HJ-1C衛星實時軟件幀同步算法研究與實現

侯仰拴 石 濤 胡玉新

(中國科學院空間信息處理與應用技術重點實驗室 北京 100190)

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

1 引言

幀同步格式化器作為衛星地面接收站快視系統的關鍵設備，負責從衛星下傳的基帶數據流中提取幀同步字、成幀處理和數據解擾[1－4]。幀同步格式化器分為硬件和軟件兩種，硬件幀同步格式化器速度快，但是開發周期長，成本較高[5]；軟件格式化器開發周期短，成本低，可配置和移植性強，但是速度一般較低[6]，是制約軟件幀同步實時處理的瓶頸。

文獻[7,8]將KMP算法應用到軟件幀同步器中，文獻[9]在研究基于 KMP等算法的基礎上，提出了一種基于查找表判決方式的軟件幀同步算法，該算法根據不同衛星同步字的內容事先生成一系列的查找表，查找表存于內存緩沖區中，搜索同步字時，以采集到的遙感數據的一個字節為地址，取查找表中的數據進行比對判決，這些改進算法有效地提高了軟件幀同步處理速度。

由于天線在開始和結束接收數據時，仰角較低，易受到大氣干擾、遮擋或跟蹤捕捉信號差的原因，會產生較高的誤碼率，甚至出現大量無效數據。傳統軟件幀同步方法在處理穩定數據區時，處理速度較快；但是在處理高誤碼率的不穩定數據區時，由于長期處于失鎖狀態，處理效率低，無法滿足高碼率衛星實時性要求。

對于下行碼率較低(低于100 Mbps)的遙感衛星，可通過增加緩存的方法緩解不穩定數據區處理效率低的問題，但隨著HJ-1C及后續其它衛星數傳碼率的不斷提高(如部分衛星碼率已大于400 Mbps)，增加緩存的方式已經無法滿足實時處理需求[10,11]，為了解決該問題，本文提出了一種基于逆向搜索的實時軟件幀同步算法。

2 基于逆向搜索的實時幀同步算法

基于逆向搜索的幀同步方法主要思想是：對基帶數據進行邏輯分段，數據分段方式如圖1所示，搜索態時，首先通過檢測當前數據段尾部數據，判斷該數據段是否包含同步字，如果尾部數據檢測到同步字，說明該數據段包含數據幀，那么再從該數據段頭部開始逐字節檢測同步字，否則直接處理下一數據段，并依次類推；校驗態和鎖定態時，將相鄰兩段數據作為連續數據進行處理。數據的分段長度與原始碼流速率、幀長和計算機內存有關，分段過長會導致處理實時性降低，分段過短時在無效數據區會頻繁搜索同步字，影響處理效率。碼速率低于 200 Mbps時，建議分段長度為 1024倍幀長；高于 200 Mbps時，建議分段長度為2048倍幀長。將原始數據進行分組和逆向搜索處理，避免了對大量連續無效數據的同步字檢測，從而提高了幀同步效率。

2.1 基于逆向搜索的幀同步處理步驟

基于逆向搜索的軟件幀同步方法流程如圖2所示，主要步驟為：

(1) 幀同步軟件啟動后，對任務訂單進行解析，獲取衛星和傳感器標識，接收和發送IP、端口號等任務信息，根據任務訂單讀取參數文件；

(2) 進行初始化，生成同步碼查找表、字節查找表、字節對齊查找表、PN碼解擾數組等，開辟接收和發送循環緩存buffer塊隊列；

(3) 啟動數據接收、發送和處理 3個線程，初始化網絡端口，并將接收線程設為監聽狀態；

(4) 接收數據時，將接收到的數據依次寫入到buffer塊隊列中，寫滿1個buffer塊后，通知處理線程進行幀同步處理；

圖1 數據分組示意圖Fig.1 Data grouping map

(5) 若當前buffer狀態為不含數據幀狀態，對其最后 3幀長度數據逐字節與同步碼位移查找表比對，若搜索到同步碼，轉到步驟(6)處理，否則等待下一buffer塊指針，返回步驟(5)對其進行處理；

(6) 當前 buffer狀態設定為含有數據幀模式，從該buffer塊頭部逐比特搜索，搜索到同步碼后，轉到步驟(7)；

(7) 程序進入校驗狀態，如果當前同步碼位置到該buffer塊結尾不夠2幀長度，等待下一buffer塊指針，并將剩余數據補充到將該buffer塊前面，組成連續數據。從當前搜索到的同步碼位置開始跨越1個幀長進行搜索，檢測該位置同步碼是否存在位移或比特錯誤，若超出容錯范圍則校驗失敗，轉到步驟(8)重新進入搜索狀態，若校驗成功則設定為鎖定態，轉到步驟(9)處理；

(8) 從當前同步碼位置逐字節進行搜索，若檢測到同步碼，轉到步驟(7)處理，否則等待下一buffer塊指針，轉到步驟(5)處理；

(9) 程序進入鎖定狀態時，將當前鎖定成功的1幀數據逐字節根據搜索到的比特移位數在字節對齊查找表中搜索后填充對應的內容，完成字節對齊操作，然后將對齊后的數據與預處理階段生成的解擾表進行異或，將結果填充到輸出環形buffer中，通知發送線程發送數據，并轉到步驟(7)繼續處理；

(10) 發送線程接到發送通知后，對輸出環形buffer進行檢測，并將格式化后數據發送到其它處理單元，如果數據接收和處理線程結束返回，格式化數據發送完畢后，幀同步程序退出。

2.2 關鍵技術分析

2.2.1 分組式幀同步 在同步碼提取模塊中，搜索態操作對應于數據起始和失鎖后的搜索階段，在這兩種搜索階段中，衛星下行原始碼流的特點為：碼流由不含同步頭或誤碼率較高的數據區過渡到同步頭和幀長在容錯范圍內的區，最終進入較穩定的數據區。

實際數據處理過程中對數據進行逐比特同步碼搜索會占用大量處理時間，考慮到衛星下行原始碼流的特點，在搜索狀態時，可以僅對buffer塊最后3幀長度數據進行逐比特的同步碼搜索，若無法找到同步碼則認為當前buffer塊不存在數據幀而進行整塊的丟棄；若搜索到同步碼則對該幀從buffer塊的頭部進行逐比特的同步碼搜索。

由于衛星下傳的數據均大于單一buffer塊的容量，在搜索狀態下可以認為若某一buffer塊中含有數據幀，則該buffer塊結尾部分含有幀數據。

圖2 幀同步處理流程圖Fig.2 Block diagram of frame synchronization system

根據抽屜原理，在m幀長度的隨機連續數據中至少包含 1m? 個完整的數據幀，對于同步字長度為n bit，信道誤碼率為p(假設每比特誤碼概率相互獨立)的情況下，該數據段包含的 1m? 個幀同步字中均存在錯誤，即可以被程序誤判的概率P為：

由于0＜p＜ 1, P正比于n，取典型值n=64,p = 1×10?5, m= 4可以計算得P最大值的數量級為1×10?10。

特別地，式(1)計算得到的P為首個數據塊搜索時的誤判概率，當搜索到首個含幀數據塊后，程序開始按位搜索同步字直到程序再次進入失鎖狀態，因此其它數據塊的搜索不會因為后3幀的誤判導致丟失數據塊。

2.2.2 高頻操作建查找表 同步碼提取和字節對齊過程包含許多高頻操作，高頻操作是指要逐比特或逐字節進行處理的重復操作，如同步碼比對和比特移位輸出，該處理過程將占用大量時間。因此在初始化階段首先建立相應的查找表，在處理過程中的相應操作只需要從表中查找相應結果即可實現，將大大降低處理時間。

由于數據錄入時的字節序為高比特位在前，低比特位在后，而IBM-PC構架的計算機數據處理方式均為針對低比特位在前，高比特位在后的存儲結構，且計算機軟件處理的最小單位為字節，因此在進行移位處理時因為兩種不同的比特序和字節序會導致大量的處理運算，影響處理時間，針對這種情況，在初始化階段首先建立字節移位查找表，利用查表代替多次的位移和賦值操作以提高處理速度。

2.2.3 位容錯、抗滑幀 同步字詳細查找時，采用查表的方式搜索同步字，表中不同的項對應不同比特位移狀態下的同步字，各項的索引值即為同步字的比特偏移量。搜索表在數據處理前生成，并不占用處理時間，而查表的搜素方式可以加快數據處理速度。

同步字預置查找可以實現高速的滑動容錯搜索，對于位容錯搜索采用改進的Rabin-Karp搜索方式。對于同步字的每一位均賦予相同的權重，進行散列變換，結果為當前同步字中的誤碼個數。實際處理時誤碼個數以字節為單位進行統計，該統計過程可以通過在處理前建立查找表來實現，當各字節統計完畢后進行求和即可得到當前同步字的誤碼個數。

2.2.4 靈活、可配置 基于上述優化處理算法，可以實現的幀同步解擾指標如下：

(1) 支持不低于 600 Mbps數傳碼率的實時幀同步解擾處理；

(2) 可識別同步字長：16 bit至64 bit；

(3) 支持I, Q合路比特交織的幀同步處理；

(4) 幀同步時間小于3幀周期；

(5) 具備容錯和抗滑幀能力；

(6) 位容錯能力為3 bit；

(7) 抗位滑動能力為3 bit ±；

(8) 具備檢測與通知錯幀能力。

3 實驗結果與性能分析

以Visual Studio 2010為開發環境，在通用計算機平臺(Intel Xeon CPU E5649 @2.53 GHz 8 GB RAM)上對本文算法進行了測試，測試數據選取HJ-1C真實衛星數據，大小為3.82 GB，交織幀長為1620 Byte。

測試方案如下：(1)在同步字偏移0 bit和7 bit兩種情況下，利用本文算法和傳統幀同步算法分別對幀頭數據無誤碼，錯3 bit，多3 bit以及少3 bit數據進行幀同步處理，以檢驗本文算法位容錯及抗滑幀能力，傳統幀同步算法是指已使用查找表處理，但不進行數據分段的軟件幀同步方法，測試結果如表1所示。(2)利用本文算法和傳統算法對含有連續無效數據的衛星數據進行幀同步、解擾，無效數據(置于測試數據的前端)所占比例分別為 0%, 20%,40%, 60%, 80%以及100%，以檢驗本文算法對連續無效數據的處理能力，測試結果如表2所示，對比圖如圖3所示。

表1 測試1結果Tab.1 Result of testing 1

測試(1)說明本文算法是有效的，在容錯和抗滑幀范圍內，不會出現漏幀和錯幀，測試(2)說明隨著連續無效數據量的增加，傳統幀同步算法效率會越來越低，而本文算法效率則會不斷提高。極端情況下，如果數據全部為無效數據，傳統幀同步算法速度只有206.7 Mbps，而本文算法可達到15445.9 Mbps。

表2 測試2結果Tab.2 Result of testing 2

圖3 本文算法與傳統算法處理速度對比圖Fig.3 Processing speed comparison of two methods

4 在HJ-1C衛星實時快視系統中的實際應用

HJ-1C為國內首顆民用SAR衛星，數傳數據通過兩個物理通道下傳，單通道碼速率為160 Mbps。由于在數據形成時將 SAR的距離向分前后兩部分分別在兩個數傳通道中下傳，因此在SAR成像處理過程中，需要將兩個通道數據進行拼接，才能形成完整的SAR圖像。圖4為HJ-1C快視系統流程圖，衛星過頂時，按照特定碼速率雙通道下傳衛星數據，地面接收系統經跟蹤、解調得到兩路串行數字信號，通過數據通道開關發送到指定的記錄器[12,13]，記錄器再將記錄的兩路原始數據實時轉發到快視系統，快視系統對兩路原始數據分別進行幀同步、解擾、去格式化，然后進行雙通道數據拼接和SAR成像處理，最后將圖像數據和輔助數據實時傳送到移動窗顯示，圖5為HJ-1C快視影像。為了減少兩路幀同步數據時延的不一致性對數據拼接造成的影響，對幀同步處理的時效性提出了更高的要求。目前，在中科院遙感衛星地面站的HJ-1C全分辨率實時快視系統中的幀同步與解擾模塊即采用了本文所提出的幀同步算法。自HJ-1C成功發射后，該系統一直在地面站穩定運行，表明本文所提出的幀同步算法的有效性。

圖4 快視系統流程圖Fig.4 Block diagram of quick look system

圖5 HJ-1C快視影像Fig.5 HJ-1C quick look image

5 小結

本文提出的基于逆向搜索的實時軟件幀同步算法通過對高頻操作以及大量使用的相似性操作建立查找表，提高了效率，減少了處理時間；通過引入容錯機制，在幀同步過程中可以實現位容錯和滑動容錯；充分利用計算機對于字節處理的優勢，對于原始數據不進行IQ比特的分離，對于IQ兩路數據直接采取合并處理的方式進行同步，避免了數據分離與合并的操作，提高了處理效率，同時也防止雙路輸出導致的IQ路數據時間同步的問題；通過配置文件實現去傳感器化，將同步字、幀長度、擾碼文件位置等信息存放在配置文件中，只需改變該配置文件中的信息，即可兼容多衛星多傳感器數據，極大提高了該算法的靈活性和實用性，目前本文提出的幀同步算法已成功應用于中科院遙感衛星地面接收站HJ-1C快視系統中。

[1]楊仁忠, 張寧, 石璐.遙感衛星原始數據記錄系統軟件的設計與實現[J].微計算機信息, 2010, 26(12): 114-116.Yang Ren-zhong, Zhang Ning, and Shi Lu.Design and implementation of remote sensing satellite raw data record system software[J].Control & Automation, 2010, 26(12):114-116.

[2]白彧, 楊曉靜, 王懋.基于相關濾波和哈達瑪變換的幀同步碼識別[J].探測與控制學報, 2011, 33(3): 69-80.Bai Yu, Yang Xiao-jing, and Wang Mao.Recognition method of frame synchronization codes based on relativity filter and hadamard transformation algorithm[J].J ournal of Detection& Conrtol, 2011, 33(3): 69-80.

[3]胡莉, 張力偉, 周希元.幀同步檢測技術的研究進展[J].無線電工程, 2009, 39(2): 12-15.Hu Li, Zhang Li-wei, and Zhou Xi-yuan.Research advances in frame synchronization detection[J].Radio Engineering,2009, 39(2): 12-15.

[4]Eesa M, Bastaki, Harry H, et al..Frame synchronization based on multiple frame observations[J].IEEE Transactions on Wireless Communications, 2010, 9(3): 1097-1107.

[5]陳燕.基于 FPGA高速幀同步設計及性能分析[J].無線電工程, 2010, 40(5): 25-39.Chen Yan.A method of implementing frame-synchronization based on FPGA for high-speed communication[J].Radio Engineerin g, 2010, 40(5): 25-39.

[6]肖志東, 李帥, 田野, 等.AOS系統中的幀同步技術性能分析與仿真[J].沈陽理工大學學報, 2010, 29(3): 20-25.Xiao Zhi-dong, Li Shuai, Tian Ye, et al..Performance analysis and simulation on frame synchronization method of advanced orbiting systems[J].Journal of Shenyang Ligong University,2010, 29(3): 20-25.

[7]林小江.查表判決方式幀同步器的設計[J].遙測遙控, 2000,21(2): 40-44.Lin Xiao-jiang.Look-up table decision frame synchronizer design[J].Journal of Telemetry Tracking and Command, 2000,21(2): 40-44.

[8]曹宇, 楊仁忠.衛星軟格式化同步器與資源衛星 1號 02星CCD 數據移動窗相關技術研究[J].空間科學學報, 2005, 25(4): 315-320.Cao Yu and Yang Ren-zhong.Software frame synchronizer and related technology research of moving window display for CCD data of CBERS-02[J].Chinese Journal of Space S cience,2005, 25(4): 315-320.

[9]朱黨杰, 楊仁忠.一種新型軟件幀同步算法的研究與實現[J].科學技術與工程, 2007, 7(16): 4044-4057.Zhu Dang-jie and Yang Ren-zhong.Research and realization of a new algorithm in software frame synchronization[J].Science Technology and Engineering, 2007, 7(16): 4044- 4057.

[10]粘永健, 辛勤, 湯毅, 等.基于多波段預測的高光譜圖像分布式無損壓縮[J].光學精密工程, 2012, 20(4): 906-912.Nian Yong-jian, Xin Qin, Tang Yi, et al..Distributed lossless compression of hyperspectral image based on multi-band prediction[J].Optics and Precision Engineering, 2012, 20(4):906-912.

[11]湯毅, 辛勤, 李綱, 等.基于內容的高光譜圖像無損壓縮[J].光學精密工程, 2012, 20(3): 668-674.Tang Yi, Xin Qin, Li Gang, et al..Lossless compression of hyperspectral images based on contents[J].Optics and Precision Engineering, 2012, 20(3): 668-674.

[12]楊仁忠, 蔡興文, 楊蕾, 等.通用遙感衛星快視處理系統技術研究[J].遙感應用, 2009, 5(1): 32-35.Yang Ren-zhong, Cai Xing-wen, Yang Lei, et al..Research on technology of quick look processing of general remote sensing satellite[J].Remote Sensing Ap plication, 2009, 5(1): 32-35.

[13]劉翔.高分辨率圖像快視技術及實現[J].無線電工程, 2006,36(3): 20-22.Liu Xiang.“Fast-View” technology and its implementation for high-resolution image[J].Radio Engineering, 2006, 36(3):20-22.