專利名稱：Dvb-s2系統接收機全模式物理層幀同步方法
技術領域：
本發明屬于數字通信傳輸同步技術領域，具體涉及一種DVB-S2(第二代衛星數字視頻 廣播)系統接收機全模式物理層幀同步方法。
技術背景近年來，無線衛星廣播通信得到廣泛的關注。DVB-S2系統以其接近香農極限的優良 性能和更高的頻譜利用率，由ETS沐t準替代DVB-S(第一代衛星數字視頻廣播)成為歐洲第 二代數字衛星廣播標準，已被我國及世界許多其他國家和地區認可并采納。針對此標準的 接收機的算法及實現研究成為當前衛星廣播電視的熱點。其中物理層幀的幀同步是 DVB-S2接收機系統中的技術難點之一，它為接收機解調提供幀頭位置基點參照，直接影 響到接收機的解調性能，是決定系統性能的一個重要因素。幀同步過程通常分成兩個步驟幀頭捕獲與幀頭跟蹤。幀頭捕獲是確定幀頭所在位 置，鎖定幀頭位置之后幀頭跟蹤給出幀頭位置標志，從而完成整個幀同步過程，由此可見 幀頭捕獲是幀同步過程中的關鍵步驟。DVB-S2系統中進行幀同步面臨兩個主要的困難一是需要工作在極低信噪比(最低可 至一2.35dB)條件下,二是需要抵抗傳輸信號經信道后所引入的較大載波頻率偏差(最大可達 到數據傳輸符號率的20%)。傳統的方法如僅采用幀頭符號相關運算及基于閾值檢測的方法 來捕獲幀頭位置或其他一些重點針對大的載波頻偏條件下的幀同步方法，缺點在于閾值參 數需要通過大量仿真來選取，并且對信道參數如信噪比及頻偏等很敏感，僅適合于較高信 噪比及信道條件相對穩定的情況，或運算較復雜并且捕獲幀頭的速度太慢；這些特點顯然 不能滿足DVB-S2的系統要求，可見尋求一種高性能的DVB-S2物理層幀同步的必要性。 發明內容本發明的目的是提供一種DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，以實現在低 信噪比和大載波頻率偏差存在的條件下，仍能快速、穩定而可靠的完成物理層的幀同步， 它同時支持系統幀結構為有導頻模式和無導頻模式。DVB-S2系統在DVB-S系統基礎上，引入了有導頻模式以輔助接收機達到更好的解調 性能，但導頻的引入會一定程度上降低系統的帶寬利用率，所以DVB-S2保留了無導頻模 式。同時對兩種模式的支持也意味著接收機應該能同時處理這兩種模式。所以傳統的幀同 步方法多是集中在對幀頭開始的26個符號(這些符號是固定的)進行各種相關處理，而在不 同的信噪比下通過大量仿真引入閾值檢測機制。信道條件通常是在變化的，也就意味著這 些方法的不穩定性。而且，DVB-S2所要求的支持惡劣條件(如一2.35dB信噪比，20%的時間很長，難以滿足系統及用戶的需要。本發明與傳統的基于閾值檢測或其他已有幀同步的方法的區別在于其一，整個幀同 步過程是基于無閾值檢測的，這樣便使幀同步不受預先設定的與信噪比參數有關的閾值的 影響；其二，在相關運算時，新采用了雙峰值檢測方案，即在每個窗口中挑選出了相對最 大的前兩個峰值的位置，這樣可以提高對正確幀頭位置的有效覆蓋；其三，引入了導頻信 息抽取得到的序列，使其參與相關運算，在有導頻模式時明顯提高對低信噪比和大載波頻 率偏差等惡劣條件的抵抗能力。本發明提出一種DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步的方法，包括差分信息的抽 取，相關運算處理及相關峰值檢測與幀捕獲判決等步驟。它在數字信號處理系統中依次按 以下步驟實現-(1) 通過合并器，把接收到的I(in-phase,同相)和Q(quadrate，正交)兩路數據合為一路串 行輸入到物理層幀同步模塊，順序經過3個深度為1476的FIFO(First-In-First-Out,先入先出) 單元緩沖；(2) 抽取與3級FIF0的輸入和輸出序列進行相關運算的差分信息序列；(3) 3級FIFO的輸入和輸出序列與預先抽取得到的差分信息序列進行相關計算；(4) 相關計算得到的值在并行滑動窗口下進行峰值檢測與幀捕獲判決；(5) 判決后給出物理層幀同步捕獲信號及幀頭起始位置參考信號；(6) 由步驟(5)中得到的信息跟蹤輸入數據，并在下一幀給出幀頭起始位置指示信號。 按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，它支持全模式物理層幀同步，即同時支持DVB-S2系統幀結構為有導頻模式和無導頻模式。按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，所述抽取差分信息序列，是同時抽取出前3組導頻和幀頭卯個符號中的差分信息序列，3組導頻中每組導頻均抽取出長度為35的差分信息序列，記為序列P1，序列P2，序列P3，幀頭90個符號抽取出2組差分信息序列，長度分別為25和32，記為PsOT,Ppuc。按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，所述的相關計算，幀結構為有導頻模式時，由序列P1，P2,P3和Psof, PpLsc分別控制3級FIFO輸入和輸出序列進行相關運算；幀結構為無導頻模式時，僅由PsoF,PpLSC控制第l級FIFO輸出序列(亦即幀頭90個符號)進行相關運算。按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，幀結構為有導頻模式 時，對序列Pl,P2,P3和PsoF, P^sc分別控制得到的相關值進行求和并取絕對值；幀結構為無 導頻模式時，由PSOT控制得到的相關值減去由P凡sc控制得到的相關值，并取絕對值。按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，設立8個并行窗口 (分 別對應有導頻模式和無導頻模式時的QPSK /8PSK /16APSK /32APSK調制方式時的物理層 幀長)，采用雙峰值檢測方案，即在這些窗口內挑選出由上一步計算得到的值中的最大值 和次大值的位置信息并記錄。挑選時對同一長度的窗口采取滑動策略，在連續的3個窗口 內比較這些位置中是否存在相同。若存在相同即進入幀捕獲判決模式，給出幀頭位置參考 信息及調制方式(對應著物理層幀的長度)信息；若不存在則滑動到新的3個窗口中繼續 檢測，以此類推，直到出現相同的峰值位置。按照如上所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于，根據上 一步給出的幀頭位置參考信號，跟蹤幀頭并在下一幀給出準確的幀頭起始位置指示信號。本發明的有益效果 (a)在對抗大的載波頻偏方面的優勢理論分析考慮頻偏和相偏及噪聲影響，建立接收信號的模型其中r,為定時恢復后(幀同步輸入端)的數據符號，s,為發送端數據符號，和A0 分別為符號頻偏和相偏，n,為AWGN信號。經過附圖3和5中的差分檢測電路，運算如下<formula>formula see original document page 6</formula>通常將衛星信道中的噪聲建模為高斯白噪聲，因此由高斯白噪聲信號的自相關特性上 式中Ni的第三項的數學期望值為O，而信號與噪聲不相關使N,前兩項數學期望值為O，星 座圖上N,前兩項形象地表征為高斯白噪聲信號沿逆時針和順時針的旋轉。通過以上分析可以看出，利用接收數據相關后對單個數據頻偏不敏感的特性，就把頻 偏和相偏對幀同步算法的影響轉化成了噪聲。(b)在低信噪比條件下的算法優勢的理論分析僅對幀頭數據做差分檢測共抽取出67符號相關信息，而引入前三段導頻段后共抽取 出67+3X35=172符號相關信息，等效地信噪比降低了<formula>formula see original document page 6</formula>而雙峰值檢測的引入則進一步提高了每一個窗口內捕獲到幀頭的可能性，理論分析和仿真實現均證明，使用該發明的優點在于引入幀頭加導頻差分信息序列進行相關運算機制 提高了幀同步的性能，在實現過程中優化的差分檢測模塊和峰值檢測算法進一步提高了幀 頭捕獲速度，同時保證相對較低的硬件復雜度。即使在極低信噪比和大載波頻偏條件下， 仍然能快速捕捉幀頭，相對己有幀同步方案在DVB-S2系統中更具吸引力。
圖1描述了 DVB-S2系統物理層幀的幀結構。圖2直觀表征了 DVB-S2系統物理層幀頭90個符號在星座圖上的映射規則 (兀/2-BPSK)。圖3a為對輸入的數據(理想情況下出現最大相關峰值時則正好為幀頭部分)的符號 進行差分檢測。圖3b為對3a中3級流水線加法的詳細說明。圖4為對第一個導頻段的擾碼序列以及理想情況下擾碼后接收到的物理層第一導頻 段的符號數據，共36個。圖5為對輸入的數據(理想情況下出現最大相關峰值時則正好為第一個導頻段符號數 據)的差分檢測，共35個交換單元。圖6示意了幀同歩相關運算幀頭部分與導頻部分做相關時的連接關系。圖7示意了相關求值后在并行滑動窗口下進行峰值檢測與判決的方案。圖8是應用該方案進行實驗得到的物理層幀同步10幀內同步失敗率與信噪比的關系曲線。
具體實施方式
該方案用于DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步部分的實現中，顯示出了很好的 幀同步效果，甚至超出了DVB-S2的系統預期要求，實驗結果如圖8所示，實驗條件設置 如下符號傳輸速率25M波特率，載波頻率偏移為5MHz,檢測窗口設置為IO個物理幀。 下面介紹針對該發明的幀同步方法的原理，以及詳細介紹具體實施的步驟 (1)對特殊字段求差分相關(即對SOF、 PLSC及前三個導頻段求差分相關) 在DVB-S2中，幀頭部分分成SOF(Start Of Frame)段和PLSC(Physical Layer Signaling Code)段，如附圖1所示，其中XFECFRAME表示數據部分。幀頭共有90個符號組成，其 中SOF和PLSC分別占有26和64個符號。SOF為18D2E82HEX，這一段數據信息在DVB-S2 協議中是固定不變的，PLSC是由相關信息的7個比特經過一階Reed—Muller碼(64， 7， 32)編碼后再經DVB-S2標準中選定的擾碼序列擾碼構成的64個比特。擾碼之后把生成的 64個比特信息再經過兀/2-BPSK(兩相相移鍵控)調制，相應的星座圖直觀表征如附圖2所示。奇數位被調制到了一、三象限，偶數位調制到了二、四象限。有下式成立S(m) x cot^/(XW + l)) = ± 乂M = Vn|m = l,2，3,,."24,25} s(2A — 1) x co^/(X2A)) = ± 乂 (4、尺=岸=14,15,16, ..,,44,45} "其中s(n)代表第n個符號，c卵乂代表復數求共軛，C代表求出的相鄰符號間的相關值。 由式(4)可見C的取值只可能是士/ ，分成2組序列(分別記為Psof和PpLsc),長度分別為25和32，共計57個差分相關值。利用SOF和PLSC段這種特殊的數據結構，可以在本地預 先產生一組與之相對應的數據。當接收到的數據進入幀同步模塊，先進行運算 z(k)=r(k-l)xCOnj[r(k)]，其中r(k)和r(k-l)分別表示接收到的第k個和第k-l個符號。再將z(k) 與在本地預先產生的PsoF和PpLSC做相關運算，如附圖3a所示，由于相關值為)或一/，故 可省掉乘法器，只需用交換單元和求反邏輯來替代，對于57個抽頭對應的輸出值進行相 加時采用流水線加法，如附圖3b所示。其中的l， 2， ...,57即代表這57個輸出值，整個 加法共分成3級，每一級都按圖3b中分組相加求和，這樣的目的在于提高時鐘頻率。以 上便完成了對幀頭數據段的相關運算。DVB-S2的一個重要特點在于能夠在更低的信噪比下工作，為加快低信噪比時幀同歩 的速度，在有導頻模式時抽取導頻信息加以利用，這里提取靠近幀頭部分的前三段導頻信 息，方法如下在發射端，物理層擾碼前導頻符號均被調制到第一象限，而擾碼序列是固 定的，這樣可以得到擾碼后的導頻段數據也是固定的，如附圖4所示(圖中以第一段導頻為 例)，這樣對導頻段進行z(k)^(k-l)xconj[r(k)]的運算也就是固定的,對于第一導頻段，可抽取出如下相關序列，其中.*代表點乘，即兩同維數組的對應位置的元素相乘 corr — / /Zo/1 _化gl=pz7of —segl(l:35)，co"X;^7of —segl(2:36)) (5) 利用這些預先計算好得到的差分序列值(記為P1)的共軛作為抽頭系數(僅可能為1， 一i，, 一y的集合)，可構造出求相關值的電路，進行相關值計算，如附圖5所示。首先，輸入數據經過一深度為1476的先入先出單元緩沖，其輸出的每相鄰的兩個數據進行相關 (共軛相乘)，這樣對于長度為36的導頻數據將會依次得到35個相關值，這些相關值經 過流水線加法器(結構亦如圖3b,由Pl控制)相加求絕對值，最后便得到了第一段導頻數 據的相關值。對于第二段和第三段導頻，其與第一段導頻求相關值的電路結構完全相同。8圖7示意了三段導頻段相關與幀頭段相關運算的連接關系。如上所述，3級FIFO級聯，其 輸入和輸出分別由P3,P2,P1,Psot和PpLsc控制進行相關運算。在有導頻模式時，這五組相 關運算得到的值相加后求絕對值進入下一步驟的并行滑動峰值檢測與判決，而在無導頻模 式時，由PsOT控制得到的相關值減去由pp1^c控制得到的相關值，并取絕對值，然后進入下一步驟的檢測與判決。對于接收到的數據，有無導頻是事先未知的，兩類相關值分別進 入各自對應的窗口進行峰值檢測與判決，這樣便實現了對全模式物理層幀同步的支持。 (2)峰值檢測與判決1. 設定窗口的大小分別為有/無導頻QPSK、 8PSK、 16APSK、 32APSK調制方式下的 幀長，分別在這8種并行窗口內計算第一步中的相關值，并行尋找出其峰值及次峰值并分 別記錄其位置。2. 在這些窗口中分別比較相鄰的三個窗口中所記錄的峰值位置，其中對于某個類型窗 口，只要任意兩個位置相同，便可確定幀已經被捕獲，對應的窗口長度即為幀長度，同時 給出調制方式信息。這種雙峰值檢測方案與傳統的只選擇一個最大值，并在多個窗口確定 峰值位置，最后判斷這些峰值位置之間的間隔是否為某種幀長度的整數倍不同。判決單元 通過比較峰值位置是否相同來確定幀同步。首先它得到每個搜索窗口中的兩個最大峰值的 位置并用寄存器記錄每個峰值的位置。在判決時本文提出了滑動檢測判決方案，如附圖7 所示，判決單元依次向右滑動。以QPSK調制方式為例，若前三個窗口內的峰值位置各不 相同，則用第二、三、四個窗口進行第二次峰值位置比較，依次類推，直至出現相同的峰 值位置。3. 根據2中給出的相同的峰值位置，在下一幀到來時給出幀頭起始位置。幀捕獲判決之后，數據經過了 3X 1476+90 = 4518個數據符號的延遲，根據判決得知幀的調制類型和幀長，便可給出下一幀起始位置的參考信息，即等待(幀長一4518)個數據周期后，就是下一幀幀頭的起始位置。本發明實現了在低信噪比和大載波頻率偏差存在的條件下，仍能快速、穩定而可靠的完成有/無導頻及QPSK/8PSK/16APSK/32APSK全模式的物理層幀同步的目標。
權利要求
1.DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步的方法，同時支持DVB-S2系統幀結構為有導頻模式和無導頻模式，其特征在于，在數字信號處理系統中的實現步驟如下(1)通過合并器，把接收到的I和Q兩路數據合為一路串行輸入到物理層幀同步模塊，順序經過3級深度為1476的FIFO單元緩沖；(2)抽取與3級FIFO的輸入和輸出序列進行相關運算的差分信息序列；(3)3級FIFO的輸入和輸出序列與預先抽取得到的差分信息序列進行相關計算；(4)相關計算得到的值在并行滑動窗口下進行峰值檢測與幀捕獲判決；(5)判決后給出物理層幀同步捕獲信號及幀頭起始位置參考信號；(6)由步驟(5)中得到的信息跟蹤輸入數據，并在下一幀給出幀頭起始位置指示信號。
2. 根據權利要求1所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于， 步驟(2)中所述抽取差分信息序列，是同時抽取出前3組導頻和幀頭90個符號中的差分信 息序列，3組導頻中每組導頻均抽取出長度為35的差分信息序列，記為序列P1，序列P2， 序列P3，幀頭90個符號抽取出2組差分信息序列，長度分別為25和32，記為PsoF,PpLsc。
3. 根據權利要求2所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于， 步驟(3)中所述的相關計算，在幀結構為有導頻模式時，由序列Pl,P2,P3和PsoF,PpLsc分別 控制3級FIFO輸入和輸出序列的相關運算；幀結構為無導頻模式時，僅由PsOT,Ppi^sc控制第l 級FIFO輸出序列亦即幀頭90個符號的相關運算。
4. 根據權利要求3所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于， 幀結構為有導頻模式時，對序列Pl,P2,P3和PsoF,Ppi^c分別控制得到的相關值進行求和并取絕對值；幀結構為無導頻模式時，由PSOF控制得到的相關值減去由PPLSC控制得到的相關值，并取絕對值。
5. 根據權利要求4所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于， 步驟(4)中所述的峰值檢測和幀捕獲判決方法如下設立8個并行窗口，分別對應有導頻 模式和無導頻模式時的QPSK/8PSK/16APSK/32APSK等調制方式時的物理層幀長，采用雙 峰值檢測方案，即在這些窗口內挑選出得到的相關值的絕對值中的最大值和次大值的位置 信息并記錄，挑選時對同一長度的窗口采取滑動策略，在連續的3個窗口內比較這些位置 中是否存在相同；若存在相同即進入幀捕獲判決模式，給出幀頭位置參考信息及調制方式 信息，這里的調制方式對應著物理層幀的長度；若不存在則滑動到新的3個窗口中繼續檢觀IJ，以此類推，直到出現相同的峰值位置。
6.根據權利要求5所述的DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法，其特征在于， 根據給出的幀頭位置參考信息，跟蹤幀頭并在下一幀給出準確的幀頭起始位置指示信號。
全文摘要
本發明屬于數字通信傳輸同步技術領域，具體為DVB-S2系統接收機全模式物理層幀同步方法。本發明充分利用物理層幀結構的特點，通過在有導頻模式下抽取導頻信息后聯合幀頭90個符號抽取得到的信息，在無導頻模式下利用幀頭90個符號抽取得到的信息，分別進行差分相關處理后進入并行滑動峰值檢測窗口，在每個窗口內進行峰值檢測判決時引入雙峰值檢測方案并做出相應判決。本發明可加快幀同步捕獲幀頭的速度，明顯提高系統工作在低信噪比及較大頻偏時幀同步相關峰的性能，準確地給出幀同步及起始位置信息。另外也對差分相關處理時的乘法器用簡單的控制交換單元代替，保證其具有較低的復雜度。
文檔編號H04L27/22GK101621488SQ20091005614
公開日2010年1月6日 申請日期2009年8月7日 優先權日2009年8月7日
發明者盧仕聽, 川 吳, 張玉龍, 曾曉洋, 石澤文, 舟 陳, 軍 韓 申請人:復旦大學