CN110649990A - 一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，基于三态的帧同步转换逻辑，结合前向/上行解调误码率，获得最佳的帧同步参数，减少了假同步和漏同步的概率，能够满足抗假锁能力强、失锁概率小的型号需求。本发明解决了假同步和漏同步概率高、帧同步稳定性差等技术缺点，提高了参数设置的针对性和同步策略的合理性，在各类中低轨卫星中实现基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方面有着广阔的应用前景。

Description

一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法

技术领域

本发明属于卫星测控与通信技术领域，涉及一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法。

背景技术

在卫星测控和通信过程中，传输帧携带各类不同的信息数据，实现射频BPSK或QPSK调制、放大和滤波，送至射频天线完成无线射频链路的输出。

传输帧以事先约定的帧结构，选取码距不小于3的特定数据作为帧同步源码，比如0xFAF320或0x1ACFFC1D，长度不小于24或32比特，传输帧长度一般为512字节、896字节或1024字节,且针对不同的信息帧采取不同的虚拟信道标识符进行区别。

受到射频信号的空间传输衰减以及接收端的系统噪声影响，解调端会产生一定数量的误码，误码率受接收信号的信噪比Eb/N0影响，Eb/N0越大，误码率越小，反之依然。

比如，误码率Pe≥10^-6对应信噪比Eb/N0理论值为10.6dB，误码率Pe≥10^-5对应信噪比Eb/N0理论值为9.8dB，测控系统一般要求前向或上行的误码率不小于10^-5。

在传统的卫星测控与通信技术中，帧同步参数设置不容许错比特、辅助等帧长性检查，没有和解调误码率相关联，所选参数没有理论推导依据，判据不尽合理，导致帧同步的漏同步概率过高。而且，在帧同步锁定后，若信道噪声出现抖动，导致帧同步源码出现任何的误码，则满足失锁退出逻辑，需从新滑位帧同步字搜索，代码逻辑显得脆弱，工程上利用价值受限。

基于解调误码率的参数选取和三态转换逻辑的帧同步方式，未见相关的期刊和专利研究。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，重点设计出一种基于三态转换逻辑的帧同步策略，结合前向解调误码率，计算最佳的帧同步参数，设计最优的帧同步策略，达到减少假同步和漏同步概率的目的，旨在满足抗假锁能力强、失锁概率小的型号需求。

本发明的技术解决方案是：

一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，包括步骤如下：

1)根据解调误码率Pe、帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定帧同步三态对应的帧频和容错门限；所述帧同步三态包括：搜索态、校验态和锁定态；

2)在搜索态阶段，根据步骤1)确定搜索态对应的帧频和容错门限α进行连续比特滑位搜索，逐位比较帧同步源码和接收数据比特位之间的差异，若错误码字个数d＜容错门限α，则判定检测到接收数据的帧同步源码，进入步骤3)，否则停留在搜索态阶段，继续进行连续比特滑位搜索直至错误码字个数d＜容错门限α后进入步骤3)；

3)开始校验态阶段，根据步骤1)确定校验态对应的帧频K和容错门限β进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，其中，m为正整数，m的取值范围为2～5，若连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β，则进入步骤4)；若任一帧错误码字个数d≥容错门限β，则返回步骤2)；其余情况则维持在停留在校验态阶段，直至连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β进入步骤4)或任一帧错误码字个数d≥容错门限β返回步骤2)；其中，m＝n/8；

4)开始锁定态阶段，根据步骤1)确定锁定态对应的帧频M和容错门限γ进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，若连续M帧的错误码字个数d≥容错门限γ，则返回步骤2)，反之，则维持锁定态完成帧同步工作。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明针对漏、虚、串指令的概念和定义进行理论分析，首次推导了漏、虚、串指令的数学模型和计算公式，提出了降低漏、虚、串指令概率的具体措施，思路清晰、判据合理。

2)本发明首次提出了基于三态转换逻辑的最佳帧同步策略，且校验态采取任意一帧超出容错门限则退回搜索态，锁定态采取连续多帧均超出容错门限则返回搜索态，技术途径明确。

3)本发明以前向误码率优于1×10^-5为前提，以假锁和漏失概率均不大于1×10^-6为判据，选择最佳的搜索容错α，校验容错β、锁定容错γ，最佳的校验帧数K、锁定帧数M等参数，满足了工程上帧同步的最佳参数设置需求，工程利用价值高。

附图说明

图1为本发明的逻辑框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

在背景型号中，星上设备由单机由接收通道、基带处理、发射模块及电源模块组成，用于飞行器在轨段建立与中继星之间的，可靠和稳定的遥控、测距、遥测以及数传等链路。

前向链路需实现大频偏(±750Khz)和低信噪比(Eb/N0约7.4dB)的载波和伪码的捕获与跟踪，完成遥控的位同步、卷积译码和帧同步后，在前向传输帧中提取遥控信息送至后端的综合电子分系统。

前向传输帧帧长50B，由帧同步字、主导头和数据域等三部分组成。要求单机选择最佳的帧同步参数，在传输帧的帧同步后，根据虚拟信道标识符，判断当前帧是遥控帧还是空闲帧，若有效帧则解析帧结构，提取并输出遥控信息。

在帧同步过程中，合理的、有效的帧同步逻辑参数设置和三态转换逻辑是一项技术难点，逻辑简单、准确可靠等是其基本要求。

与现有卫星技术中帧同步参数设置不容许错位、且仅考虑等帧长性检查的方法相比，本发明解决了假同步和漏同步概率高、帧同步稳定性差等技术缺点，提高了参数设置的针对性和同步策略的合理性，在各类中低轨卫星中实现基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方面有着广阔的应用前景。

如图1、2所示，本发明提出的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，包括步骤如下：

1)根据解调误码率Pe、帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定帧同步三态对应的帧频和容错门限；所述帧同步三态包括：搜索态、校验态和锁定态；所述确定帧同步三态的帧频和容错门限的方法，具体为：

11)根据帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定虚警概率P_xj；根据解调误码率Pe、帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定虚漏概率P_xl；所述虚警概率P_xj，具体为：

其中，P₀为解调数据中1或0的概率，α为搜索态对应的容错门限，β为校验态对应的容错门限，γ为锁定态对应的容错门限。优选的，所述P₀＝0.5。

所述校验态对应的虚漏概率P_xl，具体为：

其中，α为搜索态对应的容错门限，β为校验态对应的容错门限，γ为锁定态对应的容错门限；1为搜索态对应的帧频，K为校验态对应的帧频，M为锁定态对应的帧频。

12)获得能够使步骤11)确定的所述虚警概率P_xj和虚漏概率P_xl均不大于10^-6的多个容错门限解，取所述多个容错门限解的最小值作为容错门限，并获得所述容错门限对应的帧频。

2)在搜索态阶段，根据步骤1)确定搜索态对应的帧频和容错门限α进行连续比特滑位搜索，逐位比较帧同步源码和接收数据比特位之间的差异，若错误码字个数d＜容错门限α，则判定检测到接收数据的帧同步源码，进入步骤3)，否则停留在搜索态阶段，继续进行连续比特滑位搜索直至错误码字个数d＜容错门限α后进入步骤3)；

3)开始校验态阶段，根据步骤1)确定校验态对应的帧频K和容错门限β进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，其中，m为正整数，m的取值范围为2～5，若连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β，则进入步骤4)；若任一帧错误码字个数d≥容错门限β，则返回步骤2)；其余情况则维持在停留在校验态阶段，直至连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β进入步骤4)或任一帧错误码字个数d≥容错门限β返回步骤2)；其中，m＝n/8；优选的，m的取值为4。

4)开始锁定态阶段，根据步骤1)确定锁定态对应的帧频M和容错门限γ进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，若连续M帧的错误码字个数d≥容错门限γ，则返回步骤2)，反之，则维持锁定态完成帧同步工作。具备后续根据虚拟信道解析传输帧、提取并输出信息帧等条件。

实施例

1)根据解调误码率Pe(Pe≤1×10^-5)，帧同步源码长度n(长度n＝24，源码0xFAF320)和传输帧长度S(512字节)，计算并选择最佳帧同步的设置参数，即搜索态、校验态和锁定态等三态对应的帧频∈{1，K＝2，M＝2}，容错门限∈{α＝1，β＝1，γ＝2}；

2)所述帧同步三态的设置参数是指搜索态的帧频为1帧/容错门限α(α＝1)，校验态的帧频为K帧(K＝2)/容错门限β(β＝1)，锁定态的帧频为M帧(M＝2)/容错门限γ(γ＝2)；

3)所述最佳帧同步参数是指在帧同步三态(搜索、校验和锁定)转换不同阶段，选取最小的帧频和容错门限，使得帧同步的虚警和虚漏概率均满足不大于10^-6要求，以校验态为例：

虚警概率为：

在虚警概率公式中，P₀为解调数据中1或0的概率，因数据序列都具有随机性，工程上取参数P₀＝0.5。

虚漏概率为：

根据步骤1)～3)所确定的帧同步帧频和容错门限，开展后续帧同步的三态转换逻辑；

4)在搜索态阶段，连续比特滑位，逐位比较帧同步源码和接收数据的差异，若错误码字个数d<容错门限α(α＝1)，判定检测到帧同步源码，则进入校验态，否则停留在搜索态，继续滑位搜索；

5)在校验态阶段，以一个传输帧为周期，传输帧等长度S检查，逐位比较帧同步源码，若连续K帧(K＝2)的错误码字个数d<容错门限β(β＝1)，则进入锁定态，否则任一帧错误码字个数d≥容错门限β(β＝1)，则回退至搜索态；

6)在锁定态阶段，以一个传输帧为周期，传输帧等长度S检查，逐位比较帧同步源码，若连续M帧(M＝2)的错误码字个数d≥容错门限γ(γ＝2)，则回退至搜索态，任一帧满足错误码字个数d<容错门限γ(γ＝2)，否则维持锁定态；

7)若连续判断M帧(M＝2)后，帧同步逻辑依然停留锁定态，则帧同步逻辑成功实现，具备后续根据虚拟信道解析传输帧、提取并输出信息帧等先决条件；

目前本发明已在发射卫星型号上使用，利用该方法实现的帧同步逻辑经受住了长期在轨考核，充分验证了该方法的有效性和可行性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)根据解调误码率Pe、帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定帧同步三态对应的帧频和容错门限；所述帧同步三态包括：搜索态、校验态和锁定态；

2)在搜索态阶段，根据步骤1)确定搜索态对应的帧频和容错门限α进行连续比特滑位搜索，逐位比较帧同步源码和接收数据比特位之间的差异，若错误码字个数d＜容错门限α，则判定检测到接收数据的帧同步源码，进入步骤3)，否则停留在搜索态阶段，继续进行连续比特滑位搜索直至错误码字个数d＜容错门限α后进入步骤3)；

3)开始校验态阶段，根据步骤1)确定校验态对应的帧频K和容错门限β进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，其中，m为正整数，m的取值范围为2～5，若连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β，则进入步骤4)；若任一帧错误码字个数d≥容错门限β，则返回步骤2)；其余情况则维持在停留在校验态阶段，直至连续K个传输帧的错误码字个数d均小于容错门限β进入步骤4)或任一帧错误码字个数d≥容错门限β返回步骤2)；其中，m＝n/8；

4)开始锁定态阶段，根据步骤1)确定锁定态对应的帧频M和容错门限γ进行连续比特滑位搜索，以接收数据的一个传输帧为周期，选取传输帧的前m个字节，与m个字节的帧同步源码进行逐位比较，若连续M帧的错误码字个数d≥容错门限γ，则返回步骤2)，反之，则维持锁定态完成帧同步工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，步骤1)所述确定帧同步三态的帧频和容错门限的方法，具体为：

11)根据帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定虚警概率P_xj；根据解调误码率Pe、帧同步源码长度n和接收数据的传输帧长度S，确定虚漏概率P_xl；

12)获得能够使步骤11)确定的所述虚警概率P_xj和虚漏概率P_xl均不大于10^-6的多个容错门限解，取所述多个容错门限解的最小值作为容错门限，并获得所述容错门限对应的帧频。

3.根据权利要求2所述的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，步骤11)确定所述虚警概率P_xj，具体为：

其中，P₀为解调数据中1或0的概率，α为搜索态对应的容错门限，β为校验态对应的容错门限，γ为锁定态对应的容错门限。

4.根据权利要求3所述的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，所述P₀＝0.5。

5.根据权利要求2～4之一所述的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，步骤11)确定所述虚漏概率P_xl，具体为：

其中，α为搜索态对应的容错门限，β为校验态对应的容错门限，γ为锁定态对应的容错门限；1为搜索态对应的帧频，K为校验态对应的帧频，M为锁定态对应的帧频。

6.根据权利要求5所述的一种基于解调误码率的最佳帧同步参数设置方法，其特征在于，所述m的取值为4。

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