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(diào)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(nèi)SOF段、PLSC段以及導(dǎo)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(shù)法僅適用于CCM工作模式的弊端，并在FPGA內(nèi)完整實現(xiàn)了對DVB-S2信號從中頻輸入到FEC幀輸出的處理過程。

關(guān)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(shù)字視頻廣播標準，除了被廣泛應(yīng)用于廣播服務(wù)、交互應(yīng)用以及衛(wèi)星新聞采集等民用領(lǐng)域，也被軍用衛(wèi)星通信系統(tǒng)廣泛采納，作為其下行協(xié)議和廣播通信標準[1]。在DVB-S2系統(tǒng)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(diào)試樣式、編碼速率和導(dǎo)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(diào)和解碼。同時，為了在FPGA內(nèi)實現(xiàn)DVB-S2信號的解調(diào)和解碼功能，算法的復(fù)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(fù)雜度高，不利于在FPGA內(nèi)實現(xiàn)。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(fù)雜度更低[5]。Fengwen S等人提出了一種聯(lián)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(shù)法，無法應(yīng)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(guān)運算。閆朝星等人從幀頭中提取導(dǎo)頻信息，從而決定在搜索幀頭時是否考慮導(dǎo)頻信息[7]，但是這種復(fù)雜度的降低在FPGA器件實現(xiàn)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(shù)據(jù)帶來的不確定影響[8];和文獻[7]相比，該算法的復(fù)雜度更低。在實現(xiàn)DVB-S2信號解調(diào)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(nèi)信息（包括幀頭和導(dǎo)頻）以提高幀頭捕獲和跟蹤的性能。

1 DVB-S2接收系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)只需具備對ACM工作模式下DVB-S2的解調(diào)和譯碼即可。提出了一種DVB-S2的接收系統(tǒng)架構(gòu)，支持ACM模式的DVB-S2接收系統(tǒng)框圖如圖1所示，在處理順序上遵循了先解幀頭再對幀數(shù)據(jù)進行解調(diào)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(tǒng)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(tǒng)的輸入為中頻數(shù)字信號及其參數(shù)，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(xiàn)上，下變頻模塊根據(jù)信號中頻和采樣率計算本振頻率，并將采樣得到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(nèi)插算法（Farrow結(jié)構(gòu)）實現(xiàn)內(nèi)插，輸出1倍符號速率信號。載頻估計和補償模塊根據(jù)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(shù)據(jù)輸入幀同步模塊，經(jīng)差分相關(guān)和峰值檢測后獲得物理幀頭位置，再據(jù)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(diào)制樣式、編碼速率以及有無導(dǎo)頻等參數(shù)，并使用這些參數(shù)配置后續(xù)的處理模塊。載波同步模塊根據(jù)幀頭解析得到的調(diào)制樣式信息完成不同調(diào)制方式的載波頻率和相位同步處理。載波同步后的數(shù)據(jù)經(jīng)自動增益控制（數(shù)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(diào)制方式和更好的編碼技術(shù)，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(guān)處理和相關(guān)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(guān)系到整個接收系統(tǒng)的性能。

2.2一種聯(lián)合導(dǎo)頻段的差分相關(guān)算法

2.3一種基于幀信息的相關(guān)峰值搜索算法

已有的DVB-S2幀同步中相關(guān)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(shù)研究都使用窗搜索法進行相關(guān)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(shù)）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(shè)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(chǎn)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(jié)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(jīng)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(dǎo)致幀同步錯誤。

對3種算法進行比較，根據(jù)前面的分析可知，不管是計入相關(guān)值的符號數(shù)、算法復(fù)雜度以及預(yù)期的性能，都是G-GPDI

4結(jié)束語

本文設(shè)計了一種能滿足DVB-S2所有工作模式的系統(tǒng)接收架構(gòu)，此架構(gòu)先解析幀頭，再根據(jù)幀頭信息對數(shù)據(jù)部分作解調(diào)。在關(guān)鍵的幀同步算法上，提出了一種結(jié)合幀頭信息且支持所有工作模式的CO-PILOT算法，在有導(dǎo)頻模式下，它能將導(dǎo)頻特性納入幀頭相關(guān)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(yīng)用價值。

參考文獻

[1] ETSI. EN302.307 V1.1.2 - 2006 Digital Video Broadcasting（DVB）， Second Generation Framing Structure， Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting， Interactie Services， News Gathering and Other Broadband Satellite Applications[S]. 2006.

[2]李茹，王素蘋，魏艷橋，等. IPv6 over DVB在遠程教育中的應(yīng)用[J].計算機工程，2008，34（18）： 248-250.

[3] CHOI Z， LEE Y. Frame Synchronization in the Presence of Frequency Offset[J]. IEEE Transactions on Communications， 2002，50： 1062-1065.

[4] ALBERTAZZI G，CIONI S，CORAZZA E G，et al. On the Adaptive DVB-S2 Physical Layer： Design and Performance[J]. IEEE Wireless Communications， 2005， 12： 62-68.

[5] KIM P，CORAZZA G E，PEDONE R，et al. Enhanced Frame Synchronization for DVB-S2 System Under a Large of Frequency Offset[J].IEEE Wireless Communications， 2007，11：1183-1187.

[6] SUN F W，JIANG Y M，LEE L N. Frame Synchronization and Pilot Structure for Second Generation DVB Via Satellites[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking，2004，22（3）：319-339.

[7]閆朝星，王華，匡鏡明，等.DVB-S2中基于RM碼的ACM模式幀同步設(shè)計[J].北京理工大學(xué)學(xué)報，2011，31（2）：196-200.

[8]燕展，康凱，鐘子發(fā).基于SOF+PLSC的新DVB-S2幀同步檢測算法[J].計算機應(yīng)用研究， 2013，30（11）：3445-3447.

[9]張玉龍，陳緒斌，吳川，等.一種改進的DVB-S2接收機幀同步方案[J].計算機工程， 2011，37（2）：258-260.

[10]邸晨旭.DVB-S/S2信道中網(wǎng)頁內(nèi)容的盲提取方法研究[J].無線電工程，2017，47（6）：1-5.

[11]齊青茂，王巖建，張華沖.中頻采樣全數(shù)字接收機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù)，2012，38（4）：77-80.