CN113890810B - 一种dvb-s2x系统超帧的帧同步方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DVB‑S2X系统超帧的帧同步方法及系统，所述方法包括：计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；计算出峰值阈值；根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决；当判决结果符合要求时从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。本发明通过分块匹配解决了针对低轨卫星的地面终端接收时存在大频偏、信噪比低的情况，使得地面终端帧帧捕获概率变低的问题。

Description

一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法及系统
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，具体而言，涉及一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法及系统。
背景技术
卫星按用途可分为通信卫星、遥感卫星、导航卫星、技术试验卫星等。截至2019年1月，全球在轨正常运行卫星数量为2062颗。按照通信卫星运行的轨道不同，卫星通信系统可分为低轨道(LEO)卫星通信、中轨道(MEO)卫星通信和高轨道(GEO)同步卫星通信。
由于低轨卫星在军事、物联网等领域的巨大应用价值，加之地球近空领域频率和轨道资源有限，而根据国际电联的规定，频谱与轨道归属采用“先发先得”原则。近年来，各国在全球低轨卫星星座领域展开了激烈的竞争。当前国际主要制造商大多位于美国，包括SpaceX、OneWeb、泰雷斯等，主要星座计划包含Starlink(星链)、OneWeb、铱星等。
相对于传统的大卫星，低轨卫星具有制造成本低，发射成本低，接收效率高等优势。但同时由于低轨卫星运行速度快，信道复杂，地面终端接收时存在大频偏，信噪比低的情况，传统的地面终端帧捕获技术难度变高，使得地面终端帧捕获概率变低。
发明内容
本发明旨在提供一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法及系统，以解决针对低轨卫星的地面终端接收时存在大频偏、信噪比低的情况，使得地面终端帧帧捕获概率变低的问题。
本发明提供的一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤100，传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
步骤200，将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；
步骤300，从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
步骤400，计算出峰值阈值；
步骤500，根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：
当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并重新执行步骤300；
否则，执行步骤600；
步骤600，从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。
进一步的，步骤100中计算时间间隔长度的方法为：
Lskip＝Lre×(1-ppm)；
其中，Lskip表示时间间隔长度，Lre表示接收数据的总长度，ppm为接收数据的采样频率。
进一步的，步骤300包括如下子步骤：
步骤301，从接收数据中按顺序截取长度为Lcorr的序列L1，并记录截取起始位置B，本地序列记为L0；
步骤302，将截取的序列L1和本地序列L0均分为S块，对截取的序列L1和本地序列L0的S块进行匹配处理，得到第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果；
步骤303，根据第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果计算峰值匹配结果。
进一步的，步骤302中采用如下方法计算第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果：
其中，k表示第k次从接收数据中截取序列L1，1≤k≤K，K＝Lre/Lcorr；
xi(k)表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列，1≤i≤S；
表示本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列；
z′i[k]表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果。
进一步的，步骤303中采用如下方法计算峰值匹配结果：
其中，bpeak[k]表示第k次从接收数据中截取序列L1与本地序列L0的峰值匹配结果；abs()表示求绝对值。
进一步的，步骤400中采用如下方法计算峰值阈值：
其中，bthresh表示峰值阈值；M为中间参数；P和N为自定义参数。
本发明还提供一种DVB-S2X系统超帧的帧同步系统，包括：
数据预处理模块，用于传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
上采样模块，用于将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；
滑动匹配模块，用于从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
阈值计算模块，用于计算出峰值阈值；
阈值判决模块，用于根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并将更新后的截取起始位置返回给滑动匹配模块重新执行；否则，将接收数据中截取序列的截取起始位置发送给帧同步输出模块；
帧同步输出模块，用于从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过从接收数据中截取序列并对截取序列和本地序列进行分块匹配的方法，每个块的频偏旋转量相对于不分块时会小很多，则可以用分块数量来控制频偏，由此可以抵抗大频偏，同时有合并增益，因此本发明也适用于低信噪比的场景，从而解决了针对低轨卫星的地面终端接收时存在大频偏、信噪比低的情况，使得地面终端帧帧捕获概率变低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的DVB-S2X系统超帧的帧同步方法的流程图。
图2为本发明实施例的超帧结构图。
图3为本发明实施例的DVB-S2X系统超帧的帧同步系统的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
实施例1
如图1所示，本实施例提出一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤100，传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
其中，接收数据的总长度可以通过分析接收数据包含多少符号位得到，将接收数据的总长度记为Lre，则计算时间间隔长度的方法为：
Lskip＝Lre×(1-ppm)；
其中，Lskip表示时间间隔长度，ppm为接收数据的采样频率。
步骤200，将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；由于接收数据在经过匹配滤波器后没有下抽到1倍的符号率上，所以在做帧同步的时候需要将本地序列上采样到与接收数据的采样频率相同。
步骤300，从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
如图2所示，本发明涉及的低轨卫星系统的超帧(SuperFrame，SF)由超帧前导(Start-Of-Super-Frame preamble，SOSF)、超帧格式指示(Super-Frame FormatIndicator，SFFI)、超帧头(Super-Frame Header，SFH)、超帧导频(SF Pilots)、物理层帧(PLFRAME)和/或后导码(Postamble)等部分组成。容量单元(Capacity Unit，CU)是超帧的基本单元，每个CU包含90个符号。
每个超帧可以包含一个或多个物理层帧(PLFRAME)。一个物理层帧由物理层头(PLHEADER，PLH)和复FEC帧(XFECFRAME)组成。超帧中最后一个物理层帧的PLH包含一个专用比特，用于指示当前物理层帧为该超帧的最后一个物理层帧。超帧结构支持跨驻留时间的PLFRAME传输。单次驻留时间内可以传输一个或多个超帧。
本实施例中，本地序列选取的是超帧头前的超帧前导和超帧格式指示(SOSF+SFFI)，将选取的本地序列的长度记为Lcorr。则步骤300包括如下子步骤：
步骤301，从接收数据中按顺序截取长度为Lcorr的序列L1，并记录截取起始位置B，本地序列记为L0；需要说明的是，第一次从接收数据中截取序列L1时是从接收数据的起始位置(即第一位符号)截取；
步骤302，将截取的序列L1和本地序列L0均分为S块，对截取的序列L1和本地序列L0的S块进行匹配处理，得到第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果：
其中，k表示第k次从接收数据中截取序列L1，1≤k≤K，K＝Lre/Lcorr；
xi(k)表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列，1≤i≤S；
表示本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列；
z′i[k]表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果；
步骤303，根据第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果计算峰值匹配结果：
其中，bpeak[k]表示第k次从接收数据中截取序列L1与本地序列L0的峰值匹配结果；abs()表示求绝对值；
步骤400，计算出峰值阈值：
其中，bthresh表示峰值阈值；M为中间参数；P和N为自定义参数，可以根据实际使用情况进行调整，即当给出了参数P和N的数值，则已知参数P后可以根据下面的公式计算出中间参数M的值，再由已知的参数N和中间参数M可以根据上面的公式计算出峰值阈值bthresh。
步骤500，根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：
当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并重新执行步骤300；
否则，执行步骤600；
换言之，当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值时，则更新截取起始位置B并每次从接收数据中按顺序截取长度为Lcorr的序列L1，并重复执行步骤300～步骤500，直至峰值匹配结果不小于峰值阈值且截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值。
步骤600，从接收数据中截取序列的截取起始位置B开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。
实施例2
如图3所示，本实施例提出一种DVB-S2X系统超帧的帧同步系统，包括：
数据预处理模块，用于传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
上采样模块，用于将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；
滑动匹配模块，用于从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
阈值计算模块，用于计算出峰值阈值；
阈值判决模块，用于根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并将更新后的截取起始位置返回给滑动匹配模块重新执行；否则，将接收数据中截取序列的截取起始位置发送给帧同步输出模块；
帧同步输出模块，用于从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。
需要说明的是，本实施例的所述帧同步系统中的各个功能模块的执行过程可以按照实施例1实现，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种DVB-S2X系统超帧的帧同步方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
步骤200，将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；
步骤300，从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
步骤400，计算出峰值阈值；
步骤500，根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：
当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并重新执行步骤300；
否则，执行步骤600；
步骤600，从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列；
步骤100中计算时间间隔长度的方法为：
Lskip＝Lre×(1-ppm)；
其中，Lskip表示时间间隔长度，Lre表示接收数据的总长度，ppm为接收数据的采样频率；
步骤300包括如下子步骤：
步骤301，从接收数据中按顺序截取长度为Lcorr的序列L1，并记录截取起始位置B，本地序列记为L0；
步骤302，将截取的序列L1和本地序列L0均分为S块，对截取的序列L1和本地序列L0的S块进行匹配处理，得到第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果；
步骤303，根据第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果计算峰值匹配结果；
步骤302中采用如下方法计算第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果：
其中，k表示第k次从接收数据中截取序列L1，1≤k≤K，K＝Lre/Lcorr；
xi(k)表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列，1≤i≤S；
表示本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列；
zi′[k]表示第k次从接收数据中截取的序列L1的第i个块的序列与本地序列L0的第i个块的序列的共轭序列的相关计算结果；
步骤303中采用如下方法计算峰值匹配结果：
其中，bpeak[k]表示第k次从接收数据中截取序列L1与本地序列L0的峰值匹配结果；abs()表示求绝对值；
步骤400中采用如下方法计算峰值阈值：
其中，bthresh表示峰值阈值；M为中间参数；P和N为自定义参数。
2.一种用于实现如权利要求1所述的DVB-S2X系统超帧的帧同步方法的DVB-S2X系统超帧的帧同步系统，其特征在于，包括：
数据预处理模块，用于传入接收数据并计算接收数据的总长度以及时间间隔长度；
上采样模块，用于将本地序列上采样到与接收数据采样频率相同；
滑动匹配模块，用于从接收数据中截取序列，并记录截取起始位置，再将截取的序列与本地序列通过分块匹配和累加求和，得到峰值匹配结果；
阈值计算模块，用于计算出峰值阈值；
阈值判决模块，用于根据峰值阈值与峰值匹配结果，以及截取起始位置与时间间隔长度进行判决：当峰值匹配结果小于峰值阈值或截取起始位置的数值小于时间间隔长度的数值，则将截取起始位置从本次截取的序列的结束位置向后移动一位符号并将更新后的截取起始位置返回给滑动匹配模块重新执行；否则，将接收数据中截取序列的截取起始位置发送给帧同步输出模块；
帧同步输出模块，用于从接收数据中截取序列的截取起始位置开始，截取所需超帧长度的序列作为完成帧同步后的序列。
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