CN114826369B - 一种卫星通信多帧联合同步方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卫星通信多帧联合同步方法及装置，属于卫星通信技术领域。卫星通信多帧联合同步方法包括：接收端接收已插入帧同步标识码的原始信号，解调处理后并按接收顺序依次缓存指定长度的数据；将缓存数据分成3个连续数据帧，并行执行多帧联合同步检测搜索；根据检测结果，纠正漏检的帧数据，并给出下次进行数据归一化及数据相关计算的循环次数。卫星通信多帧联合同步装置包括接收缓存单元、同步搜索单元、数据判断单元。通过本发明的实施，有效减少在低信噪比的环境下帧同步漏检问题，提升当前帧的检测概率。同时，还能减少同步过程中数据归一化及相关值计算的运算量，降低计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星通信帧同步技术，属于卫星通信技术领域。
背景技术
在卫星通信系统中，通信的收发双方位于不同地点。微波信号在传输过程中会受到自然和人为等多种不利因素的影响，将导致收发双方不能正常同步，从而降低了通信系统性能。因此，同步算法性能是影响卫星通信系统的一个重要指标。
帧同步是处理同步问题的主要方法。帧同步是指接收机从接收到的比特流中确定帧起点或终点，以实现数据的解析。根据是否插入帧同步标识码，将帧同步方法分为自同步法和外同步法。自同步法是指不插入帧同步标识码，仅利用信息比特自身的性质，或者通过合理的编码，实现帧同步。自同步法相对简单，适用于高信噪比的通信环境。而外同步法是指按照某种特定的规则，插入帧同步标识码作为帧的标志，通过锁定帧同步标识码的位置，实现帧同步。对于卫星通信系统，所处的通信环境信噪比较低，且对同步要求很高，目前主流的方式为用外同步法处理同步问题。
在卫星通信场景中，由于星地链路较长，空间电磁环境复杂，存在较多违规使用频率情况，特别是在某些特殊场景中，存在大量人为干扰，造成通信质量恶化，往往会造成连续数据帧中某一帧或几帧数据发生误码，特别是帧同步标识码被干扰时，将直接造成数据帧漏检等问题，导致同步性能下降，数据发生丢失。因此，在帧同步算法中需要重点解决由于突发干扰造成的漏检问题。此外，传统的外同步算法涉及大量相关计算，在高速通信场景下，为了提升数据实时处理能力，还需要进一步优化帧同步算法，降低计算复杂度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对在低信噪比、存在干扰情况下的卫星信号接收的漏检问题，设计多帧联合检测的同步方法与装置，利用当前帧的前一帧与后一帧检测状态的相关性提升当前帧的检测概率。本发明根据多帧联合检测结果，进一步优化后续同步搜索过程，降低计算复杂度。
本发明的技术解决方案是：
一种卫星通信多帧联合同步方法，包括：
(S1)在数据符号流的物理层插入长度为S的帧同步标识码组成完整的发送信号发送到接收端，发送信号每帧长度为L；
(S2)接收端接收到发送信号进行解调处理，输出软信息结果；将所述的软信息结果按接收顺序缓存长度为4L的数据；每4L数据为一组，依次针对每组缓存的数据执行如下处理：
(S3)将缓存数据分成3个连续数据帧，并行执行同步检测搜索，若在数据帧内成功检测到帧同步标识码，则标记该数据帧检测的状态结果为“1”，反之标记为“0”；
(S4)根据3个连续数据帧并行检测的状态结果，如出现状态结果为“101”，则将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测；如出现其他状态结果，则直接返回(S3)，对下一次缓存数据进行处理。
优选的，同步检测搜索按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行，其中数据归一化、数据相关处理循环操作，取循环得到的相关值里的最大值，将最大值与预定门限值比较，若最大值大于等于预定门限值，则表示成功检测到帧同步标识码，反之则表示未检测到帧同步标识码。
优选的，通过数据移位进行数据归一化、数据相关处理的循环操作，从帧头的第一位开始，作为初始索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的相关值和索引位置，再将索引位置向后移动一位提取长度为S的数据再次进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的当前相关值和相应的索引位置；如此循环，共执行L次。
优选的，根据3个连续数据帧检测的状态结果，判断下一次缓存数据进行同步检测的循环次数与索引位置，如出现状态结果为“011”“101”“111”的情况，则将下一次缓存数据进行同步检测的循环次数设为1次，索引位置与本次已确定的同步标识码索引位置相同；如出现其他状态结果，则下一次缓存数据进行同步检测的循环次数为L次，索引位置为帧头的第一位。
优选的，所述的数据归一化处理采用能量归一化算法，所述的数据相关处理采用互相关运算。
优选的，对长度为4L的数据处理完毕后，采用逐帧移位的迭代方式，前L长度数据被移除，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据，进行下一次处理。
优选的，为避免帧同步标识码因为数据分段而漏检，相邻两连续数据帧保留长度为S的重叠区，每帧数据长度均为L+S。
一种卫星通信多帧联合同步装置，包括接收缓存单元、同步搜索单元、数据判断单元，其中，
接收缓存单元用于接收发送端发来的、带有帧同步标识码的发送信号，进行解调处理后输出软信息结果；将输出软信息结果按长度为4L的数据依次进行缓存，其中L为数据帧长；在接收到进行下一次缓存的指令后，采用逐帧移位的方式，移除前L长度数据，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据；
同步搜索单元将所述缓存单元中的数据分成3个连续数据帧，对每一帧内的数据按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行并行同步搜索检测处理，确定是否成功检测到帧同步标识码，将每一帧成功检测标记状态结果为“1”，反之标记为“0”；
数据判断单元根据所述同步搜索单元的输出结果，对3个连续数据帧状态结果为“101”的情况，则将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测，向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令；对输出的其他状态结果，直接向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令。
优选的，所述同步搜索单元中数据归一化、数据相关处理采用循环方式进行，从帧头第一位作为初始的索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理；再每次向后移动一位，作为索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理；如此循环L次。
优选的，若同步搜索单元输出的状态结果为“011”“101”“111”时，数据判断单元则向同步搜索单元发送指令信息，将下一次缓存数据进行同步检测的循环次数减为1次，索引位置与本次已确定的同步标识码索引位置相同。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
在低信噪比条件下，系统检测概率大幅度提升，在多帧联合检测的场景下，状态结果为“101”在正常通信情况下第二帧不可能获取有效信息，通过优化处理，将该状态由漏检转变成正常检测，提升检测概率。同时，本发明进一步优化了同步过程中相关值计算的运算量，根据表1第三列所示的循环次数，减少计算量，降低计算复杂度，显著提升同步搜索效率。
附图说明
图1为本发明实施方式中帧格式以及帧同步过程中的待检测数据示意图；
图2为本发明实施方式中多帧联合同步检测搜索处理流程图；
图3为本发明实施方式中数据归一化处理流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合说明书附图对本发明做进一步详细的说明。
一种卫星通信多帧联合同步方法，包括：
(S1)在数据符号流的物理层插入长度为S的帧同步标识码组成完整的发送信号，经星地链路传输，接收端接收发送信号，其中发送信号每帧长度为L；
(S2)接收端接收到发送信号后，进行信号解调处理，输出相应的软信息结果；将软信息结果按接收的顺序，取长度为4L的数据作为一组，放入缓存中；依次针对每组数据执行如下处理：
(S3)将缓存中的长度为4L的数据分成3个连续数据帧，对3个连续数据帧并行执行同步检测搜索，若在数据帧内成功检测到帧同步标识码，则标记该数据帧检测的状态结果为“1”，反之标记为“0”；将3个连续数据帧的同步检测结果按顺序组合起来，共有8种情况，见表1的第二列所示。
(S4)根据3个连续数据帧并行检测的状态结果，如出现状态结果为“101”，即第一帧和第三帧成功检测到同步标识码，第二帧没有检测到同步标识码。利用第二帧的前一帧与后一帧检测状态的相关性与连续性，将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测；如出现其他7种状态结果，则直接返回(S3),对下一次缓存数据进行处理。
表1检测状态组合表
| 序号 | 第一帧状态、第二帧状态、第三帧状态结果 | 下一次所需搜索循环次数 |
| 状态0 | 000 | L |
| 状态1 | 001 | L |
| 状态2 | 010 | L |
| 状态3 | 011 | 1 |
| 状态4 | 100 | L |
| 状态5 | 101 | 1 |
| 状态6 | 110 | L |
| 状态7 | 111 | 1 |
对同步标识码进行同步检测搜索有多种，考虑到接收信号的强度与通信距离、发射功率等参数有关，卫星通信低信噪比的环境与存在人为干扰的情况，为了在同步检测搜索过程中具有统一的衡量标准，本发明优选的同步检测搜索方法是按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行。其中，数据归一化、数据相关处理采用循环的方式，从帧头的第一位开始，作为初始索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的相关值和索引位置，再将索引位置向后移动一位提取长度为S的数据再次进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的当前相关值和相应的索引位置，如此循环，共执行L次。将L次循环得到的相关值进行比较，取最大值与预定门限值比较，若最大值大于等于预定门限值，则表示成功检测到帧同步标识码，反之则表示未检测到帧同步标识码。
数据归一化处理方法有多种，如min-max标准化、z-score标准化、能量归一化等，本发明根据信号特点，优选能量归一化算法；数据相关处理采用互相关算法，将经过数据归一化处理后的数据与同步标识码进行互相关运算。
在对缓存中长度为4L的数据处理完毕后，对新的数据进行处理，优选逐帧移位的迭代方式，将前L长度数据被移除，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据，进行下一次处理。另外，为避免帧同步标识码因为数据分段而漏检，相邻两连续数据帧保留长度为S的重叠区，每帧数据长度均为L+S，保证在此数据帧内一定包含帧同步标识码。
本发明根据3个连续数据帧检测的状态结果，判断下一次缓存数据进行同步检测的循环次数，见表1第三列。如出现状态结果为“011”“101”“111”的情况，则将下一次缓存数据进行同步检测的循环次数由L次减为1次，索引位置与本次已确定的同步标识码索引位置相同；如出现其他五种状态结果，则下一次缓存数据进行同步检测的循环次数为L次，索引位置为帧头的第一位。
一种卫星通信多帧联合同步装置，包括接收缓存单元、同步搜索单元、数据判断单元。此装置是基于所述的卫星通信多帧联合同步方法进行设计。其中，
接收缓存单元用于接收发送端发来的、带有帧同步标识码的发送信号，进行解调处理后输出软信息结果；将输出软信息结果按长度为4L的数据依次进行缓存，其中L为数据帧长；在接收到进行下一次缓存的指令后，采用逐帧移位的方式，移除前L长度数据，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据。
同步搜索单元将所述缓存单元中的数据分成3组数据，3组数据为3个连续数据帧，对每一帧内的数据按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行并行同步搜索检测处理，确定是否成功检测到帧同步标识码，将每一帧成功检测标记状态结果为“1”，反之标记为“0”。
数据判断单元根据所述同步搜索单元的输出结果，对连续三帧状态结果为“101”的情况，则将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测，向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令；对输出的其他状态结果，直接向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令。
以下通过具体实施方式结合附图对本发明进行详细说明：
本发明首先对接收到的含有帧同步标识码的发送数据进行解调处理，发送数据的帧长L＝800，其中帧同步标识码长度S＝32。
再将解调处理后的软信息结果依次放入缓存，每次数据长度为4L。将4L的数据分为3组，3组数据为3个连续帧。为了保证后续进行同步搜索检时所检测的各连续帧内一定包含帧同步标识码，不会因为数据分段而漏检，相邻两个连续帧保留长度为S的重叠区，即3个连续帧分别为d1d2...dL+S、dL+1dL+2...d2L+S、d2L+1d2L+2...d3L+S。另一方面，每次缓存采用逐帧移位的方式，即数据整体向前移L位，且待检测数据总长度为4倍帧长，具体移位方式与帧格式如图1所示。
理想条件下解调处理后，在每帧提取的长度为S的数据y1,y2,y3,...,yS由±1组成。假定接收信号为平稳信号，受信号强度及噪声等因素影响，实际数据近似为Ay1+n1,Ay2+n2,Ay3+n3,...,AyS+nS，其中A为信号平均电平值，ni为0均值噪声，且A>>ni。根据
得到数据的能量归一化处理结果，如下：
数据的能量归一化处理如图3所示，归一化后的数据估计值为
再将数据归一化后的数据与帧同步标识码x1,x2,x3,...,xS进行数据互相关运算，
其中，数据归一化、相关值计算过程采用三个连续数据帧并行计算方式，如图2所示，每一帧数据滑动后多次进行数据归一化、数据相关计算，输出最大值及最大值的索引位置。将最大值与预定门限进行比较，得到三路数据检测状态。
对于状态结果为“101”时，尽管第二帧没有检测到帧同步标识码，但是第一帧与第三帧均检测到帧同步标识码，即表明第二帧检测失败极有可能是由于信噪比过低或人为干扰所导致的漏检。因此，通过多帧联合的方式对“101”中的第二帧进行纠正，依然采用第一帧已确定的同步标识码索引位置作为第二帧的索引位置，将第二帧的有效数据提取。
对于状态结果为“011”“101”“111”时，因为状态结果“011”或“111”均已经成功连续检测到后两帧数据，状态结果“101”已纠正第二帧数据，相当于也成功连续检测到后两帧数据，那么在上述先验知识的基础上，调整下一次缓存数据进行数据归一化与数据相关处理的主要参数，即循环次数与索引位置。下一次缓存数据只需要在同样索引位置处进行一次计算确认，而不需要再进行L次搜索。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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 (10)
1.一种卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，包括：
(S1)在数据符号流的物理层插入长度为S的帧同步标识码组成完整的发送信号发送到接收端，发送信号每帧长度为L；
(S2)接收端接收到发送信号进行解调处理，输出软信息结果；将所述的软信息结果按接收顺序缓存长度为4L的数据；每4L数据为一组，依次针对每组缓存的数据执行如下处理：
(S3)将缓存数据分成3个连续数据帧，并行执行同步检测搜索，若在数据帧内成功检测到帧同步标识码，则标记该数据帧检测的状态结果为“1”，反之标记为“0”；
(S4)根据3个连续数据帧并行检测的状态结果，如出现状态结果为“101”，则将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测；如出现其他状态结果，则直接返回(S3)，对下一次缓存数据进行处理。
2.如权利要求1所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，同步检测搜索按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行，其中数据归一化、数据相关处理循环操作，取循环得到的相关值里的最大值，将最大值与预定门限值比较，若最大值大于等于预定门限值，则表示成功检测到帧同步标识码，反之则表示未检测到帧同步标识码。
3.如权利要求2所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，通过数据移位进行数据归一化、数据相关处理的循环操作，从帧头的第一位开始，作为初始索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的相关值和索引位置，再将索引位置向后移动一位提取长度为S的数据再次进行数据归一化、数据相关处理，记录得到的当前相关值和相应的索引位置；如此循环，共执行L次。
4.如权利要求3所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，根据3个连续数据帧检测的状态结果，判断下一次缓存数据进行同步检测的循环次数与索引位置，如出现状态结果为“011”、“101”或“111”的情况，则将下一次缓存数据进行同步检测的循环次数设为1次，索引位置与本次已确定的同步标识码索引位置相同；如出现其他状态结果，则下一次缓存数据进行同步检测的循环次数为L次，索引位置为帧头的第一位。
5.如权利要求2所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，所述的数据归一化采用能量归一化算法，所述的数据相关处理采用互相关运算。
6.如权利要求1所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，对长度为4L的数据处理完毕后，采用逐帧移位的迭代方式，前L长度数据被移除，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据，进行下一次处理。
7.如权利要求1所述的卫星通信多帧联合同步方法，其特征在于，为避免帧同步标识码因为数据分段而漏检，相邻两连续数据帧保留长度为S的重叠区，每帧数据长度均为L+S。
8.一种卫星通信多帧联合同步装置，其特征在于，包括接收缓存单元、同步搜索单元和数据判断单元，其中，
接收缓存单元用于接收发送端发来的、带有长度为S的帧同步标识码的发送信号，进行解调处理后输出软信息结果；将输出软信息结果按长度为4L的数据依次进行缓存，其中L为数据帧长；在接收到进行下一次缓存的指令后，采用逐帧移位的方式，移除前L长度数据，后3L长度数据整体向前移L位，同时在数据末端补充新的长度为L的数据；
同步搜索单元将所述缓存单元中的数据分成3个连续数据帧，对每一帧内的数据按照数据归一化、数据相关处理、门限判决的顺序进行并行同步搜索检测处理，确定是否成功检测到帧同步标识码，将每一帧成功检测标记状态结果为“1”，反之标记为“0”；
数据判断单元根据所述同步搜索单元的输出结果，对3个连续数据帧状态结果为“101”的情况，则将第一帧已确定的同步标识码位置作为第二帧的同步标识码的索引位置，将第二帧由漏检变为正常检测，向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令；对输出的其他状态结果，直接向接收缓存单元发送开始下一次缓存的指令。
9.如权利要求8所述的一种卫星通信多帧联合同步装置，其特征在于，所述同步搜索单元中数据归一化、数据相关处理采用循环方式进行，从帧头第一位作为初始的索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理；再每次向后移动一位，作为索引位置，提取长度为S的数据进行数据归一化、数据相关处理；如此循环L次。
10.如权利要求9所述的一种卫星通信多帧联合同步装置，其特征在于，若同步搜索单元输出的状态结果为“011”、“101”或“111”时，数据判断单元则向同步搜索单元发送指令信息，将下一次缓存数据进行同步检测的循环次数减为1次，索引位置与本次已确定的同步标识码索引位置相同。
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| Title |
|---|
| 基于LDPC码约束条件的多帧联合帧同步方法;张新雨 等;信息通信(01);全文 * |
| 极低信噪比下的"极大检测―二次相关"帧同步算法;杨卓凯 等;北京信息科技大学学报(自然科学版)(02);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114826369A (zh) | 2022-07-29 |
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