CN110034914B

CN110034914B - 克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法

Info

Publication number: CN110034914B
Application number: CN201910245224.1A
Authority: CN
Inventors: 潘云强; 刘保国; 汤达; 胡新士
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN110034914A

Abstract

本发明提出的一种克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，旨在提供一种可以工作在极低信噪比下适用于DVB‑S2协议的帧同步方法。本发明通过下述技术方案予以实现：将DVB‑S2接收机帧同步分为帧头捕获阶段和帧头跟踪阶段，在帧头捕获和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决；DVB‑S2接收机采用SOF+PLSC算法得到相关判决值，与帧头之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限进行比较，大于判决门限时，则将同步状态计数加1，否则将有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头；对于缓存区的所有有效帧头信息，并行操作以快速捕获到正确的帧头。

Description

克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域中克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，尤其是克服DVB-S2接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法。

背景技术

DVB-S2(the 2^nd Generation Digital Video Broadcasting-Satellite)是在DVB-S基础上提出了第二代数字卫星广播标准，是当前最先进的卫星广播标准之一。DVB-S2采用了接近香农限的LDPC编码，使得其可以工作在极低的信噪比(Es/N0＝-2.35dB)。在DVB-S2标准中，数据以帧为单位进行传输，在接收端需要准确找到每帧的起始位置，即通过帧同步来找到帧头的位置，然后提取当前帧的调制编码方式，进一步完成载波同步和译码。因此帧同步技术有着十分重要的地位，是数据传输的关键技术之一，只有准确无误的帧同步才能保证后端数据的正确处理。在DVB-S2卫星数字广播系统中，需要对信号进行多次的变频操作，由于器件的非理想性，同时信号在卫星信道中传输容易受到环境带来的非线性影响，这些因素都会给信号引入频率偏移和相位误差等载波偏差。在接收端，对信号进行相干解调时，由于信号中存在载波偏差，以及接收端的相干载波不能做到与发送端的载波完全同频同相，使得接收端不能将信号正确搬移回到基带以完成解调。因此在接收端需要进行载波同步，消除载波偏差带来的影响，实现对信号的正确解调。DVB-S2中数据在物理层以帧格式出现，见图7，每一帧都由帧头部分PLHEADER和数据部分DATA构成，而帧头由同步起始标志字SOF (Start of Frame)和物理层信令编码(Physical Layer Signaling Code,PLSC)组成，数据部分为一帧中传输的有效数据，每90个符号作为一个时隙，并根据需求每隔16个时隙插入一个导频段(可选)，每个导频段有36个符号。帧头共90个符号，SOF和PLSC分别有26个和 64个符号。星座映射前，SOF为固定码字(18D2E82)_HEX；PLSC为包含相关信令的7个比特经过一阶Reed-Muller编码,并经过固定的扰码序列加扰后形成64个比特，其中，第奇数个比特与紧邻其后的第偶数个比特保持相同或相反的关系。帧头部分的90个符号采用π/2- BPSK星座映射方式。

帧同步是DVB-S2接收机进行解调的基础。在通信双方进行数据流传输时，帧同步的目的是使接收端能够在接收信号序列中正确找到每一帧的起始位置，建立与发送端起止时刻相一致的定时脉冲序列。建立帧同步的基本办法是在数字信息流中插入一些特殊码组作为每帧的头尾标记，接收端根据这些特殊码组的位置来实现帧同步。由于系统发送端与接收端器件的非理想性，以及卫星信道的特殊性，使得DVB-S2信号在传输的过程中受到了频率偏差和相位噪声的影响。由于在实际通信系统中，发射机和接收机之间存在着载波频率偏差，而接收机只有在检测出帧起始位置后，才能进行后续的载波频偏估计等，因而要求帧同步算法在存在载波频偏等干扰的情况下也能够正常工作。

目前，对特定序列进行相关的帧同步方法大体可分为两类，一类基于求解接收信号序列的自相关函数，另一类基于求解接收信号序列与接收端本地序列的互相关函数。基于自相关的帧同步方法对载波频偏等干扰具有较强的抵抗能力，但采用传统自相关方法获得的接收信号自相关曲线往往在峰值附近变化平缓，难以在低信噪比下准确检测出帧头位置。为了克服这一缺点，需要设计复杂的同步序列或者对自相关结果进行复杂的二次处理等。基于互相关的帧同步算法具有相关曲线峰值突出的优点，能够较好的抵抗高斯噪声的干扰，且硬件资源消耗远少于自相关方法所采用的相关器。但是，互相关方法得到的相关峰值极易受载波频偏影响，使得接收信号序列与本地序列的互相关峰值随载波频偏增大而减小，严重时甚至会减小接近于0，将使得帧同步漏检概率大大增加，难以确保帧同步模块的正常工作。

因此，DVB-S2接收机需要工作在大频偏、极低的信噪比(Es/N0＝-2.35dB)之下，这就需要帧同步能够在大频偏、极低信噪比下完成帧头的搜索与跟踪，给帧同步提出了更高的要求。帧同步方案主要根据帧头信息完成。显而易见，可以利用26位的SOF进行自相关算法实现帧同步，但是仅仅利用SOF信息在大频偏和低信噪比条件下实现帧同步时性能很差。另外考虑到PLSC的特殊性(第奇数个比特与紧邻其后的第偶数个比特保持相同或相反的关系)，许多文献的策略中也额外利用PLSC的信息，最常用的是相邻两个符号的共轭差分策略。该算法为SOF+PLSC联合差分检测算法，并且是一种应用于DVB-S2中较为常见的帧同步算法，见图2所示。由于利用了26个符号的SOF和64个符号的PLSC共90个符号，帧同步性能大大提升。但经过仿真发现，该帧同步方案在信噪比Es/N0小于1dB时,性能恶化明显，无法在信噪比Es/N0＝-2.35dB时可靠稳定工作。

为了克服载波频偏的影响，现有技术首先根据最大似然准则估计出载波频偏，然后将估计结果用于计算接收信号序列和本地序列的互相关结果。但是，所采用方法的运算过程均过于复杂，其消耗的硬件资源随帧同步序列长度的增加而显著增长，不适合应用于实际通信系统。在实际通信系统中，同步序列的长度为固定值。当系统中存在较大的载波频偏时，如果采用直接对接收信号序列和本地序列进行互相关的方法检测帧起始位置，由于相关结果峰值受载波频偏的影响而减小，将使得漏检概率大大增加，难以确保帧同步模块的正常工作。通常帧同步分为帧头捕获与帧头跟踪两个步骤，前者目的是确定帧起始位置,后者则给出帧头捕获后每一帧的帧起始位置标志,进而完成帧同步。在DVB-S2接收系统中,帧同步主要面临困难是需要能够工作在极低信噪比，能够抵抗信号较大载波频率偏差，其帧同帧同步方法及综合比较分析步所需时间太长，而且对载波频偏和相偏不敏道敏感而不易选取。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术DVB-S2信号载波频率偏移较大以及信噪比低时的帧同步存在的不足之处，在SOF+PLSC检测算法的基础上，进一步提供一种同步快、同步精度高、误检概率低，抗噪能力强，可以工作在极低信噪比(Es/N0＝-2.35dB)下适用于DVB- S2协议的帧同步方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，尤其是克服DVB-S2接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，具有如下技术特征：将DVB-S2接收机帧同步分为帧头捕获阶段和帧头跟踪阶段，在帧头捕获和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决；在帧头捕获阶段，DVB-S2接收机采用 SOF+PLSC算法得到相关判决值，当相关判决值大于预设的判决门限时，DVB-S2接收机缓存该帧头信息，通过RM译码算法获取当前帧的帧长，将帧计数设置0，同步状态设置为状态S0，把帧头有效性和同步状态计数设置为1，然后每接收到1个符号信息，则帧计数加1；当某个帧头信息的帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新该帧头信息中的帧长，将该帧头信息中的帧计数重置为0，并缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，与帧头之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限进行比较，当平均的结果大于判决门限时，则将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头；DVB-S2接收机对于缓存区的所有有效帧头信息，重复该操作。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

同步快、同步精度高。本发明在帧头捕获阶段对所有可能的帧头信息进行了缓存，并同时并行搜索正确的帧头位置，因此在极低信噪比下也可以在短时间内快速捕获到正确的帧头位置。

误检概率低。本发明将DVB-S2接收机帧同步分为帧头捕获阶段和帧头跟踪阶段，在帧头搜索和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决，有效增加了参与相关运算的符号序列个数，极大降低了统计方差，使得帧同步在极低信噪比(Es/N0＝-2.35dB)下可靠稳定工作。

抗噪能力强。本发明将平均的结果与预设的判决门限进行比较，可以产生较强的抗噪能力，与已有方法相比，该方案相对简单，性能优异，明显降低了帧同步错误概率，运算复杂度较低。在硬件资源和帧同步时间变化不大的情况下使假同步概率大大降低,改善了接收机性能。实验结果表明,在不增加帧头捕获时间的前提下有效地降低了误检概率。即使在 DVB-S2标准规定的最恶劣的条件下(5MHz归一化载波频偏和-2.35dB的信噪比)，该方案仍能快速准确地完成帧同步。

本发明的适用于DVB-S2协议的帧同步。

附图说明

图1为本发明克服DVB-S2接收机低信噪比和载波频偏的帧同步流程图。

图2为SOF+PLSC的DVB-S2帧同步检测算法联合差分检测算法实现结构图。

图3为本发明帧头捕获阶段帧头信息缓存示意图。

图4为采用本发明前后相关判决值仿真图。

图5为采用本发明前后的漏检概率。

图6为采用本发明前后的虚警概率。

图7是DVB-S2协议的帧格式。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，将DVB-S2接收机帧同步分为帧头捕获阶段和帧头跟踪阶段，在帧头捕获和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决；在帧头捕获阶段，DVB-S2 接收机采用SOF+PLSC算法得到相关判决值，当相关判决值大于预设的判决门限时，DVB-S2接收机缓存该帧头信息，通过RM译码算法获取当前帧的帧长，将帧计数设置0，同步状态设置为状态S0，把帧头有效性和同步状态计数设置为1，然后每接收到1个符号信息，则帧计数加1；当某个帧头信息的帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新该帧头信息中的帧长，将该帧头信息中的帧计数重置为0，并缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，与帧头之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限进行比较，当平均的结果大于判决门限时，则将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头；DVB-S2接收机对于缓存区的所有有效帧头信息，重复该操作。当某个有效帧头信息中的同步状态计数等于预设值时，则将该帧头信息中的同步状态设置为状态S1；然后搜索缓存区所有帧头的状态信息，一旦发现某个帧头的同步状态为状态S1时，则将该帧头视为捕获的正确帧头，并清空缓存区，进入帧头跟踪状态。

在可选的实施例中，帧头搜索和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决， DVB-S2接收机开机或者重新帧同步时，首先进入帧头捕获阶段，进行帧头检测捕获。DVB-S2接收机采用SOF+PLSC得到相关判决值，当相关判决值大于预设的判决门限时，则检测到帧头，DVB-S2接收机判断该帧头信息是否已缓存，若缓存区没有该帧头信息，则缓存包括帧长、帧计数、同步状态、帧头有效性和同步状态计数的帧头信息。通过RM译码算法获取当前帧的帧长，并将帧计数设置0，同步状态设置为状态S0，把帧头有效性和同步状态计数设置为1。

为了快速找到正确的帧头位置，在帧头捕获阶段，DVB-S2接收机对所有可能的帧头位置信息进行缓存，并行搜索以快速找到正确的帧头位置。

DVB-S2接收机对缓存区所有的有效帧头信息进行并行处理，以快速找到正确的帧头。 DVB-S2接收机每接收到1个符号，则对缓存区内所有有效帧头信息中的帧计数加1。当某个帧头信息中的帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新该帧头信息中的帧长，并将该帧头信息中的帧计数重置为0，并缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，然后进行帧头的检测。在帧头检测时，将此时缓存的SOF+PLSC相关判决值与该帧头之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限进行比较，当平均的结果大于判决门限时，则表明检测到帧头，将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则表明没有检测到帧头，则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头。DVB-S2接收机对缓存区的所有有效帧头信息，重复该操作，当某个有效帧头信息中的同步状态计数等于预设值时，则将该帧头信息中的同步状态设置为状态S1；然后搜索缓存区所有帧头的状态信息，一旦发现某个帧头的同步状态为状态S1时，则将该帧头视为捕获的正确帧头，并清空缓存区，进入帧头跟踪状态。

在帧头跟踪阶段，DVB-S2接收机缓存当前帧头的相关判决值、帧长、帧计数、失步状态计数。DVB-S2接收机每接收到1个符号，则将帧计数加1，当帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新帧长，并将帧计数重置为0，缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，然后进行帧头的检测，将此时缓存的SOF+PLSC相关判决值与并与之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限比较，当平均的结果大于判决门限时，则表明检测到帧头，帧头跟踪正常，将失步状态计数置为0，并继续进行下一帧数据的跟踪；当平均的结果小于判决门限时，则表明没有检测到帧头，帧头跟踪异常，则将失步状态计数加1，并继续进行下一帧数据的跟踪。

当接收机缓存信息中的失步状态计数达到失步计数预设值时，则DVB-S2接收机进入失步状态，表明接收机状态已改变，跟踪的帧头已不是正确的帧头，接收机需要重新进行帧头捕获，再次进入帧头捕获阶段。

参阅图2、图3。DVB-S2接收机对接收机符号同步的输出，采用SOF+PLSC差分检测算法得到相关判决值，并与预设的判决门限进行比较，当相关判决值大于判决门限时，则表明该位置可能为帧头位置。DVB-S2接收机判断该位置帧头信息是否已缓存，当缓存区没有该帧头信息时，DVB-S2接收机缓存该位置的帧头信息，包括相关判决值、帧长、帧计数、同步状态、同步状态计数和帧头有效性，其中，帧长通过RM译码算法获取，帧计数设置0，同步状态设置为状态S0，帧头有效性置为1，同步状态计数置为1。

相关判决值的存储需要缓存若干帧数据的相关判决值，采用循环线性地址先进先出队列(FIFO)循环FIFO队列进行存储。

当某时刻的位置可能为帧头位置时，DVB-S2接收机需要判断该帧头信息是否已缓存。 DVB-S2接收机读取缓存区已缓存的所有有效帧头信息中的帧长和帧计数，当此时存在某个帧头信息中的帧长与帧计数相等时，则表明该时刻的帧头信息已缓存，DVB-S2接收机不再额外开辟空间缓存该帧头信息。

DVB-S2接收机对所有缓存的有效帧头信息进行并行搜索，其中，DVB-S2接收机缓存的帧头信息中的帧头有效性用于标记该帧头是否有效。在搜索过程中，当排除某个帧头为正确的帧头时，则将该帧头信息中的帧头有效性设置为0，后续帧头搜索时，不再对该帧头进行搜索。

在对每个帧头进行搜索时，DVB-S2接收机每接收到一个符号，则将所有有效帧头信息中的帧计数加1，并对所有帧头信息中的帧长和帧计数进行比较，当某个帧头信息中的帧计数等于帧长时，则进行帧头检测，若检测到帧头，则将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头。

下面给出本发明的仿真结果，采用基于DVB-S2协议的短帧数据。

图4给出了采用本发明前后相关判决值的改善情况，其中仿真信噪比Es/N0＝-2.35dB，联合了6帧帧头数据进行相关判决值的计算。从图4可以看出，采用本发明后，联合了多帧帧头段数据进行联合帧头判决，在极低信噪比时，也能出现明显的相关判决值，提高了帧头被检测的概率。

图5和图6分别给出了在不同信噪比下帧同步的虚警概率和漏检概率，其中仿真中同步计数预设值为1，失步计数预设值为1，联合了6帧帧头数据进行相关判决值的计算。

从图5可以看出，在Es/N0＝-2.35dB时，采用本发明后，虚警概率数量级从10^-1降到10^-3。在帧头捕获阶段，当连续同步次数达到同步计数预设值，帧同步进入跟踪状态。因此，当同步计数预设值为m时，采用本发明后，错误进入跟踪状态的概率从10^-m降到10^-3m。当 m＝5，符号速率为10Msps时，采用本发明后，错误进入跟踪状态的平均发生时间从0.01秒提高到1157天。

从图6可以看出，在Es/N0＝-2.35dB时，采用本发明后，漏检概率从0.16降到0.008。在帧头跟踪阶段，当连续漏检次数达到失步计数预设值，帧同步失锁，重新进入捕获阶段。因此，当失步计数预设值预设为m时，采用本发明后，帧同步失锁概率从0.16^m降到0.008^m。当m＝7，符号速率为10Msps时，采用本发明后，帧同步平均失锁时间从0.04秒提高到552 天。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围。

Claims

1.一种克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，具有如下技术特征：将DVB-S2接收机帧同步分为帧头捕获阶段和帧头跟踪阶段，在帧头捕获和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决；在帧头捕获阶段， DVB-S2接收机采用SOF+PLSC算法得到相关判决值，当相关判决值大于预设的判决门限时，DVB-S2接收机缓存该帧头信息，通过RM译码算法获取当前帧的帧长，将帧计数设置0，同步状态设置为状态S0，把帧头有效性和同步状态计数设置为1，然后每接收到1个符号信息，则帧计数加1；当某个有效帧头信息中的同步状态计数等于预设值时，则将该有效帧头信息中的同步状态设置为状态S1；然后搜索缓存区所有帧头的状态信息，一旦发现某个帧头的同步状态为状态S1时，则将该帧头视为捕获的正确帧头，并清空缓存区，进入帧头跟踪状态；当某个帧头信息的帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新该帧头信息中的帧长，将该帧头信息中的帧计数重置为0，并缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，与帧头之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限进行比较，当平均的结果大于判决门限时，则将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头；DVB-S2接收机对于缓存区的所有有效帧头信息，重复该操作；作在帧头跟踪阶段，DVB-S2接收机每接收到1个符号，则将帧计数加1，当帧计数等于帧长时，通过RM译码算法更新帧长，并将帧计数重置为0，缓存此时的SOF+PLSC相关判决值，然后进行帧头的检测，将此时缓存的SOF+PLSC相关判决值与并与之前缓存的若干相关判决值求平均，并将平均的结果与预设的判决门限比较，当平均的结果大于判决门限时，则表明检测到帧头，帧头跟踪正常，将失步状态计数置为0，并继续进行下一帧数据的跟踪；当平均的结果小于判决门限时，则表明没有检测到帧头，帧头跟踪异常，则将失步状态计数加1，并继续进行下一帧数据的跟踪；当接收机缓存信息中的失步状态计数达到失步计数预设值时，则DVB-S2接收机进入失步状态，表明接收机状态已改变，跟踪的帧头已不是正确的帧头，接收机需要重新进行帧头捕获，再次进入帧头捕获阶段。

2.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，在帧头捕获和跟踪阶段联合多帧帧头段数据进行联合帧头判决，DVB-S2接收机开机或者重新帧同步时，首先进入帧头捕获阶段，进行帧头检测捕获。

3.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，在帧头跟踪阶段，DVB-S2接收机缓存当前帧头的相关判决值、帧长、帧计数和失步状态计数。

4.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，DVB-S2接收机采用SOF+PLSC得到相关判决值，当相关判决值大于预设的判决门限时，则检测到帧头，DVB-S2接收机判断该帧头信息是否已缓存，若缓存区没有该帧头信息，则缓存包括帧长、帧计数、同步状态、帧头有效性和同步状态计数的帧头信息。

5.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，DVB-S2接收机读取缓存区已缓存的所有有效帧头信息中的帧长和帧计数，当此时存在某个帧头信息中的帧长与帧计数相等时，则表明该时刻的帧头信息已缓存，DVB-S2接收机不再额外开辟空间缓存该帧头信息。

6.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，为了快速找到正确的帧头位置，在帧头捕获阶段，DVB-S2接收机对所有可能的帧头位置信息进行缓存，并行搜索以快速找到正确的帧头位置。

7.按权利要求6所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，DVB-S2接收机对所有缓存的有效帧头信息进行并行搜索，在搜索过程中，当排除某个帧头为正确的帧头时，则将该帧头信息中的帧头有效性设置为0，后续帧头搜索时，不再对该帧头进行搜索。

8.按权利要求1所述的克服接收机低信噪比和载波频偏的帧同步方法，其特征在于，在对每个帧头进行搜索时，DVB-S2接收机每接收到一个符号，则将所有有效帧头信息中的帧计数加1，并对所有帧头信息中的帧长和帧计数进行比较，当某个帧头信息中的帧计数等于帧长时，则进行帧头检测，若检测到帧头，则将该帧头信息中的同步状态计数加1，否则将该帧头信息中帧头有效性设置为0，以标记该帧头为无效帧头。