張 波

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都610036)

高速接收機(jī)是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向，可廣泛應(yīng)用于氣象、海洋、資源、環(huán)境、遙感和偵察等眾多領(lǐng)域［1］。隨著近年來(lái)有效載荷技術(shù)的發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求越來(lái)越高，國(guó)外吉赫茲以上寬帶接收機(jī)已經(jīng)投入應(yīng)用，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的單位也已經(jīng)開(kāi)展了此方面的研究。幀同步作為數(shù)傳接收機(jī)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)最終數(shù)據(jù)的恢復(fù)有著至關(guān)重要的影響。高速接收機(jī)的幀同步過(guò)程與一般接收機(jī)相比有以下幾點(diǎn)區(qū)別:

1)為了實(shí)現(xiàn)高速接收，在目前的硬件條件下必須采用并行處理，這樣在進(jìn)行幀同步時(shí)通常采用并行幀同步，而并行操作會(huì)增加數(shù)據(jù)相位模糊度，提高假鎖概率。

2)在有編譯碼的情況下，很多時(shí)候要求先進(jìn)行幀同步再譯碼，此時(shí)用于幀同步的數(shù)據(jù)誤碼率較高，幀同步檢測(cè)需要保持一定的容錯(cuò)位數(shù)，否則會(huì)增加幀同步鎖定時(shí)間，漏同步概率也會(huì)增大，影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)據(jù)模糊狀態(tài)較多，增加容錯(cuò)位數(shù)又會(huì)進(jìn)一步提高假鎖概率，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

文獻(xiàn)［2-4］中對(duì)并行幀同步的方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，文獻(xiàn)［5-7］對(duì)低信噪比下的幀同步機(jī)制進(jìn)行了研究，但上述文獻(xiàn)均沒(méi)有對(duì)并行幀同步時(shí)數(shù)據(jù)的模糊狀態(tài)進(jìn)行分析，也沒(méi)有對(duì)低信噪比下并行幀同步可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行關(guān)注。本文首先對(duì)高速接收機(jī)中的并行幀同步流程進(jìn)行介紹，針對(duì)數(shù)據(jù)中的模糊狀態(tài)對(duì)幀同步的影響，提出了一種新的幀同步方法，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。

1 現(xiàn)有幀同步方法

現(xiàn)有的幀同步方法主要分為同步搜索、同步校驗(yàn)和同步跟蹤3個(gè)環(huán)節(jié)。在同步搜索狀態(tài)，預(yù)先設(shè)置一定的容錯(cuò)比特N，把解調(diào)后的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)置的幀頭進(jìn)行比較，當(dāng)連續(xù)K幀數(shù)據(jù)中出現(xiàn)與預(yù)置幀頭的差異小于N bit的數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)入幀同步校驗(yàn)狀態(tài)，否則更新至下一個(gè)模糊狀態(tài)，重新開(kāi)始搜索。幀同步校驗(yàn)時(shí)，當(dāng)連續(xù)M幀數(shù)據(jù)的固定位置與預(yù)置幀頭的差異都小于N bit，就認(rèn)為找到了幀頭，從而轉(zhuǎn)入幀同步跟蹤狀態(tài)，否則重新進(jìn)行幀同步搜索。在幀同步跟蹤狀態(tài)，如果出現(xiàn)連續(xù)M幀數(shù)據(jù)的幀頭與預(yù)置幀頭的差異都超過(guò)N bit時(shí)，認(rèn)為幀同步已經(jīng)失鎖，重新開(kāi)始下一次幀同步搜索過(guò)程，否則繼續(xù)維持幀同步跟蹤狀態(tài)。其中，N稱(chēng)為容錯(cuò)比特，K稱(chēng)為搜索幀數(shù)，M稱(chēng)為校驗(yàn)幀數(shù)。圖1是普遍采用的幀同步流程圖，從圖中可以看出，模糊狀態(tài)越多，幀同步搜索時(shí)間越長(zhǎng)，從后續(xù)分析還可以看出，模糊狀態(tài)數(shù)對(duì)幀同步性能也有重要影響。

2 改進(jìn)的幀同步方法

低速接收機(jī)處理速率較低，用于幀同步的數(shù)據(jù)是串行輸入的，由于接收機(jī)在解調(diào)中本身會(huì)引入數(shù)據(jù)相位模糊，因此在幀同步過(guò)程中需要根據(jù)幀同步字消除模糊狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制方式為BPSK時(shí)，接收機(jī)解調(diào)出的數(shù)據(jù)存在“0”、“1”翻轉(zhuǎn)的可能，因此在幀同步過(guò)程中要利用幀頭來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。如果調(diào)制方式為QPSK信號(hào)，那解調(diào)過(guò)程中引入的模糊會(huì)更多，包括I、Q分別翻轉(zhuǎn)和I、Q顛倒等，總共有8中可能的模糊，在幀同步過(guò)程中需要對(duì)這8種情況一一判斷，從而確定真實(shí)的數(shù)據(jù)情況。

圖1 幀同步過(guò)程狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

對(duì)于高速接收機(jī)，由于現(xiàn)有器件處理速度的限制，數(shù)據(jù)解調(diào)并行進(jìn)行，這樣送給幀同步器的數(shù)據(jù)除了常規(guī)解調(diào)中固有的模糊狀態(tài)外，還引入了串并轉(zhuǎn)換的模糊，接收機(jī)處理速率越高，串并轉(zhuǎn)換引入的模糊狀態(tài)越多。這樣在解模糊的過(guò)程中很容易把原本不是幀頭的數(shù)據(jù)當(dāng)作幀頭，造成假同步。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)以往的幀同步過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)。由于解調(diào)模糊是接收機(jī)固有的，不能去除。因此只能通過(guò)消除串并轉(zhuǎn)換模糊來(lái)減少總的模糊狀態(tài)。首先，引入串并轉(zhuǎn)換的根本原因是器件處理速度不足，如果把數(shù)據(jù)速率降低就可以消除串并轉(zhuǎn)換模糊。其次，現(xiàn)在常用的幀同步都是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，但對(duì)于單純的幀同步過(guò)程來(lái)說(shuō)并不需要對(duì)輸入的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，只要能夠得到連續(xù)的幾幀數(shù)據(jù)，就可以完成幀同步檢測(cè)。在檢測(cè)到幀同步位置和狀態(tài)后便可以對(duì)輸入的連續(xù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行幀同步跟蹤。詳細(xì)的處理過(guò)程如下:

1)對(duì)輸入的連續(xù)多幀并行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);

2)以較低時(shí)鐘從存儲(chǔ)器中讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，把多路數(shù)據(jù)恢復(fù)成單路數(shù)據(jù);

3)對(duì)得到的單路數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步檢測(cè)，此過(guò)程包含選擇不同的解調(diào)模糊;

4)在檢測(cè)到幀同步后，根據(jù)幀同步檢測(cè)過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)鐘個(gè)數(shù)和模糊狀態(tài)對(duì)輸入的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)入幀同步跟蹤過(guò)程。改進(jìn)后的幀同步流程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的幀同步流程

3 幀同步性能分析

3.1 模糊狀態(tài)分析

設(shè)解調(diào)引入的模糊狀態(tài)數(shù)為S1，并行路數(shù)為P，新方法的模糊狀態(tài)數(shù)為S2。原有方法的模糊狀態(tài)數(shù)S1=S·P，并行路數(shù)P越多，則總的模糊狀態(tài)數(shù)S1越大。改進(jìn)后的方法只有解調(diào)引入的模糊狀態(tài)數(shù)，與并行路數(shù)多少無(wú)關(guān)，即S2=S。

3.2 幀同步建立時(shí)間

雖然新的幀同步處理過(guò)程采用的是降速后的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步檢測(cè)，但由于減少了模糊狀態(tài)，幀同步檢測(cè)所用時(shí)間與原有方法基本相同。

原有方法的幀同步平均建立時(shí)間為

改進(jìn)方法的幀同步平均建立時(shí)間為

式中:L1為并行數(shù)據(jù)幀長(zhǎng);L為串行數(shù)據(jù)幀長(zhǎng);S為解調(diào)中固有的模糊;P為并行路數(shù);K為搜索幀數(shù);M為校驗(yàn)幀數(shù)。

從式(1)、(2)可以看出，雖然改進(jìn)方法在進(jìn)行幀同步時(shí)是串行處理的，處理速度比并行處理慢，但由于改進(jìn)方法的模糊狀態(tài)少，因此與原方法相比，幀同步平均建立時(shí)間是相同的。

需要說(shuō)明的是上述計(jì)算中假設(shè)誤碼率較低，此時(shí)由于誤碼造成的假同步對(duì)幀同步建立時(shí)間的影響很小，并且對(duì)兩種方法的影響是相同的，不影響比較結(jié)論。當(dāng)解調(diào)誤碼率偏高時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)假同步，此時(shí)幀同步時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，下文對(duì)此進(jìn)行具體分析。

3.3 假同步概率

當(dāng)由于誤碼或者數(shù)據(jù)中存在與幀頭類(lèi)似的信息時(shí)，可能會(huì)造成幀同步錯(cuò)誤鎖定，此時(shí)稱(chēng)為假同步。另外在解模糊的過(guò)程中需要對(duì)各種可能的模糊狀態(tài)進(jìn)行嘗試，一些原本與幀頭相差很大的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)“0”、“1”翻轉(zhuǎn)，I、Q交換，延遲等處理后也可能與幀頭一致或類(lèi)似，在高速并行幀同步中這是造成假同步的一個(gè)非常重要的因素。

增加幀頭長(zhǎng)度、減少幀長(zhǎng)、減少模糊狀態(tài)數(shù)可以有效降低假同步概率。由于幀頭長(zhǎng)度和幀長(zhǎng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定，通常不能隨意更改，因此只能通過(guò)減少模糊狀態(tài)數(shù)來(lái)降低假同步概率。

原方法由于模糊狀態(tài)數(shù)多、造成假鎖概率高，特別是在幀頭較短時(shí)，假鎖嚴(yán)重。新方法通過(guò)串行處理消除了并行數(shù)據(jù)中包含的幀頭相位模糊，減小了假同步的概率，并行路數(shù)越多，改善越明顯。

原有方法的假同步概率［8］為

改進(jìn)方法的假同步概率為

式中:H為幀頭長(zhǎng);L為數(shù)據(jù)幀長(zhǎng);S為解調(diào)中固有的模糊;P為并行路數(shù);M為校驗(yàn)幀數(shù)。比較式(3)、(4)可知，新方法的假同步概率只有原方法的1/PM。

3.4 漏同步概率

當(dāng)幀頭出現(xiàn)卻沒(méi)檢測(cè)出來(lái)時(shí)稱(chēng)為漏同步，漏同步針對(duì)的是真實(shí)的幀頭，這對(duì)兩種方法是一致的，即

式中:Pe為解調(diào)誤碼率，其余參數(shù)定義與前面相同。從式(5)可以看出，容錯(cuò)位數(shù)越大、校核幀數(shù)越多、誤碼率越小，漏同步出現(xiàn)的概率越小。由于誤碼率在解調(diào)時(shí)已經(jīng)確定，不能更改，只能通過(guò)改變其余兩個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整漏同步概率。然而，增加容錯(cuò)位數(shù)會(huì)提高假同步概率，增加校核幀數(shù)會(huì)增加幀同步入鎖時(shí)間。

表1和表2是參數(shù)不同時(shí)兩種方法的假同步性能。從表1和表2中可以看出，當(dāng)選擇相同參數(shù)時(shí)新方法的假同步概率要明顯小于原方法，其中校核幀數(shù)越多，性能改善越明顯。原方法雖然可以通過(guò)減少容錯(cuò)位數(shù)和增加校核幀數(shù)來(lái)降低假同步概率，但當(dāng)解調(diào)數(shù)據(jù)中誤碼率較高時(shí)，如果容錯(cuò)位數(shù)太少會(huì)導(dǎo)致幀同步建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至不能同步。

表1 原方法的假同步概率，H=16，S=8，P=8

表2 新方法的假同步概率，H=16，S=8，P=8

4 實(shí)驗(yàn)分析

在600 Mbit/s接收機(jī)中分別采用上述兩種方法實(shí)現(xiàn)幀同步，比較二者之間的差異。接收機(jī)速率600 Mbit/s，調(diào)制方式采用QPSK，接收機(jī)送給幀同步模塊的并行路數(shù)P=4，幀長(zhǎng)L=8 192 bit。上節(jié)在進(jìn)行理論分析時(shí)假設(shè)每幀數(shù)據(jù)是各不相同的，實(shí)驗(yàn)中采用循環(huán)發(fā)送固定幀，一方面是為了測(cè)試簡(jiǎn)便，更重要的是在實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)常有部分?jǐn)?shù)據(jù)是慢變化的，這對(duì)幀同步提出了更高的要求。發(fā)送固定幀可以很好地模擬這種情況，此時(shí)如果信噪比較高，校驗(yàn)幀數(shù)M的變化對(duì)幀同步性能影響不大，固定取4。采用傳統(tǒng)幀同步方法和改進(jìn)幀同步方法在不同參數(shù)時(shí)的幀同步情況如表3、表4所示。

表3 兩種方法的正確同步次數(shù)比較，統(tǒng)計(jì)次數(shù)100次，H=16，M=4，Eb/N0=7 dB

表4 兩種方法的正確同步次數(shù)比較，統(tǒng)計(jì)次數(shù)100次，H=16，M=4，Eb/N0=4 dB

在表3中，接收信號(hào)較強(qiáng)，此時(shí)誤碼很少，傳統(tǒng)幀同步方法在容錯(cuò)位數(shù)為0和1時(shí)，正確同步概率很低，容錯(cuò)位數(shù)增加為2和3后，100次測(cè)試中無(wú)一次正確同步。表4中信噪比進(jìn)一步降低，此時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)包含大量誤碼，原方法由于模糊狀態(tài)多在誤碼的影響下，當(dāng)容錯(cuò)位數(shù)少時(shí)不斷地處于幀頭檢測(cè)和校核中，造成同步時(shí)間很長(zhǎng)，甚至不能同步，增加容錯(cuò)位數(shù)又會(huì)引起假同步。改進(jìn)方法模糊狀態(tài)少，在低信噪比仍然能夠以較高的概率正確同步，達(dá)到了降低幀同步門(mén)限的效果。

5結(jié)論

針對(duì)高速接收機(jī)中并行幀同步容易假鎖的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的幀同步處理方法。文中對(duì)新方法的幀同步平均建立時(shí)間、假同步概率、漏同步概率等指標(biāo)進(jìn)行了理論分析。從分析結(jié)論可以看出，新方法通過(guò)減少模糊狀態(tài)數(shù)改善了假鎖概率，而假鎖概率的降低可以允許更多的容錯(cuò)位數(shù)，因此能夠降低跟蹤門(mén)限，提高接收機(jī)靈敏度。此方法不受并行路數(shù)的影響，特別適用于高速接收機(jī)的幀同步檢測(cè)。

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