CN113132075B - 一种帧同步方法和帧同步模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种帧同步方法和帧同步模块，对每一时刻获取的接收数据，方法包括：对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；对当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断得到符号序列；对本地相关序列和符号序列进行异或处理得到判决权值；利用当前时刻对应的差分相关序列和本地相关序列得到相关值；将判决权值和相关值相乘得到判决值；将判决值与预设阈值进行比较得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。本发明将接收数据先进行差分相关计算及硬判决，并将基于简化差分后验累加算法得到的累加结果作为相关值的加权值，可提高抗频偏特性和帧起始位置检测概率。

Description

一种帧同步方法和帧同步模块

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，具体涉及一种帧同步方法和帧同步模块。

背景技术

在卫星通信系统中，数据主要通过帧的格式进行传输，对于接收机来说，准确地找到每一帧的起始位置至关重要。帧同步是数据进行软解映射和译码的重要环节，直接影响到接收机的系统性能。

但在实际通信过程中，由于通信距离远、信号衰落、信号干扰，以及多普勒效应的影响等，通常会造成接收信号存在频偏。因此，在该种情况下，如何提高接收机的帧同步模块对于帧起始位置的检测概率，是本领域内亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种帧同步方法和帧同步模块，以实现提高帧起始位置检测概率的目的。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种帧同步方法，针对每一时刻获取的接收数据，所述方法包括：

对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；其中，所述接收数据包括同相正交的I路数据和Q路数据；

获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；其中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制；所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同；

对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列；

对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值；

利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值；

将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值；

将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

在本发明的一个实施例中，所述对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列，包括：

将上一时刻的接收数据进行共轭计算，将共轭计算结果与所述当前时刻的接收数据相乘，得到当前时刻的差分相关值；

将上一时刻对应的差分相关序列中最先存储的差分相关值删除，并将之后的差分相关值向删除位置依次移位，得到移位后序列；

将所述当前时刻的差分相关值补入所述移位后序列中的空余位，得到当前时刻对应的差分相关序列。

在本发明的一个实施例中，所述获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列，包括：

获取SOF序列；

计算所述SOF序列中第i+1个数据的共轭值；

将所述第i+1个数据的共轭值与所述SOF序列中第i个数据的乘积，作为本地相关序列中的第i个数据；其中，i＝1,…,L-1，L为所述SOF序列的长度。

在本发明的一个实施例中，所述对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列，包括：

针对所述当前时刻对应的差分相关序列中的每个差分相关值，提取该差分相关值的符号位；

由依次得到的各符号位构成符号序列。

在本发明的一个实施例中，所述利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值，包括：

将所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列；

将所述双重相关序列中的数据进行多层级的两两数值加法运算，得到相关和；

对所述相关和进行取模计算，得到相关值。

在本发明的一个实施例中，所述将所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列，包括：

利用乘法器对所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列。

在本发明的一个实施例中，所述将所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列，包括：

针对所述差分相关序列中的每个差分相关值，将该差分相关值中I路数据和Q路数据交换，得到该差分相关值对应的交换数据；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为+j，将该差分相关值对应的交换数据进行实部取反，得到实部取反后数据，并将所述实部取反后数据补入双重相关序列中对应位置；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为-j，将该差分相关值对应的交换数据进行虚部取反，得到虚部取反后数据，并将所述虚部取反后数据补入双重相关序列中对应位置。

在本发明的一个实施例中，所述将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果，包括：

当所述判决值大于预设阈值，则确定当前时刻捕获到帧起始位置，输出帧起始使能信号。

在本发明的一个实施例中，针对卫星通信系统，所述得到当前时刻帧起始位置的捕获结果之后，所述方法还包括：

计算自获取到所述当前时刻的接收数据，至所述判决值与预设阈值比较完成时的延迟时钟数量，利用所述延迟时钟数量对接收数据进行延迟。

第二方面，本发明实施例提供了一种帧同步模块，应用于卫星通信系统的接收机，所述帧同步模块用于针对每一时刻获取的接收数据进行帧同步处理，所述帧同步模块包括：

差分相关计算子模块，用于对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；其中，所述接收数据包括同相正交的I路数据和Q路数据；

本地相关序列获取子模块，用于获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；其中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制；所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同；

相位判断子模块，用于对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列；

判决权值获取子模块，用于对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值；

相关值获取子模块，用于利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值；

判决值取子模块，用于将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值；

捕获结果获取子模块，用于将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

本发明实施例所提供的方案中，利用简化差分后验累加算法实现简单，受信号功率影响小和峰值分布具有一定的规律等特点，与传统相关算法进行结合。将基于简化差分后验累加算法得到的累加结果作为相关值的加权值，得到最终用于帧同步判决的判决值，可以提高帧起始位置的检测概率。并且，本发明实施例将接收数据先进行差分相关计算，可以提高算法的抗频偏特性。仅利用接收信号的符号位进行处理，算法复杂度低，可以节省硬件实现资源，便于硬件实现。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的一种帧同步方法的流程示意图；

图2为本发明实施例作为示例的DVB-S2X解调系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的帧同步处理过程示意图；

图4为简化差分后验累加算法的峰值分布结果图；

图5(a)表示经由传统相关算法得到的判决值；

图5(b)为针对图5(a)加权之后的相关峰值；

图6为本发明实施例所提供的帧同步方法和现有的相关算法的仿真结果对比图；

图7为本发明实施例所提供的一种帧同步模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

接收机需要在卫星信道环境中通过可靠的帧同步算法确定帧的起始位置。物理层帧头是接收机实现帧同步和载波恢复的重要依据。正确解析帧头可以获得帧长、调制编码方式以及是否存在导频等信息。以常见的DVB-S2(Digital Video Broadcasting-Satellite-Second Generation，第二代卫星数字电视广播)或者DVB-S2X(Digital VideoBroadcasting-Satellite-Second Generation Extensions，第二代卫星数字电视广播扩展)接收机为例，帧头信息包括固定已知的帧起始(Start Of Frame，SOF)序列和可变的物理层信令码字(Physical Layer Signaling Code，PLSC)序列。其中，SOF为固定符号18D2E82_HEX，用于标识一帧的起始位置，常用作进行帧同步的本地序列。

为了实现提高帧起始位置检测概率的目的，本发明实施例提供了一种帧同步方法和帧同步模块，本发明实施例的帧同步方法针对帧同步模块每一时刻获取的接收数据的处理方式相同。以下主要以当前时刻获取的接收数据为例，阐述本发明实施例的处理过程。

第一方面，本发明实施例提出了一种帧同步方法。如图1所示，本发明实施例所提供的一种帧同步方法，可以包括如下步骤S1～S7：

S1，对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列。

本发明实施例的帧同步方法应用于接收机的帧同步模块，所述帧同步方法具体可以利用FPGA等硬件实现。需要说明的是，本发明实施例的接收机包括但不限于DVB-S2/DVB-S2X接收机。如图2所示，可以用DVB-S2X解调系统进行接收机的示意。图2为本发明实施例作为示例的DVB-S2X解调系统的结构示意图。关于图2中除帧同步外其余模块的处理过程，请参见相关现有技术进行理解，在此不做说明。

本发明实施例的接收数据可以是接收机直接接收到的同相正交I-Q数据，也可以是接收机经过符号定时恢复(STR)处理后的数据。

可以理解的是，本发明实施例的所述接收数据包括同相正交的I路(in-phase，同相)数据和Q路(quadrate，正交)数据。

可选的一种实施方式中，S1可以包括S11～S13。

S11，将上一时刻的接收数据进行共轭计算，将共轭计算结果与所述当前时刻的接收数据相乘，得到当前时刻的差分相关值。

请结合图3理解本发明实施例的处理过程，图3为本发明实施例的帧同步处理过程示意图。关于S1请参见图3左上角的虚线框内部分，其中，k表示当前时刻，r_k-1表示上一时刻的接收数据，r_k表示当前时刻的接收数据，r_k+1表示下一时刻的接收数据，()^*表示求取共轭，

表示乘法器，D表示缓存器。

本发明实施例可以存储每一时刻的接收数据。因此，在获取到当前时刻的接收数据r_k后，可以调取出上一时刻的接收数据r_k-1，对r_k-1求取共轭得到

再将r_k和

作为乘法器的两个输入，得到乘积

将

作为当前时刻的差分相关值。

需要说明的是，在FPGA中实现复数求共轭，只需要对虚部信号进行取反加1即可，该部分的乘法需要调用复数乘法器。

S12，将上一时刻对应的差分相关序列中最先存储的差分相关值删除，并将之后的差分相关值向删除位置依次移位，得到移位后序列。

本发明实施例中，帧同步模块持续获取每一时刻的接收数据，针对每一时刻的接收数据均会得到一差分相关值并利用缓存器D进行缓存，继而得到对应的一差分相关序列。而每一时刻对应的差分相关序列的长度是固定的，具体根据同步序列的长度设定。以DVB-S2/DVB-S2X接收机为例，差分相关序列的长度为25，即可存储数据量为25个字符。

各时刻的差分相关序列是以滑动窗口的形式缓存并随时间移动的，可以结合先入先出队列的形式进行理解。针对当前时刻，该滑动窗口会通过移动一个位置来将上一时刻对应的差分相关序列中最先存储的差分相关值删除，同时实现了将原序列删除值之后的差分相关值向删除位置依次移位一个位置，那么，可以理解的是，移动后的该差分相关序列会预留出一个与当前时刻对应的空余位，本发明实施例为了便于理解，将此时的序列命名为移位后序列。

S13，将所述当前时刻的差分相关值补入所述移位后序列中的空余位，得到当前时刻对应的差分相关序列。

通过将当前时刻的差分相关值补入所述移位后序列中的空余位，可以得到当前时刻对应的差分相关序列。

可以理解的是，通过每一时刻不断地缓存差分相关值，各时刻对应的差分相关序列连接构成一个串行数组，每一时刻的差分相关序列在该数组中以滑动窗口形式不断移动。

S2，获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列。

本发明实施例中，本地相关序列是通过对与接收数据对应的SOF序列进行差分相关计算得到的，具体过程可以包括以下步骤1～步骤3。

步骤1，获取SOF序列。

请参见图3中右上角的虚线框内部分，本发明实施例中的SOF序列可以表示为：

SOF＝(sof₁,sof₂,...,sof_L-1,sof_L)，其中，sof表示SOF序列中具体的数据，sof的下标表示数据在SOF序列中的序号，L为SOF序列的长度，L为大于1的自然数。通常SOF序列是固定字符，由通信协议确定。因此，在通信协议确定的情况下，可以提前获知相应的SOF序列。如DVB-S2/DVB-S2X接收机中，SOF序列为固定符号18D2E82_HEX，长度为26。

本发明实施例中，本地相关序列作为帧同步模块重要的参考序列，实现长度可配置并且可以适应多种调制类型的本地相关序列，将可以显著提高帧同步模块的通用性。

步骤2，计算所述SOF序列中第i+1个数据的共轭值。

第i+1个数据的共轭值表示为

步骤3，将所述第i+1个数据的共轭值与所述SOF序列中第i个数据的乘积，作为本地相关序列中的第i个数据。

设本地相关序列为C＝(c₁,...,c_L-1)，其中第i个数据

i＝1,…,L-1。以DVB-S2/DVB-S2X接收机为例，所述SOF序列的长度L为26。因此，所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同，各时刻的差分相关序列和所述本地相关序列的长度均为25。通过上述步骤1～步骤3，可以计算获得本地相关序列C。在实际处理过程中，可以在执行至S2时，具体进行上述步骤1～步骤3的计算。但由于SOF序列是固定的。因此，在优选的实施方式中，可以在执行S1之前，通过上述步骤1～步骤3的计算，预先得到本地相关序列C并进行相应的存储，那么，在执行至S2时，仅需要调取已存储的本地相关序列C即可，无需重复计算，因此能够减少计算量，减轻资源消耗。

本发明实施例中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制(BPSK，二进制相移键控)。因此，本领域技术人员可以理解的是，SOF序列中相邻两个数据的差分相关值为±j，因此，本地相关序列只产生Q路数据。即得到的本地相关序列中的数据仅对应±j。

需要说明的是，S2中得到本地相关序列所进行的差分相关计算的规则与S1中得到差分相关序列所进行的差分相关计算的规则恰好相反，具体表现在针对两序列中同一位置的数据的生成过程，本地相关序列是对当前时刻的下一个数据求取共轭值，而差分相关序列是对当前时刻的上一个数据求取共轭值。之所以对两者采用相反的处理方式，是为了获取相反符号的Q路数据，以实现在后续步骤简化异或运算的目的。

S3，对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列。

如前所述，本发明实施例得到的本地相关序列中的数据仅对应±j，因此，需要对应判断所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据对应的Q路数据是大于0还是小于0。本发明实施例中，该步骤是对差分相关序列中各数据，通过硬判决的方式，确定数据所处的象限，从而确定该数据对应的符号位。

可选的一种实施方式中，S3可以包括S31～S32：

S31，针对所述当前时刻对应的差分相关序列中的每个差分相关值，提取该差分相关值的符号位。

如图3所示，sgn表示提取符号位，由于差分相关值为复数，具有符号+或者-。因此，针对一差分相关值，可以使用1表示-，0表示+，即提取出的符号位为1或者0。

S32，由依次得到的各符号位构成符号序列。

可以理解的是，符号序列由0或者1构成，符号序列的长度与当前时刻对应的差分相关序列，以及本地相关序列的长度一致。关于符号位以及提取过程请参见相关的现有技术，在此不做赘述。

本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例提取接收数据的符号位，只需要1位宽数据就可以表示接收数据，因此可以减少资源的占用。

S4，对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值。

具体的，该步骤可以包括S41和S42：

S41，对所述本地相关序列和所述符号序列中对应位置的数据进行异或处理，得到多个异或处理结果。

如图3所示，

表示异或处理，如果参与异或处理的数据相同则运算结果为0，否则为1。

以前文L＝26为例，对所述本地相关序列和所述符号序列中对应位置的数据进行异或处理后，可以得到25个异或处理结果。

S42，将所述多个异或处理结果相加得到判决权值。

如图3所示，∑表示加和处理。以前文L＝26为例，25个异或处理结果进行加和后，可以得到一个和作为判决权值。

由于相关算法在FPGA等硬件上实现时，通常需要占用大量的资源，本发明实施例只采用接收数据的符号位和本地相关序列进行相关的方式，可以有效降低资源占用，降低计算的复杂度，减少硬件实现资源。

S5，利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值。

可选的一种实施方式中，S5可以包括S51～S53。

S51，将所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列。

针对该步骤，第一种可选的实施方式包括：

利用乘法器对所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列。

本步骤的乘法器对应于图3中点划线框内的部分。乘法器是硬件实现上常用的一种器件，关于利用乘法器实现两个数据序列的相乘处理，请参见相关现有技术，在此不做赘述。

如S2所述，本地相关序列中的数据为±j，这里采用‘0’表示+j，‘1’表示-j，因此本领域技术人员可以理解，当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的运算结果只有两种情况。

其中，R(k)表示当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的运算结果，a表示当前时刻对应的差分相关序列的I路数据，b表示Q路数据。UW＝0表示本地相关序列中的数据为+j的情况，UW＝1表示本地相关序列中的数据为-j的情况。

从公式(1)可知，针对当前时刻对应的差分相关序列中的差分相关值为a+bj，当本地相关序列对应的值为j时，运算结果为-b+aj，当本地相关序列对应的值为-j时，运算结果为b-aj，即运算结果是已知的。那么，针对所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列进行的相关计算可以利用上述已知结果，先对当前时刻对应的差分相关序列中对应的差分相关值的I路数据和Q路数据进行交换，然后根据对应位置的本地相关序列中的数据情况，对原差分相关值进行相应的取反操作，就可以完成相关运算，而不必要使用乘法器。

因此，针对该步骤，第二种可选的实施方式包括S511～S513：

S511，针对所述差分相关序列中的每个差分相关值，将该差分相关值中I路数据和Q路数据交换，得到该差分相关值对应的交换数据。

比如，针对差分相关值为a+bj，将该差分相关值中I路数据和Q路数据交换后得到对应的交换数据为b+aj。

S512，若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为+j，将该差分相关值对应的交换数据进行实部取反，得到实部取反后数据，并将所述实部取反后数据补入双重相关序列中对应位置。

如果所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为+j，那么，将b+aj进行实部取反，得到的实部取反后数据为-b+aj，该结果与公式(1)中UW＝0情况的运算结果一致。

S513，若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为-j，将该差分相关值对应的交换数据进行虚部取反，得到虚部取反后数据，并将所述虚部取反后数据补入双重相关序列中对应位置。

如果所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为-j，那么，将b+aj进行虚部取反，得到的虚部取反后数据为b-aj，该结果与公式(1)中UW＝1情况的运算结果一致。

将得到的各个运算结果均补入双重相关序列中对应位置后，即可得到完整的双重相关序列，可以理解的是，双重相关序列的长度与所述当前时刻对应的差分相关序列，以及所述本地相关序列的长度一致。

可见，第二种可选的实施方式中，利用当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的运算结果的规律性，采用交换取反操作即可对所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列，该部分处理可以替换图3中点划线部分的乘法器，因此可以减少复数乘法器的使用，从而减轻算法的复杂度。

S52，将所述双重相关序列中的数据进行多层级的两两数值加法运算，得到相关和。

该部分对应于图3中双点划线框内的∑部分。硬件实现过程中，需要采用两两相加的方式，以使系统工作在更高的时钟频率，因此对所述双重相关序列中的25个数据采用多层级的两两数值加法运算。

针对第一层级的加法运算，先依据一定的选取规则，在25个数据中选取出多组数据，每组含有2个数据，其中，选取规则可以是选择相邻的两个数据，或者是相隔的两个数据，或者是位置左右对称的两个数据等等。因此，以第一层级为例，两两选择数据求取加和结果，并将多余的一数据单独作为一组加和结果，可以得到13组加和结果。该13个数据即为第二层级的待处理数据。类似进行多个层级的加法运算，直至最后得到一个加和结果，则完成该步骤的运算。将最后得到的一个加和结果作为相关和。本领域技术人员可以理解的是，上述相关和是25个数据经过5个层级的加法运算得到的。

S53，对所述相关和进行取模计算，得到相关值。

取模计算对应于图3中|·|部分，表示对复数取模，即求取复数的绝对值。例如，对复数为z＝x+yi，取模结果为

S6，将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值。

在本领域中，通过使用相关检测器来计算本地序列与接收序列之间的相关性是常用的同步方法。传统相关算法主要有自相关算法和互相关算法，自相关算法主要利用接收序列之间的关系，而互相关算法则利用本地序列与接收序列之间的关系，包括差分后验累加算法(Differential Post-Detection Integration,DPDI)等等。相关算法需要进行大量的复数乘法运算，算法性能一般随着复杂度的增加而提升，因此为了提高算法性能，往往需要增加大量的复数乘法器，导致硬件实现的资源消耗较大。

从减少计算资源的初衷出发，可以先考虑一种简化差分后验累加算法，通过硬判决的方式获得接收信号的符号位，使用接收信号的符号位和本地序列进行相关，累加求和得到判决值。发明人通过研究该简化差分后验累加算法的峰值分布，比如以帧头序列UW字结束位置100为中心，可以观测到仿真结果受信号功率的影响较小，分布具有规律性，大致呈现对称分布。如图4所示，图4为简化差分后验累加算法的峰值分布结果图。

而研究显示，经由传统相关算法得到的峰值分布受信号功率影响较大，波动明显，分布的规律性不强。

因此，本发明实施例考虑将传统相关算法和上述简化差分后验累加算法进行结合，提出一种加权差分后验累加算法：将简化差分后验累加算法得到的累加值作为加权值，与传统相关算法得到的相关值进行乘法运算，加权值可以作为差分相关序列对应的相关长度内所计算相关值的可信度，当可信度比较高时，表明相关长度内的接收数据与本地序列相近，可以进一步提高相关值的峰值，当可信度比较低时，表明相关长度内的接收数据与本地序列差异较大，即使相关峰值计算较大，也可以进行削弱。这样，可以有效地消除原有传统相关算法峰值之外的毛刺，并且提高原有峰值，从而降低帧同步算法的错位检测概率，即提高帧起始位置的检测概率。

关于该部分效果请参见图5所示，图5(a)表示经由传统相关算法得到的判决值。在理想情况下，峰值位置位于100，300，500，700和900等位置，但通过实际观测在X＝497的位置峰值更加明显，在X＝900位置存在峰值，但在判决时，容易被附近的峰值干扰。因此，将传统相关算法的计算结果(对应于本发明实施例的相关值)与简化差分后验累加算法的判决值(对应于本发明实施例的判决权值)进行乘法运算，得到的结果如图5(b)所示，图5(b)为针对图5(a)加权之后的相关峰值。由图5(b)可以看到，在X＝497位置的峰值明显被削弱，同时X＝900位置的峰值则更加突出，由此可以显示出本发明实施例所提出的帧同步方法的有效性。

并且，相较于传统相关算法，本发明实施例对接收数据进行的差分相关计算使用的计算方法更为简化，可以节省计算资源。并且，直接将接收数据进行硬判决的简化差分后验累加算法，在存在频偏的情况下，算法性能会有严重损失，而本发明实施例采用对接收数据先差分相关再进行硬判决的方式，可以提高算法的抗频偏特性和实用性。

S7，将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

所述预设阈值根据经验值确定。将所述判决值与预设阈值进行比较，得到的当前时刻帧起始位置的捕获结果可以包括以下两种：

1)当所述判决值大于预设阈值，则确定当前时刻捕获到帧起始位置，输出帧起始使能信号。

2)当所述判决值小于等于预设阈值，则确定当前时刻未捕获到帧起始位置，则继续对下一时刻的接收数据进行检测。

在确定当前时刻捕获到帧起始位置后，可以参照相关现有技术进行后续处理，比如，可选的一种实施方式中，针对卫星通信系统，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果之后，所述方法还可以包括：

S8，计算自获取到所述当前时刻的接收数据，至所述判决值与预设阈值比较完成时的延迟时钟数量，利用所述延迟时钟数量对接收数据进行延迟。

卫星通信系统中帧与帧之间的间隔往往不是固定的，而帧同步模块完成相关运算计算得到当前时刻对应的判决值需要一定数量的时钟，为了使帧起始使能信号与实际接收数据一一对齐，那么就需要对输入数据进行延迟。本步骤确定的延迟时钟数量，即是为当前时刻以及后续时刻的接收数据延迟控制提供参考依据。在实现过程中，根据延迟时钟数量，是通过使用fifo IP核的内部计数器，从而控制fifo的读写操作来实现延迟控制的。

当然，本发明实施例在确定当前时刻捕获到帧起始位置后的处理方式不限于此，在此不做详述。

为了说明本发明实施例所提出的帧同步方法相较于其余算法的有效性，在此对相应的仿真实验结果进行说明。

(1)仿真条件

本发明的仿真条件是在MATLAB 2018b软件下进行，数据帧前导序列长度为32，采用π/2-BPSK的调制方式，有效数据的映射方式为QPSK，归一化频偏为0.01。设单个信噪比点的仿真帧数为1×10⁶次。

(2)仿真内容与结果分析

在上述仿真条件下，用本发明所提出的帧同步方法和现有的相关算法进行仿真对比，结果如图6。

图6中的横坐标表示系统中符号信噪比，其单位为分贝dB(decibel),纵坐标表示帧同步错误概率(Frame Synchronization Error Rate，FSER)。

其中，sgn-DPDI表示简化差分后验累加算法；DPDI表示差分后验累加算法；α-DPDI表示本发明实施例所提出的帧同步方法。从图6中可知，使用本发明的加权差分后验累加算法，帧起始位置的错误检测概率有明显的下降，这表明使用本发明方法可以有效提高帧的捕获概率。

本发明实施例所提供的方案中，利用简化差分后验累加算法实现简单，受信号功率影响小和峰值分布具有一定的规律等特点，与传统相关算法进行结合。将基于简化差分后验累加算法得到的累加结果作为相关值的加权值，得到最终用于帧同步判决的判决值，可以提高帧起始位置的检测概率。并且，本发明实施例将接收数据先进行差分相关计算，可以提高算法的抗频偏特性。仅利用接收信号的符号位进行处理，算法复杂度低，可以节省硬件实现资源，便于硬件实现。

第二方面，相应于上述方法实施例，本发明实施例还提供了一种帧同步模块，应用于卫星通信系统的接收机，该接收机可以包括但不限于DVB-S2/DVB-S2X接收机。所述帧同步模块用于针对每一时刻获取的接收数据进行帧同步处理，如图7所示，所述帧同步模块包括：

差分相关计算子模块701，用于对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；其中，所述接收数据包括同相正交的I路数据和Q路数据；

本地相关序列获取子模块702，用于获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；其中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制；所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同；

相位判断子模块703，用于对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列；

判决权值获取子模块704，用于对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值；

相关值获取子模块705，用于利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值；

判决值取子模块706，用于将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值；

捕获结果获取子模块707，用于将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

可选的，所述差分相关计算子模块701，具体用于：

将上一时刻的接收数据进行共轭计算，将共轭计算结果与所述当前时刻的接收数据相乘，得到当前时刻的差分相关值；

将上一时刻对应的差分相关序列中最先存储的差分相关值删除，并将之后的差分相关值向删除位置依次移位，得到移位后序列；

将所述当前时刻的差分相关值补入所述移位后序列中的空余位，得到当前时刻对应的差分相关序列。

可选的，所述本地相关序列获取子模块702，具体用于：

获取SOF序列；

计算所述SOF序列中第i+1个数据的共轭值；

将所述第i+1个数据的共轭值与所述SOF序列中第i个数据的乘积，作为本地相关序列中的第i个数据；其中，i＝1,…,L-1，L为所述SOF序列的长度。

可选的，所述相位判断子模块703，具体用于：

针对所述当前时刻对应的差分相关序列中的每个差分相关值，提取该差分相关值的符号位；

由依次得到的各符号位构成符号序列。

可选的，所述判决权值获取子模块704，具体用于：

对所述本地相关序列和所述符号序列中对应位置的数据进行异或处理，得到多个异或处理结果；

将所述多个异或处理结果相加得到判决权值。

可选的，所述相关值获取子模块705，包括：

双重相关序列获取单元，用于将所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列；

加和单元，用于将所述双重相关序列中的数据进行多层级的两两数值加法运算，得到相关和；

取模计算单元，用于对所述相关和进行取模计算，得到相关值。

可选的，所述双重相关序列获取单元，具体用于：

利用乘法器对所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列。

可选的，所述双重相关序列获取单元，具体用于：

针对所述差分相关序列中的每个差分相关值，将该差分相关值中I路数据和Q路数据交换，得到该差分相关值对应的交换数据；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为+j，将该差分相关值对应的交换数据进行实部取反，得到实部取反后数据，并将所述实部取反后数据补入双重相关序列中对应位置；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为-j，将该差分相关值对应的交换数据进行虚部取反，得到虚部取反后数据，并将所述虚部取反后数据补入双重相关序列中对应位置。

可选的，所述获结果获取模块707，具体用于：

当所述判决值大于预设阈值，则确定当前时刻捕获到帧起始位置，输出帧起始使能信号。

可选的，针对卫星通信系统，所述帧同步模块还包括：

延迟子模块，用于在得到当前时刻帧起始位置的捕获结果之后，计算自获取到所述当前时刻的接收数据，至所述判决值与预设阈值比较完成时的延迟时钟数量，利用所述延迟时钟数量对接收数据进行延迟。

关于帧同步模块各部分的详细处理过程，请参见第一方面所述的帧同步方法，在此不做赘述。

本发明实施例所提供的方案中，利用简化差分后验累加算法实现简单，受信号功率影响小和峰值分布具有一定的规律等特点，与传统相关算法进行结合。将基于简化差分后验累加算法得到的累加结果作为相关值的加权值，得到最终用于帧同步判决的判决值，可以提高帧起始位置的检测概率。并且，本发明实施例将接收数据先进行差分相关计算，可以提高算法的抗频偏特性。仅利用接收信号的符号位进行处理，算法复杂度低，可以节省硬件实现资源，便于硬件实现。另外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例所提供的帧同步方法的步骤。由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种帧同步方法，其特征在于，针对每一时刻获取的接收数据，所述方法包括：

对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；其中，所述接收数据包括同相正交的I路数据和Q路数据；

获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；其中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制；所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同；

对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列；

对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值；

利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值；

将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值；

将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列，包括：

将上一时刻的接收数据进行共轭计算，将共轭计算结果与所述当前时刻的接收数据相乘，得到当前时刻的差分相关值；

将上一时刻对应的差分相关序列中最先存储的差分相关值删除，并将之后的差分相关值向删除位置依次移位，得到移位后序列；

将所述当前时刻的差分相关值补入所述移位后序列中的空余位，得到当前时刻对应的差分相关序列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列，包括：

获取SOF序列；

计算所述SOF序列中第i+1个数据的共轭值；

将所述第i+1个数据的共轭值与所述SOF序列中第i个数据的乘积，作为本地相关序列中的第i个数据；其中，i＝1,…,L-1，L为所述SOF序列的长度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列，包括：

针对所述当前时刻对应的差分相关序列中的每个差分相关值，提取该差分相关值的符号位；

由依次得到的各符号位构成符号序列。

5.根据权利要求2或4所述的方法，其特征在于，所述利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值，包括：

将所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列；

将所述双重相关序列中的数据进行多层级的两两数值加法运算，得到相关和；

对所述相关和进行取模计算，得到相关值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列，包括：

利用乘法器对所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述差分相关序列和所述本地相关序列进行相关计算，得到双重相关序列，包括：

针对所述差分相关序列中的每个差分相关值，将该差分相关值中I路数据和Q路数据交换，得到该差分相关值对应的交换数据；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为+j，将该差分相关值对应的交换数据进行实部取反，得到实部取反后数据，并将所述实部取反后数据补入双重相关序列中对应位置；

若所述本地相关序列中与该差分相关值对应位置的数据为-j，将该差分相关值对应的交换数据进行虚部取反，得到虚部取反后数据，并将所述虚部取反后数据补入双重相关序列中对应位置。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果，包括：

当所述判决值大于预设阈值，则确定当前时刻捕获到帧起始位置，输出帧起始使能信号。

9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，针对卫星通信系统，所述得到当前时刻帧起始位置的捕获结果之后，所述方法还包括：

计算自获取到所述当前时刻的接收数据，至所述判决值与预设阈值比较完成时的延迟时钟数量，利用所述延迟时钟数量对接收数据进行延迟。

10.一种帧同步模块，其特征在于，应用于卫星通信系统的接收机，所述帧同步模块用于针对每一时刻获取的接收数据进行帧同步处理，所述帧同步模块包括：

差分相关计算子模块，用于对当前时刻的接收数据利用差分相关计算，得到当前时刻对应的差分相关序列；其中，所述接收数据包括同相正交的I路数据和Q路数据；

本地相关序列获取子模块，用于获取表征SOF序列的差分相关信息的本地相关序列；其中，所述SOF序列采用π/2-BPSK调制；所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列的长度相同；

相位判断子模块，用于对所述当前时刻对应的差分相关序列中各数据进行相位判断，得到符号序列；

判决权值获取子模块，用于对所述本地相关序列和所述符号序列进行异或处理，得到判决权值；

相关值获取子模块，用于利用所述当前时刻对应的差分相关序列和所述本地相关序列得到相关值；

判决值取子模块，用于将所述判决权值和所述相关值相乘得到判决值；

捕获结果获取子模块，用于将所述判决值与预设阈值进行比较，得到当前时刻帧起始位置的捕获结果。

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