CN115633139A - 超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法。本发明方法中如果发送端信号存在频谱翻转，首先对待解码的PLS信令信息的虚部值进行取反操作；经过差分计算去调制判定原始的帧头信令编码值B＝[b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]中的b₀为1或0，将解差分后的信号序列异或后的输出计算解交叉选择序列，译码预处理后进行五级蝶形计算，得到[b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]；最后经过假设检验得到b₁为1或0。本发明方法结构简单，能够在芯片中直接实现，无需修改发送端的编码方式，能够在更低的信噪比环境中稳定解码，能够支持DVB‑S2X模式。

Description

超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法

技术领域

本发明属于数字卫星电视广播技术领域，具体涉及一种在低至-6dB到-10dB的超低信噪比环境下完成卫星信号帧头译码方法。

背景技术

在数字卫星电视广播技术领域中，为了使得广播信号有更加广泛的覆盖范围，一种可行的技术方案是将发送信号的LDPC标准译码门限设计得很低，例如欧洲的卫星数字视频广播标准DVB-S2X就设计了一种4/15码率的BPSK信号，它能正常工作的理论信噪比门限值为-4.9dB，也就是噪声功率大约是信号功率的3倍，目标信号完全淹没在噪声当中。如此之低的信噪比使得传统的以RM码为编码标准的帧头信令编码方式难以连续正确解码出帧头信令值。帧头信令值是LDPC编码正确解码当前帧的重要信息，它包含了当前帧的长度、编码方式、码率、有无导频等信息，帧头译码出错就意味着无法正确解码，也就会导致无法正常解调出电视节目。帧头译码正确后，还需要完成连续的帧同步操作才能保证后续的LDPC帧译码能够连续进行，LDPC连续译码才能保证视频不间断播放。因此，帧头译码以及同步是数字卫星电视广播技术领域的一个重要技术。

通常，识别帧头的技术方案一般有以下几种：专利CN108011651B在原有帧头信息的基础上，增加了一部分独特字信息，增加了冗余，使得帧头同步更加容易，但是对于既定的DVB-S2X标准而言，无法给原始信号增加额外的冗余信息用于帧头同步或解码。专利CN101414848B将获取的帧控制头编码信息进行合并再对合并后的帧控制头编码信息进行译码并解析，相当于对多帧信息进行合并处理，但是对于DVB-S2X含有VCM的情况下，每一帧的帧头信息都有可能发生改变，显然这种方法并不适用。专利CN110034914B所设计之信噪比门限为-2.35dB，在低至-6dB的超低信噪比环境下难以正常工作，而且该方法仅仅适用于DVB-S2信号。专利CN107659354A使用了更大长度的帧头序列，使其能够抵挡恶劣的阴雨环境，但对于数字卫星电视广播技术领域中，无法修改发端帧头序列。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种在低至-6dB的超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法，解决在超低信噪比环境下，识别出帧头信令原始编码值。

本发明具体是：

步骤(1)接收机通过天线接收卫星转发的数字广播电视信号，经变频操作、模数转换、解调操作，完整地获得帧头90个符号信息R_plh＝[R_sof，R_pls]＝[r₁，r₂，...，r₉₀]；其中，前26个时刻的符号信息表示帧起始信号R_sof＝[r₁，r₂，...，r₂₆]，为发送端已知序列，后64个时刻的符号信息为待解码的PLS信令信息R_pls＝[r₂₇，r₂₈，...，r₉₀]，每一个时刻的符号信息均为复数；

步骤(2)频谱翻转纠正；

计算前段序列和值T_sof＝∑(Re(R_sof)Im(SR_sof)-Im(R_sof)Re(SR_sof))；其中，S矩阵是单位阵的一阶Toeplitz矩阵，Re(·)表示取序列的实部，Im(·)表示取序列的虚部；如果T_sof≥0则判定发送端发送的信号不存在频谱翻转，否则判定判断存在频谱翻转；如果存在频谱翻转，则需要对R_pls的虚部值进行取反操作；

步骤(3)差分计算去调制；

根据DVB-S2X的帧头编码规则，R_pls＝HI_IQ64I_scrI_b(1-2G′B)+N；其中，H是信道状态，N是信道环境的随机高斯噪声；I_IQ64是比特到IQ映射矩阵，由DVB—S2X标准描述的bit->IQ的编码规则决定；I_b为已知的交叉选择矩阵，I_scr为已知的帧头加扰矩阵，G′为已知的RM码编码矩阵，B是原始的帧头信令编码值B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]；

取R_pls＝[r₂₇，r₂₈，...，r₉₀]的连续两个数值，做差分相乘相减操作，解差分后的信号序列d_IQ64＝Re(r_t)Im(r_t+1)-Im(r_t)Re(r_t+1)，26≤t≤89；对64个时刻的d_IQ64进行求和操作，如果和值大于0，则B中的b₀判定为1，否则b₀判定为0；

步骤(4)对d_IQ64按照已知序列I_scr依时间顺序依次异或，异或后的输出为d_scr；

步骤(5)依时间顺序依次提取相邻两个时刻的d_scr数据，记为d_scr(t)和d_scr(t+1)，1≤t≤63，根据已知的交叉选择矩阵I_b计算解交叉选择序列

判决函数

步骤(6)译码预处理；

将所有时刻的d_b值寄存在寄存器中，根据G′矩阵的第一行参数对解交叉选择序列d_b进行解扰操作，即直接对d_b按照G′矩阵的第一行参数依时间顺序依次异或，异或后的输出序列为d_G1；对d_G1的偶数时刻的数据取反后叠加到奇数时刻上，得到数据输出d_f＝[d_f(1)，d_f(2)，...d_f(32)]，d_f(i)为第i时刻预处理数据输出，i＝1，2，…，32；

步骤(7)对每个时刻预处理数据输出d_f(i)进行五级蝶形计算：蝶形计算输出

k＝1，2，…，32；其中，W是哈达玛矩阵；

步骤(8)如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值大于设定阈值，则将最大值d_w(k′)的序号k′＝arg max{d_w(k)}对应的二进制编码作为B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]中的[b₂，b₃，b₄，b₅，b₆]，同时标记b₇＝1；

如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值小于等于设定阈值，则标记b₇＝0，并将步骤(6)中预处理的解扰序列移除，不做解扰，重复步骤(7)操作，将32个蝶形计算输出d_w(k)中最大值对应序号所对应的二进制编码作为B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]中的[b₂，b₃，b₄，b₅，b₆]；

步骤(9)将序列[b₀，1，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]和[b₀，0，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]分别根据DVB—S2X的编码规则合成64bit的数据S_pls(1)和S_pls(0)，S_pls(1)和S_pls(0)分别与接收的后64个时刻的符号信息R_pls做相关计算，得到相关峰值p₁＝∑S_pls(1)·R_pls和p₀＝∑S_pls(0)·R_pls，如果p₁＞p₀，则b₁＝1，否则b₁＝0，至此解析出全部[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]。

本发明方法首先构造了一条帧头编码表达式，并据此设计了一种解码解码方法。本发明解码方法结构简单，能够在芯片中直接实现，无需复杂的算法。另一方面，本发明无需修改发送端的编码方式，在现有的90bit符号头部长度的情况下，能够在更低的信噪比环境中稳定解码，并且能够支持DVB—S2X模式。

附图说明

图1为DVB—S2X帧头信令的编码方式；

图2为数字广播电视接收机系统框图；

图3为本发明方法的系统框图；

图4为本发明方法中解差分操作示意图；

图5为本发明方法中解扰操作示意图；

图6为本发明方法中译码结构图。

具体实施方法

对于DVB-S2X的帧头信号，它的编码结构如附图1所示，其中B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]表示发射端8bit的帧头信令信息(PLS)。PLS的bit[0：6]共7bit信息通过(32，7)的RM码编码矩阵将PLS编码后生成32bit的数据[y₁，y₂，y₃，...，y₃₂]，y_i∈{0，1}，1≤i≤32。而后将y_i与PLS的bit[7]进行异或操作并依次插入(32，7)RM码的数据中得到(64，8)编码

随后将(64，8)编码数据按照差分BPSK调制后经天线发送卫星上，并经过卫星转发器将信息广播到客户端中。由于卫星转发信道以及空口信道会导致PLS信令信息叠加了许多噪声，最恶劣的情况甚至会出现噪声功率强于信号功率的情况。如何在超低信噪比环境下，恢复出PLS信息，是本方法描述的内容。超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法，具体如图2和3所示：

步骤(1)接收机通过天线接收卫星转发的数字广播电视信号，送入调谐器完成变频操作，然后送入模数转换器完成模拟信号到数字信号的转变，在数字信号域完成解调操作，内含自动增益控制等模块；再送入定时恢复模块，恢复完成后送入帧头同步器，提取出帧同步信息，完整地获得帧头90个符号信息R_plh＝[R_sof，R_pls]＝[r₁，r₂，...，r₉₀]；其中，前26个时刻的符号信息表示帧起始信号R_sof＝[r₁，r₂，...，r₂₆]，为发送端已知序列，后64个时刻的符号信息为待解码的PLS信令信息R_pls＝[r₂₇，r₂₈，...，r₉₀]，每一个时刻的符号信息均为复数。

步骤(2)频谱翻转纠正；

计算序列T＝Re(R_plh)Im(SR_plh)-Im(R_plh)Re(SR_plh)，如果发送端发送的信号存在频谱翻转，则将虚部取反代入上式可得翻转序列T_inv＝-T，也就是说，发生频谱翻转的差分序列与没有发生频谱翻转的差分序列相比，峰值方向相反，由于R_sof＝[r₁，r₂，...，r₂₆]是发端已知序列，即，计算前段序列和值T_sof＝∑(Re(R_sof)Im(SR_sof)-Im(R_sof)Re(SR_sof))；其中，S矩阵是单位阵的一阶Toeplitz矩阵，Re(·)表示取序列的实部，Im(·)表示取序列的虚部。如果T_sof≥0则判定发送端发送的信号不存在频谱翻转，否则判定判断存在频谱翻转。如果存在频谱翻转，则需要对R_pls的虚部值进行取反操作，达到频谱翻转纠正的目的，否则不需要进行频谱翻转纠正操作。

步骤(3)如图4所示，差分计算去调制；

根据DVB—S2X的帧头编码规则，R_pls＝HI_IQ64I_scrI_b(1-2G′B)+N；其中，H是信道状态，由真实的卫星信道决定，N是信道环境的随机高斯噪声；I_IQ64是比特到IQ映射矩阵，由DVB—S2X标准描述的bit->IQ的编码规则决定；I_b为已知的交叉选择矩阵，I_scr为已知的帧头加扰矩阵，I_scr＝[011100011001110110000011110010010101001101000010001011011111101]，G′为已知的RM码编码矩阵，B是原始的帧头信令编码值B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]。

由R_pls的编码表达式可以知道，要解出原始的帧头信令编码值B，只需要对其进行逆操作即可。即对待解码的PLS信令信息R_pls乘以映射矩阵I_IQ64的逆矩阵，根据I_IQ64逆矩阵的特性，进行如下操作步骤：取R_pls＝[r₂₇，r₂₈，...，r₉₀]的连续两个数值，做差分相乘相减操作，解差分后的信号序列d_IQ64＝Re(r_t)Im(r_t+1)-Im(r_t)Re(r_t+1)，26≤t≤89，图4中z^-1表示延迟一个时刻；对64个时刻的d_IQ64进行求和操作，如果和值大于0，则B中的b₀判定为1，否则b₀判定为0。

步骤(4)如图5所示，对64个时刻的d_IQ64进行解扰操作，即直接对d_IQ64按照已知序列I_scr依时间顺序依次异或，异或后的输出为d_scr。

步骤(5)依时间顺序依次提取相邻两个时刻的d_scr数据，记为d_scr(t)和d_scr(t+1)，1≤t≤63，根据已知的交叉选择矩阵I_b计算解交叉选择序列

判决函数

步骤(6)如图6所示，译码预处理；

将所有时刻的d_b值寄存在寄存器中，根据G′矩阵的第一行参数对解交叉选择序列d_b进行解扰操作，即直接对d_b按照G′矩阵的第一行参数依时间顺序依次异或，异或后的输出序列为d_G1；对d_G1的偶数时刻的数据取反后叠加到奇数时刻上，即将64个时刻的d_b数据计算为32个数据d_f＝[d_f(1)，d_f(2)，...d_f(32)]，d_f(i)为第i时刻预处理数据输出，i＝1，2，…，32。

步骤(7)如图6所示，对每个时刻预处理数据输出d_f(i)进行五级蝶形计算；

蝶形计算输出

k＝1，2，…，32；其中，W是哈达玛矩阵。

第一级蝶形计算单元的第n个输出数据d_w(1，n)＝d_f(n)+d_f(n+16)，n＝1，2，…，16，第m个输出数据d_w(1，m)＝d_f(m-16)-d_f(m)，m＝17，18，…，32；

第二级蝶形计算单元的第n₁个输出数据d_w(2，n₁)＝d_w(1，n₁)+d_w(1，n₁+8)，n₁＝1，2，…，8，第n₂个输出数据d_w(2，n₂)＝d_w(1，n₂)-d_w(1，n₂+8)，n₂＝9，10，…，16，第n₃个输出数据d_w(2，n₃)＝d_w(1，n₃)+d_w(1，n₃-16)，n₃＝17，18，…，24，第n₄个输出数据d_w(2，n₄)＝d_w(1，n₄)-d_w(1，n₄-16)，n₄＝25，26,…，32。以此类推，依次交叠计算，将第五级蝶形计算输出作为本步骤输出d_w(k)。

步骤(8)如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值大于设定阈值，则将最大值d_w(k′)的序号k′＝arg max{d_w(k)}对应的二进制编码作为B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]中的[b₂，b₃，b₄，b₅，b₆]，同时标记b₇＝1。

如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值小于等于设定阈值，则标记b₇＝0，并将步骤(6)中预处理的解扰序列移除，不做解扰，重复步骤(7)操作，将32个蝶形计算输出d_w(k)中最大值对应序号对应的二进制编码作为B＝[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]中的[b₂，b₃，b₄，b₅，b₆]。

步骤(9)至此已经解出[b₀，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]，只剩下一个b₁未能正确解出。

步骤(9)将序列[b₀，1，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]和[b₀，0，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]分别根据DVB—S2X的编码规则合成64bit的数据S_pls(1)和S_pls(0)，S_pls(1)和S_pls(0)分别与接收的后64个时刻的符号信息R_pls做相关计算，得到相关峰值p₁＝∑S_pls(1)·R_pls和p₀＝∑S_pls(0)·R_pls，如果p₁＞p₀，则b₁＝1，否则b₁＝0，至此解析出全部[b₀，b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，b₇]。

Claims (1)

1.超低信噪比环境下数字卫星电视信号的帧头译码方法，其特征在于：

步骤(1)接收机通过天线接收卫星转发的数字广播电视信号，经变频操作、模数转换、解调操作，完整地获得帧头90个符号信息R_plh＝[R_sof,R_pls]＝[r₁,r₂,...,r₉₀]；其中，前26个时刻的符号信息表示帧起始信号R_sof＝[r₁,r₂,...,r₂₆]，为发送端已知序列，后64个时刻的符号信息为待解码的PLS信令信息R_pls＝[r₂₇,r₂₈,...,r₉₀]，每一个时刻的符号信息均为复数；

步骤(2)频谱翻转纠正；

计算前段序列和值T_sof＝∑(Re(R_sof)Im(SR_sof)-Im(R_sof)Re(SR_sof))；其中，S矩阵是单位阵的一阶Toeplitz矩阵，Re(·)表示取序列的实部，Im(·)表示取序列的虚部；如果T_sof≥0则判定发送端发送的信号不存在频谱翻转，否则判定判断存在频谱翻转；如果存在频谱翻转，则需要对R_pls的虚部值进行取反操作；

步骤(3)差分计算去调制；

根据DVB-S2X的帧头编码规则，R_pls＝HI_IQ64I_scrI_b(1-2G′B)+N；其中，H是信道状态，N是信道环境的随机高斯噪声；I_IQ64是比特到IQ映射矩阵，由DVB-S2X标准描述的bit->IQ的编码规则决定；I_b为已知的交叉选择矩阵，I_scr为已知的帧头加扰矩阵，G′为已知的RM码编码矩阵，B是原始的帧头信令编码值B＝[b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]；

取R_pls＝[r₂₇,r₂₈,...,r₉₀]的连续两个数值，做差分相乘相减操作，解差分后的信号序列d_IQ64＝Re(r_t)Im(r_t+1)-Im(r_t)Re(r_t+1)，26≤t≤89；对64个时刻的d_IQ64进行求和操作，如果和值大于0，则B中的b₀判定为1，否则b₀判定为0；

步骤(4)对d_IQ64按照已知序列I_scr依时间顺序依次异或，异或后的输出为d_scr；

步骤(5)依时间顺序依次提取相邻两个时刻的d_scr数据，记为d_scr(t)和d_scr(t+1)，1≤t≤63，根据已知的交叉选择矩阵I_b计算解交叉选择序列

判决函数

步骤(6)译码预处理；

将所有时刻的d_b值寄存在寄存器中，根据G′矩阵的第一行参数对解交叉选择序列d_b进行解扰操作，即直接对d_b按照G′矩阵的第一行参数依时间顺序依次异或，异或后的输出序列为d_G1；对d_G1的偶数时刻的数据取反后叠加到奇数时刻上，得到数据输出d_f＝[d_f(1),d_f(2),...d_f(32)]，d_f(i)为第i时刻预处理数据输出，i＝1,2,…,32；

步骤(7)对每个时刻预处理数据输出d_f(i)进行五级蝶形计算：蝶形计算输出

其中，W是哈达玛矩阵；

步骤(8)如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值大于设定阈值，则将最大值d_w(k′)的序号k′＝argmax{d_w(k)}对应的二进制编码作为B＝[b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]中的[b₂,b₃,b₄,b₅,b₆]，同时标记b₇＝1；

如果32个蝶形计算输出d_w(k)中的最大值小于等于设定阈值，则标记b₇＝0，并将步骤(6)中预处理的解扰序列移除，不做解扰，重复步骤(7)操作，将32个蝶形计算输出d_w(k)中最大值对应序号所对应的二进制编码作为B＝[b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]中的[b₂,b₃,b₄,b₅,b₆]；

步骤(9)将序列[b₀,1,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]和[b₀,0,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]分别根据DVB-S2X的编码规则合成64bit的数据S_pls(1)和S_pls(0)，S_pls(1)和S_pls(0)分别与接收的后64个时刻的符号信息R_pls做相关计算，得到相关峰值p₁＝∑S_pls(1)·R_pls和p₀＝∑S_pls(0)·R_pls，如果p₁＞p₀，则b₁＝1，否则b₁＝0，至此解析出全部[b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆,b₇]。

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