一種DVB-S2幀同步算法的設計與實現

韓星 楊偉

摘要：針對低信噪比場景下DVB-S2信號的幀同步及接收解調難題，提出了一種適用于VCM/ACM的工作模式———基于幀信息的低信噪比幀同步算法。該幀同步算法融合了DVB-S2幀內SOF段、PLSC段以及導頻段的符號特性，在不同信噪比環(huán)境下的誤幀率均低于對照算法。利用幀信息優(yōu)化峰值搜索算法的性能，克服了基于閾值的峰值檢測算法對信道衰落極為敏感的缺點，同時突破了窗函數法僅適用于CCM工作模式的弊端，并在FPGA內完整實現了對DVB-S2信號從中頻輸入到FEC幀輸出的處理過程。

關鍵詞：DVB-S2;VCM/ACM模式;幀同步算法

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）07-60-5

0引言

DVB-S2作為第2代衛(wèi)星數字視頻廣播標準，除了被廣泛應用于廣播服務、交互應用以及衛(wèi)星新聞采集等民用領域，也被軍用衛(wèi)星通信系統廣泛采納，作為其下行協議和廣播通信標準[1]。在DVB-S2系統中，幀是信息交互的基本單位，在ACM工作模式中不同物理幀的調試樣式、編碼速率和導頻特性是可變的，因此必須正確解析每一幀的幀頭信息才能完成對該幀的解調和解碼。同時，為了在FPGA內實現DVB-S2信號的解調和解碼功能，算法的復雜度同樣十分重要[2]。

Choi Z.和Lee Y提出了一種對載波頻偏和相偏不敏感的CLD幀同步方法[3]，該算法的缺點是運算復雜度高，不利于在FPGA內實現。Gianni A等人基于此算法提出了一種折中方案———D-GPDI算法[4]，保留CLD算法中對頻偏的抵消，并將相偏控制在一個恒定值，且算法復雜度更低[5]。Fengwen S等人提出了一種聯合PLSC符號特征的幀同步算法[6]，提高了在低信噪比環(huán)境下對幀頭的捕獲能力。但由于其峰值搜索是基于窗函數法，無法應對ACM工作模式下物理幀長可變的場景。在此背景下，有的文獻將幀頭信息作為輔助信息以優(yōu)化幀同步的相關運算。閆朝星等人從幀頭中提取導頻信息，從而決定在搜索幀頭時是否考慮導頻信息[7]，但是這種復雜度的降低在FPGA器件實現中不會減低對片上資源的消耗。燕展等人則利用幀信息進一步挖掘PLSC的特征，使用二次異或運算消除了源數據帶來的不確定影響[8];和文獻[7]相比，該算法的復雜度更低。在實現DVB-S2信號解調過程中主要秉持3個原則：①能夠工作在低信噪比（最差情況下為-2.35 dB）情況下;②各環(huán)節(jié)適用于CCM和ACM/VCM模式;③盡可能利用幀內信息（包括幀頭和導頻）以提高幀頭捕獲和跟蹤的性能。

1 DVB-S2接收系統設計

在DVB-S2的3種工作模式中，CCM和VCM均可看作是ACM工作模式的特殊形式。因此接收系統只需具備對ACM工作模式下DVB-S2的解調和譯碼即可。提出了一種DVB-S2的接收系統架構，支持ACM模式的DVB-S2接收系統框圖如圖1所示，在處理順序上遵循了先解幀頭再對幀數據進行解調和譯碼的邏輯，并使用緩存去彌補幀頭解析的時延。即使幀格式在每一幀都改變，該系統也能正確解析，因此具備對ACM工作模式下DVB-S2的非合作接收能力。該系統的輸入為中頻數字信號及其參數，包括中頻頻率和信號帶寬，輸出為譯碼后的基帶幀。

在具體實現上，下變頻模塊根據信號中頻和采樣率計算本振頻率，并將采樣得到的數字信號轉換為零中頻信號，然后送入符號同步模塊。符號同步模塊采用Gardener算法提取定時誤差，通過立方內插算法（Farrow結構）實現內插，輸出1倍符號速率信號。載頻估計和補償模塊根據幀頭特定信息完成載波頻偏的估計和補償，并將補償后的數據輸入幀同步模塊，經差分相關和峰值檢測后獲得物理幀頭位置，再據此提取幀頭符號段輸入幀頭解析模塊。后者對幀頭依次作幀頭解擾和RM譯碼，從而獲取幀長、調制樣式、編碼速率以及有無導頻等參數，并使用這些參數配置后續(xù)的處理模塊。載波同步模塊根據幀頭解析得到的調制樣式信息完成不同調制方式的載波頻率和相位同步處理。載波同步后的數據經自動增益控制（數字AGC）后再依次進行解擾、解映射和解交織，最后由譯碼模塊依次作LDPC譯碼和BCH譯碼，并輸出FEC幀。

2基于幀信息的低信噪比DVB-S2幀同步算法

2.1 DVB-S2幀同步

DVB-S2由于采用更高階的調制方式和更好的編碼技術，能夠在非常低的信噪比（-2.35 dB）下工作。

低信噪比DVB-S2信號幀同步處理過程主要包括兩部分：幀頭差分相關處理和相關峰值搜索處理。這兩部分處理的性能決定低信噪比下DVB-S2信號幀同步性能，進而直接關系到整個接收系統的性能。

2.2一種聯合導頻段的差分相關算法

2.3一種基于幀信息的相關峰值搜索算法

已有的DVB-S2幀同步中相關峰值搜索算法主要有窗搜索法和門限檢測法2類。目前多數研究都使用窗搜索法進行相關峰值搜索，例如張玉龍等人提出的雙峰值檢測法[9]，在每個觀察窗口中記錄2個最大峰值位置作為幀頭位置候選，然后由判決單元依次滑動窗口并通過比較峰值位置是否連續(xù)在3個窗口處于相同位置來捕獲幀頭。該算法雖在捕獲時長（幀數）方面優(yōu)于單峰值窗搜索法，但仍難以避免窗搜索法的主要問題：一是不支持VCM/ACM模式;二是幀長需為已知，卻沒有把幀頭解析納入考量進行仿真。而門限檢測法的主要問題是檢測門限的設置易受信道衰落的影響[10-11]。

3仿真試驗

針對本文算法首先在Matlab中進行算法仿真，測試不同信噪比環(huán)境下各種算法的幀同步錯誤率。然后對算法中各級信號進行定點量化，并在Vivado中進行VHDL編程，并用ModelSim工具進行時序仿真，最后在高性能信號處理板中進行功能性驗證。

試驗環(huán)境采用R&S公司SMBV100B矢量信號源產生指定信噪比的標準DVB-S2信號，高速ADC采用ADI公司AD9467，最大采樣率250 Msps，分辨率16 bit。FPGA采用Xilinx高性能Kintex UltraScale系列的KU115芯片。

選取G-GPDI算法和SOF+PLSC算法與本文提出的CO-PILOT算法比較，通過Matlab仿真不同信噪比情況下幀同步性能，并記錄錯誤概率。圖3為不同信噪比下3種幀同步算法誤幀率仿真結果。

3種算法在信噪比較低時也保持了相對較低的錯誤率，這主要有兩方面的原因。首先，幀同步使用經過粗頻率估計和補償后的信號，雖然信號還帶有一定的頻差和相差，但是3種算法都是基于差分運算，能抵消相差，并把頻差帶來的誤差控制在一個很小的常量Δ/，因此最主要的問題仍是低信噪比;其次，由于物理幀頭是基于RM（7，64）編碼，帶有一定的編碼增益，因此少量錯誤符號并不一定會導致幀同步錯誤。

對3種算法進行比較，根據前面的分析可知，不管是計入相關值的符號數、算法復雜度以及預期的性能，都是G-GPDI

4結束語

本文設計了一種能滿足DVB-S2所有工作模式的系統接收架構，此架構先解析幀頭，再根據幀頭信息對數據部分作解調。在關鍵的幀同步算法上，提出了一種結合幀頭信息且支持所有工作模式的CO-PILOT算法，在有導頻模式下，它能將導頻特性納入幀頭相關值的運算中以獲取更高的性能，尤其在低信噪比環(huán)境中更具優(yōu)勢。本方法具有高度的靈活性和可擴展空間，具有較高的應用價值。

參考文獻

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