)段和PLSC(Physical Layer SignalingCode)段，如附图1所示，其中XFECFRAME表示数据部分。帧头共有90个符号组成，其中SOF和PLSC分别占有26和64个符号。SOF为18D2E82_HEX，这一段数据信息在DVB-S2协议中是固定不变的，PLSC是由相关信息的7个比特经过一阶Reed-Muller码(64，7，32)编码后再经DVB-S2标准中选定的扰码序列扰码构成的64个比特。扰码之后把生成的64个比特信息再经过π/2-BPSK(两相相移键控)调制，相应的星座图直观表征如附图2所示。奇数位被调制到了一、三象限，偶数位调制到了二、四象限。有下式成立：

$C=\left\{\begin{array}{c}s\left(m\right)\×\mathrm{conj}\left(s(m+1)\right)=\±j\\ M=\left\{m\right|m=\mathrm{1,2,3},...,\mathrm{24,25}\}\\ s(2k-1)\×\mathrm{conj}\left(s\left(2k\right)\right)=\±j\\ K=\left\{k\right|k=\mathrm{14,15,16},...,\mathrm{44,45}\}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中s(n)代表第n个符号，conj代表复数求共轭，C代表求出的相邻符号间的相关值。由式(4)可见C的取值只可能是±j，分成2组序列(分别记为P_SOF和P_PLSC)，长度分别为25和32，共计57个差分相关值。利用SOF和PLSC段这种特殊的数据结构，可以在本地预先产生一组与之相对应的数据。当接收到的数据进入帧同步模块，先进行运算z(k)＝r(k-1)×conj[r(k)]，其中r(k)和r(k-1)分别表示接收到的第k个和第k-1个符号。再将z(k)与在本地预先产生的P_SOF和P_PLSC做相关运算，如附图3a所示，由于相关值为j或-j，故可省掉乘法器，只需用交换单元和求反逻辑来替代，对于57个抽头对应的输出值进行相加时采用流水线加法，如附图3b所示。其中的1，2，...，57即代表这57个输出值，整个加法共分成3级，每一级都按图3b中分组相加求和，这样的目的在于提高时钟频率。以上便完成了对帧头数据段的相关运算。

DVB-S2的一个重要特点在于能够在更低的信噪比下工作，为加快低信噪比时帧同步的速度，在有导频模式时抽取导频信息加以利用，这里提取靠近帧头部分的前三段导频信息，方法如下：在发射端，物理层扰码前导频符号均被调制到第一象限，而扰码序列是固定的，这样可以得到扰码后的导频段数据也是固定的，如附图4所示(图中以第一段导频为例)，这样对导频段进行z(k)＝r(k-1)×conj[r(k)]的运算也就是固定的，对于第一导频段，可抽取出如下相关序列，其中.*代表点乘，即两同维数组的对应位置的元素相乘：

corr_pilot_seg1

＝pilot_seg1(1:35).*conj(pilot_seg1(2:36))     (5)

＝[j，1，1，j，..，1，j]

利用这些预先计算好得到的差分序列值(记为P1)的共轭作为抽头系数(仅可能为1，-1，j，-j的集合)，可构造出求相关值的电路，进行相关值计算，如附图5所示。首先，输入数据经过一深度为1476的先入先出单元缓冲，其输出的每相邻的两个数据进行相关(共轭相乘)，这样对于长度为36的导频数据将会依次得到35个相关值，这些相关值经过流水线加法器(结构亦如图3b，由P1控制)相加求绝对值，最后便得到了第一段导频数据的相关值。对于第二段和第三段导频，其与第一段导频求相关值的电路结构完全相同。图7示意了三段导频段相关与帧头段相关运算的连接关系。如上所述，3级FIFO级联，其输入和输出分别由P3，P2，P1，P_SOF和P_PLSC控制进行相关运算。在有导频模式时，这五组相关运算得到的值相加后求绝对值进入下一步骤的并行滑动峰值检测与判决，而在无导频模式时，由P_SOF控制得到的相关值减去由P_PLSC控制得到的相关值，并取绝对值，然后进入下一步骤的检测与判决。对于接收到的数据，有无导频是事先未知的，两类相关值分别进入各自对应的窗口进行峰值检测与判决，这样便实现了对全模式物理层帧同步的支持。

(2)峰值检测与判决

1.设定窗口的大小分别为有/无导频QPSK、8PSK、16APSK、32APSK调制方式下的帧长，分别在这8种并行窗口内计算第一步中的相关值，并行寻找出其峰值及次峰值并分别记录其位置。

2.在这些窗口中分别比较相邻的三个窗口中所记录的峰值位置，其中对于某个类型窗口，只要任意两个位置相同，便可确定帧已经被捕获，对应的窗口长度即为帧长度，同时给出调制方式信息。这种双峰值检测方案与传统的只选择一个最大值，并在多个窗口确定峰值位置，最后判断这些峰值位置之间的间隔是否为某种帧长度的整数倍不同。判决单元通过比较峰值位置是否相同来确定帧同步。首先它得到每个搜索窗口中的两个最大峰值的位置并用寄存器记录每个峰值的位置。在判决时本文提出了滑动检测判决方案，如附图7所示，判决单元依次向右滑动。以QPSK调制方式为例，若前三个窗口内的峰值位置各不相同，则用第二、三、四个窗口进行第二次峰值位置比较，依次类推，直至出现相同的峰值位置。

3.根据2中给出的相同的峰值位置，在下一帧到来时给出帧头起始位置。帧捕获判决之后，数据经过了3×1476+90＝4518个数据符号的延迟，根据判决得知帧的调制类型和帧长，便可给出下一帧起始位置的参考信息，即等待(帧长一4518)个数据周期后，就是下一帧帧头的起始位置。

本发明实现了在低信噪比和大载波频率偏差存在的条件下，仍能快速、稳定而可靠的完成有/无导频及QPSK/8PSK/16APSK/32APSK全模式的物理层帧同步的目标。

Claims (6)

1.DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步的方法，同时支持DVB-S2系统帧结构为有导频模式和无导频模式，其特征在于，在数字信号处理系统中的实现步骤如下：

(1)通过合并器，把接收到的I和Q两路数据合为一路串行输入到物理层帧同步模块，顺序经过3级深度为1476的FIFO单元缓冲；

(2)抽取与3级FIFO的输入和输出序列进行相关运算的差分信息序列；

(3)3级FIFO的输入和输出序列与预先抽取得到的差分信息序列进行相关计算；

(4)相关计算得到的值在并行滑动窗口下进行峰值检测与帧捕获判决；

(5)判决后给出物理层帧同步捕获信号及帧头起始位置参考信号；

(6)由步骤(5)中得到的信息跟踪输入数据，并在下一帧给出帧头起始位置指示信号。

2.根据权利要求1所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，步骤(2)中所述抽取差分信息序列，是同时抽取出前3组导频和帧头90个符号中的差分信息序列，3组导频中每组导频均抽取出长度为35的差分信息序列，记为序列P1，序列P2，序列P3，帧头90个符号抽取出2组差分信息序列，长度分别为25和32，记为P_SOF，P_PLSC。

3.根据权利要求2所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，步骤(3)中所述的相关计算，在帧结构为有导频模式时，由序列P1，P2，P3和P_SOF，P_PLSC分别控制3级FIFO输入和输出序列的相关运算；帧结构为无导频模式时，仅由P_SOF，P_PLSC控制第1级FIFO输出序列亦即帧头90个符号的相关运算。

4.根据权利要求3所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，帧结构为有导频模式时，对序列P1，P2，P3和P_SOF，P_PLSC分别控制得到的相关值进行求和并取绝对值；帧结构为无导频模式时，由P_SOF控制得到的相关值减去由P_PLSC控制得到的相关值，并取绝对值。

5.根据权利要求4所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，步骤(4)中所述的峰值检测和帧捕获判决方法如下：设立8个并行窗口，分别对应有导频模式和无导频模式时的QPSK/8PSK/16APSK/32APSK等调制方式时的物理层帧长，采用双峰值检测方案，即在这些窗口内挑选出得到的相关值的绝对值中的最大值和次大值的位置信息并记录，挑选时对同一长度的窗口采取滑动策略，在连续的3个窗口内比较这些位置中是否存在相同；若存在相同即进入帧捕获判决模式，给出帧头位置参考信息及调制方式信息，这里的调制方式对应着物理层帧的长度；若不存在则滑动到新的3个窗口中继续检测，以此类推，直到出现相同的峰值位置。

6.根据权利要求5所述的DVB-S2系统接收机全模式物理层帧同步方法，其特征在于，根据给出的帧头位置参考信息，跟踪帧头并在下一帧给出准确的帧头起始位置指示信号。

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