CN111447003A - 一种dvb-s2接收机的帧同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种DVB‑S2接收机的帧同步方法，属于卫星通信领域。本发明根据DVB‑S2物理层帧结构的情况，提出帧头和导频辅助的方法；根据低轨卫星信道存在大频偏的情况，提出相位一致的相关检测法；根据高斯噪声的特性，提出基于算术平均值的双阈值方法。通过综合利用所提出的帧头和导频辅助相关检测、基于算术平均值的双阈值的方法，有效的降低了误帧率，提高了帧同步性能。

Description

一种DVB-S2接收机的帧同步方法
技术领域
本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种卫星通信中DVB-S2物理层帧同步的方法。
背景技术
DVB-S2(Digital Video Broadcasting-Satellite-Second generation)标准是第二代卫星数字电视广播，该标准支持QPSK、8PSK、16APSK、32APSK四种调制方式，信道编码采用BCH码和LDPC码级联的方式。帧同步作为后续的载波同步、数据解调以及信道译码的前提，在接收机中的具有重要的意义。
DVB-S2物理层帧结构如图1所示。物理层帧头由同步起始标志字(Start ofFrame，SOF)和物理层信令(Physical Layer Signaling Code，PLSC)两部分组成。其中，SOF段有26个符号，PLSC段有64个符号。有导频模式下，每个时隙90个符号，每16个时隙后插入一个长度为36个符号的导频块。在星座映射之前，SOF码字固定为(18D2E82)HEX；PLSC码字由7个信息比特经过一阶Reed-Muller编码后，再经过加扰生成64个比特。SOF段和PLSC段经过π/2–BPSK映射得到帧头。导频段在未加扰前的导频块由36个
Figure BDA0002416691650000011
构成。在生成物理层帧过程中，除帧头外的部分需要进行物理层加扰，加扰序列已知且固定。
由于发送端和接收端器件的非理想性，以及低轨卫星信道的多普勒效应，卫星信号在发送过程中受到了相位噪声和载波大频偏的干扰。然而，DVB-S2协议中接收端的载波同步在帧同步之后，这就要求帧同步在大频偏干扰下也能正常工作。在DVB-S2系统中，规定了极低信噪比ES/N0为-2.35dB和归一化频偏最大为20％。
现有的相关帧同步检测算法中，有的仅利用SOF段进行帧同步，如CLD算法、非相干后验累加(Non-Coherent Post-Dection Integration,NCPDI)、差分后验累加(Differential Post-Detection Integration,DPDI)和差分-广义后验累加算法(Different-Generalized Post-Detection Integration,D-GPDI)，该类算法虽然对频偏不敏感，但是复杂度较高，且在低信噪比时会累加噪声，影响阈值判决；有利用SOF+PLSC段帧同步，该类算法在ES/N0小于1dB时，算法性能较差。现有帧同步检测算法无法同时满足以下要求：复杂度低，算法性能优越，误帧率低。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。本发明综合利用所提出的帧头和导频相关检测的双阈值方法在极低信噪比和20％归一化频偏条件下，误帧率低，算法性能优越。
本发明的技术方案如下：
一种DVB-S2接收机的帧同步方法，包括如下步骤：
S1：DVB-S2接收机利用帧头和导频进行第一次相关检测判决，若第一次相关检测判决值大于第一次判决阈值T1，接收机缓存第一次相关检测判决值，帧头状态置为S0，并设立四个并行窗口，分别对应QPSK、8PSK、16PSK、32PSK四种调制方式的帧长，帧数计数器置为0，窗口帧长计数器置为0后开始计数，每接收到1个符号，帧长计数器加1；当帧长计数器等于当前窗口帧长时，缓存当前位置第一次相关检测判决值，帧数计数器加1，并重置帧长计数器为0，重复以上步骤；当帧数计数器的值满足预设帧数时，转入S2；否则，滑动相关序列，继续执行S1步骤；
S2：以QPSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S3；
S3：以8PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S4；
S4：以16PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S5；
S5：以32APSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转回S1；
进一步，所述第一次相关检测判决值的计算公式为
Figure BDA0002416691650000021
式中，ck表示发送信号，rk表示接收信号，
Figure BDA0002416691650000022
和
Figure BDA0002416691650000023
表示相邻符号共轭相关后的结果，Pm,k表示接收端第m段第k个导频符号，Qm,k表示发送端第m段第k个导频符号。
进一步，所述导频为两段导频。
进一步，接收机缓存当前帧头的第一次相关检测判决值、帧数以及帧长。
进一步，为了避免漏检，第一次判决阈值T1不大于第二次判决阈值T2。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的有益效果：本发明为了在极低信噪比和20％归一化频偏条件下，帧同步算法仍有良好的性能，降低误帧率，本发明提出一种帧头和导频辅助相关检测的双阈值帧同步方法。该方法使用导频和帧头，增长了辅助数据；使用相位一致的共轭相关取模的相关检测方法，避免了累加相位噪声；根据高斯噪声的特性，连续数帧后取平均作为第二次判决值，降低了低信噪比对判决值的影响。
附图说明
本发明的附图说明如下。
图1为DVB-S2物理层帧结构；
图2为帧同步方案示意图；
图3为帧数对本算法性能的影响；
图4为本算法与其它算法比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
假设发送信号ck经过频偏、相偏和高斯白噪声信道，接收信号的表达式rk为：
rk＝ckej2πΔfkT+Δθ+nk (1)
式中，Δf为频偏，Δθ为相偏，nk为高斯白噪声。则相邻符号共轭相关后的结果为：
Figure BDA0002416691650000031
式中，n'k为高斯噪声。可以看出，相邻符号在共轭相关后相位一致后取模即可消除频偏的干扰。若间隔不同的非相邻符号在共轭相关后取模会累加噪声，导致算法在极低信噪比下的性能不佳，如CLD算法、G-DPDI算法。
在DVB-S2协议中，SOF段码字是固定的，经过
Figure BDA0002416691650000032
调制后，该段本地相邻符号间共轭相乘的结果为：
coefSOF＝[1；1；1；1；-1；-1；-1；-1；1；-1；-1；-1；1；-1；-1；1；1；-1；1；1；-1；1；-1；-1；1]*j (3)
PLSC段在生成64位码字时需要与第7个比特异或，所以相邻奇偶位码字相同或相异，经过
Figure BDA0002416691650000033
调制后，该段本地相邻奇偶符号间共轭相乘的结果为：
coefPLSC＝[-1；1；1；-1；-1；-1；1；-1；-1；1；1；1；1；1；-1；-1；-1；-1；1；1；-1；1；1；-1；1；-1；1；-1；1；1；-1；-1]*j (4)
在制定DVB-S2接收机方案时，为了提高载波同步的性能，物理层帧结构采用有导频模式。在帧同步完成后，导频作为辅助数据完成载波同步。协议规定，在生成物理层帧过程中，除帧头外的部分需要进行物理层加扰，加扰序列Rn已知且固定。未加扰前的导频块由36个
Figure BDA0002416691650000041
构成，加扰后的导频序列，相邻导频间共轭相乘存在固有联系。导频块的个数取决于帧长和调制方式，本协议支持QPSK、8PSK、16APSK、32APSK，所以一个物理层帧最少有2个导频块。
这两个导频块相邻符号共轭相乘的结果分别为：
coefPilot1＝[-1；-1；-j；-1；-1；j；-j；-1；1；-1；j；-1；1；-j；j；1；-j；1；1；j；-j；-1；-j；1；j；-j；-j；-j；1；-j；-1；1；j；-j；-1] (5)
coefPilot2＝[j；j；j；1；-j；-j；j；-j；-1；1；1；j；-1；-j；j；j；j；-1；j；-j；1；j；-j；1；1；1；j；-j；-j；1；1；-1；j；1；-j] (6)
S1：DVB-S2接收机利用帧头和导频进行第一次相关检测判决，第一次相关检测判决值的计算公式为
Figure BDA0002416691650000042
式中，ck表示发送信号，rk表示接收信号，
Figure BDA0002416691650000043
和
Figure BDA0002416691650000044
表示相邻符号共轭相关后的结果，Pm,k表示接收端第m段第k个导频符号，Qm,k表示发送端第m段第k个导频符号。
本发明具体实施过程如下：
S1：DVB-S2接收机利用帧头和导频进行第一次相关检测判决，若第一次相关检测判决值大于第一次判决阈值T1，接收机缓存第一次相关检测判决值，帧头状态置为S0，并设立四个并行窗口，分别对应QPSK、8PSK、16PSK、32PSK四种调制方式的帧长，帧数计数器置为0，窗口帧长计数器置为0后开始计数，每接收到1个符号，帧长计数器加1；当帧长计数器等于当前窗口帧长时，缓存当前位置第一次相关检测判决值，帧数计数器加1，并重置帧长计数器为0，重复以上步骤；当帧数计数器的值满足预设帧数时，转入S2；否则，滑动相关序列，继续执行S1步骤；
S2：以QPSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长，否则转入S3；
S3：以8PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长，否则转入S4；
S4：以16PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长，否则转入S5；
S5：以32APSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长，否则转回S1；
3、进一步，所述导频为两段导频。
4、进一步，接收机缓存当前帧头的第一次相关检测判决值、帧数以及帧长。
5、进一步，为了避免漏检，第一次判决阈值T1不大于第二次判决阈值T2。
帧同步方案
在极低信噪比的情况下，相关检测的判决值受噪声影响较大，对帧头的判决有着较大的影响。基于多帧判决值相加求平均削弱噪声的原理，本发明提出联合多帧的双阈值帧同步方案。
在DVB-S2协议标准下，调制方式和帧长有着对应的关系。如图2所示，可以设立四个检测窗口，当第一次相关检测值大于第一次判决T1阈值时，假设调制方式为QPSK，分别计算距离当前检测位置1、2、…、M-1帧长的相关检测值，结合第一次相关检测值，对此M个相关检测值取算术平均数作为第二次相关检测值，若第二次相关判决值大于第二次判决阈值T2，则此处的符号为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长。同理分别计算出调制方式为8PSK、16APSK、32APSK的第二次相关判决值，若第二次相关判决值大于第二次判决阈值T2，则此处的符号为帧头，帧长为当前调制方式对应的帧长。为了避免漏检，第一次判决阈值T1应当不大于第二次判决阈值T2。
方法性能分析
在帧同步方法中，以误帧率来衡量算法的性能。在传输速率为30MHz,调制方式为QPSK，归一化载波频偏为0.2，ES/N0范围为[-2.35,1]dB条件下进行仿真。判决阈值如表1所示。
表1算法的判决阈值
Figure BDA0002416691650000061
仿真结果如图3和图4所示。由图3可以看出，本文提出的多帧检测的双阈值帧同步方法随着帧数越大时，方法的性能也更优越。在帧数M为2时方法性能最差，在M＝5，在ES/N0为-2.35dB时，误帧率为0.8％，性能优异。图4是相关检测帧数为5时，本发明提出的双阈值方法与其它方法的对比。在极低信噪比和20％归一化频偏条件下，本方法性能明显优于现有的方法。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种DVB-S2接收机的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：DVB-S2接收机利用帧头和导频进行第一次相关检测判决，若第一次相关检测判决值大于第一次判决阈值T1，接收机缓存第一次相关检测判决值，帧头状态置为S0，并设立四个并行窗口，分别对应QPSK、8PSK、16PSK、32PSK四种调制方式的帧长，帧数计数器置为0，窗口帧长计数器置为0后开始计数，每接收到1个符号，帧长计数器加1；当帧长计数器等于当前窗口帧长时，缓存当前位置第一次相关检测判决值，帧数计数器加1，并重置帧长计数器为0，重复以上步骤；当帧数计数器的值满足预设帧数时，转入S2；否则，滑动相关序列，继续执行S1步骤；
S2：以QPSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S3；
S3：以8PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S4；
S4：以16PSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转入S5；
S5：以32APSK为对应的帧长，取M帧所述第一次相关检测判决值的算术平均值作为第二次相关检测判决值，若大于第二次判决阈值T2，则此处为帧头，否则转回S1；
2.根据权利要求1所述的DVB-S2帧同步方法，其特征在于，所述第一次相关检测判决值的计算公式为
Figure FDA0002416691640000011
式中，ck表示发送信号，rk表示接收信号，
Figure FDA0002416691640000012
和
Figure FDA0002416691640000013
表示相邻符号共轭相关后的结果，Pm,k表示接收端第m段第k个导频符号，Qm,k表示发送端第m段第k个导频符号。
3.根据权利要求1所述的DVB-S2帧同步方法，其特征在于，所述导频为两段导频。
4.根据权利要求1所述的DVB-S2帧同步方法，其特征在于，为了避免漏检，第一次判决阈值T1不大于第二次判决阈值T2。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200724

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