一種適合高速接收機的幀同步方法

張 波

(中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都610036)

高速接收機是現代通信領域的一個重要發展方向，可廣泛應用于氣象、海洋、資源、環境、遙感和偵察等眾多領域［1］。隨著近年來有效載荷技術的發展，對數據傳輸速率的要求越來越高，國外吉赫茲以上寬帶接收機已經投入應用，國內越來越多的單位也已經開展了此方面的研究。幀同步作為數傳接收機中的一個重要環節，對最終數據的恢復有著至關重要的影響。高速接收機的幀同步過程與一般接收機相比有以下幾點區別:

1)為了實現高速接收，在目前的硬件條件下必須采用并行處理，這樣在進行幀同步時通常采用并行幀同步，而并行操作會增加數據相位模糊度，提高假鎖概率。

2)在有編譯碼的情況下，很多時候要求先進行幀同步再譯碼，此時用于幀同步的數據誤碼率較高，幀同步檢測需要保持一定的容錯位數，否則會增加幀同步鎖定時間，漏同步概率也會增大，影響后續數據處理。由于數據模糊狀態較多，增加容錯位數又會進一步提高假鎖概率，造成數據錯誤。

文獻［2-4］中對并行幀同步的方法進行了詳細說明，文獻［5-7］對低信噪比下的幀同步機制進行了研究，但上述文獻均沒有對并行幀同步時數據的模糊狀態進行分析，也沒有對低信噪比下并行幀同步可能產生的問題進行關注。本文首先對高速接收機中的并行幀同步流程進行介紹，針對數據中的模糊狀態對幀同步的影響，提出了一種新的幀同步方法，并對其性能進行了分析。

1 現有幀同步方法

現有的幀同步方法主要分為同步搜索、同步校驗和同步跟蹤3個環節。在同步搜索狀態，預先設置一定的容錯比特N，把解調后的數據與預先設置的幀頭進行比較，當連續K幀數據中出現與預置幀頭的差異小于N bit的數據時，轉入幀同步校驗狀態，否則更新至下一個模糊狀態，重新開始搜索。幀同步校驗時，當連續M幀數據的固定位置與預置幀頭的差異都小于N bit，就認為找到了幀頭，從而轉入幀同步跟蹤狀態，否則重新進行幀同步搜索。在幀同步跟蹤狀態，如果出現連續M幀數據的幀頭與預置幀頭的差異都超過N bit時，認為幀同步已經失鎖，重新開始下一次幀同步搜索過程，否則繼續維持幀同步跟蹤狀態。其中，N稱為容錯比特，K稱為搜索幀數，M稱為校驗幀數。圖1是普遍采用的幀同步流程圖，從圖中可以看出，模糊狀態越多，幀同步搜索時間越長，從后續分析還可以看出，模糊狀態數對幀同步性能也有重要影響。

2 改進的幀同步方法

低速接收機處理速率較低，用于幀同步的數據是串行輸入的，由于接收機在解調中本身會引入數據相位模糊，因此在幀同步過程中需要根據幀同步字消除模糊狀態。當調制方式為BPSK時，接收機解調出的數據存在“0”、“1”翻轉的可能，因此在幀同步過程中要利用幀頭來對數據進行糾正。如果調制方式為QPSK信號，那解調過程中引入的模糊會更多，包括I、Q分別翻轉和I、Q顛倒等，總共有8中可能的模糊，在幀同步過程中需要對這8種情況一一判斷，從而確定真實的數據情況。

圖1 幀同步過程狀態轉移圖

對于高速接收機，由于現有器件處理速度的限制，數據解調并行進行，這樣送給幀同步器的數據除了常規解調中固有的模糊狀態外，還引入了串并轉換的模糊，接收機處理速率越高，串并轉換引入的模糊狀態越多。這樣在解模糊的過程中很容易把原本不是幀頭的數據當作幀頭，造成假同步。

為了解決這個問題，需要對以往的幀同步過程進行改進。由于解調模糊是接收機固有的，不能去除。因此只能通過消除串并轉換模糊來減少總的模糊狀態。首先，引入串并轉換的根本原因是器件處理速度不足，如果把數據速率降低就可以消除串并轉換模糊。其次，現在常用的幀同步都是對數據進行連續檢測，但對于單純的幀同步過程來說并不需要對輸入的所有數據進行檢測，只要能夠得到連續的幾幀數據，就可以完成幀同步檢測。在檢測到幀同步位置和狀態后便可以對輸入的連續數據流進行幀同步跟蹤。詳細的處理過程如下:

1)對輸入的連續多幀并行數據進行存儲;

2)以較低時鐘從存儲器中讀出存儲的數據，同時進行并串轉換，把多路數據恢復成單路數據;

3)對得到的單路數據進行幀同步檢測，此過程包含選擇不同的解調模糊;

4)在檢測到幀同步后，根據幀同步檢測過程所花費的時鐘個數和模糊狀態對輸入的并行數據進行調整，轉入幀同步跟蹤過程。改進后的幀同步流程如圖2所示。

圖2 改進的幀同步流程

3 幀同步性能分析

3.1 模糊狀態分析

設解調引入的模糊狀態數為S1，并行路數為P，新方法的模糊狀態數為S2。原有方法的模糊狀態數S1=S·P，并行路數P越多，則總的模糊狀態數S1越大。改進后的方法只有解調引入的模糊狀態數，與并行路數多少無關，即S2=S。

3.2 幀同步建立時間

雖然新的幀同步處理過程采用的是降速后的串行數據進行幀同步檢測，但由于減少了模糊狀態，幀同步檢測所用時間與原有方法基本相同。

原有方法的幀同步平均建立時間為

改進方法的幀同步平均建立時間為

式中:L1為并行數據幀長;L為串行數據幀長;S為解調中固有的模糊;P為并行路數;K為搜索幀數;M為校驗幀數。

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

需要說明的是上述計算中假設誤碼率較低，此時由于誤碼造成的假同步對幀同步建立時間的影響很小，并且對兩種方法的影響是相同的，不影響比較結論。當解調誤碼率偏高時有可能會出現假同步，此時幀同步時間會相應增加，下文對此進行具體分析。

3.3 假同步概率

當由于誤碼或者數據中存在與幀頭類似的信息時，可能會造成幀同步錯誤鎖定，此時稱為假同步。另外在解模糊的過程中需要對各種可能的模糊狀態進行嘗試，一些原本與幀頭相差很大的數據經過“0”、“1”翻轉，I、Q交換，延遲等處理后也可能與幀頭一致或類似，在高速并行幀同步中這是造成假同步的一個非常重要的因素。

增加幀頭長度、減少幀長、減少模糊狀態數可以有效降低假同步概率。由于幀頭長度和幀長在系統設計中已經確定，通常不能隨意更改，因此只能通過減少模糊狀態數來降低假同步概率。

原方法由于模糊狀態數多、造成假鎖概率高，特別是在幀頭較短時，假鎖嚴重。新方法通過串行處理消除了并行數據中包含的幀頭相位模糊，減小了假同步的概率，并行路數越多，改善越明顯。

原有方法的假同步概率［8］為

改進方法的假同步概率為

式中:H為幀頭長;L為數據幀長;S為解調中固有的模糊;P為并行路數;M為校驗幀數。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

當幀頭出現卻沒檢測出來時稱為漏同步，漏同步針對的是真實的幀頭，這對兩種方法是一致的，即

式中:Pe為解調誤碼率，其余參數定義與前面相同。從式(5)可以看出，容錯位數越大、校核幀數越多、誤碼率越小，漏同步出現的概率越小。由于誤碼率在解調時已經確定，不能更改，只能通過改變其余兩個參數來調整漏同步概率。然而，增加容錯位數會提高假同步概率，增加校核幀數會增加幀同步入鎖時間。

表1和表2是參數不同時兩種方法的假同步性能。從表1和表2中可以看出，當選擇相同參數時新方法的假同步概率要明顯小于原方法，其中校核幀數越多，性能改善越明顯。原方法雖然可以通過減少容錯位數和增加校核幀數來降低假同步概率，但當解調數據中誤碼率較高時，如果容錯位數太少會導致幀同步建立時間過長甚至不能同步。

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 實驗分析

在600 Mbit/s接收機中分別采用上述兩種方法實現幀同步，比較二者之間的差異。接收機速率600 Mbit/s，調制方式采用QPSK，接收機送給幀同步模塊的并行路數P=4，幀長L=8 192 bit。上節在進行理論分析時假設每幀數據是各不相同的，實驗中采用循環發送固定幀，一方面是為了測試簡便，更重要的是在實際發送數據時常有部分數據是慢變化的，這對幀同步提出了更高的要求。發送固定幀可以很好地模擬這種情況，此時如果信噪比較高，校驗幀數M的變化對幀同步性能影響不大，固定取4。采用傳統幀同步方法和改進幀同步方法在不同參數時的幀同步情況如表3、表4所示。

表3 兩種方法的正確同步次數比較，統計次數100次，H=16，M=4，Eb/N0=7 dB

表4 兩種方法的正確同步次數比較，統計次數100次，H=16，M=4，Eb/N0=4 dB

在表3中，接收信號較強，此時誤碼很少，傳統幀同步方法在容錯位數為0和1時，正確同步概率很低，容錯位數增加為2和3后，100次測試中無一次正確同步。表4中信噪比進一步降低，此時解調數據包含大量誤碼，原方法由于模糊狀態多在誤碼的影響下，當容錯位數少時不斷地處于幀頭檢測和校核中，造成同步時間很長，甚至不能同步，增加容錯位數又會引起假同步。改進方法模糊狀態少，在低信噪比仍然能夠以較高的概率正確同步，達到了降低幀同步門限的效果。

5結論

針對高速接收機中并行幀同步容易假鎖的問題，提出了一種改進的幀同步處理方法。文中對新方法的幀同步平均建立時間、假同步概率、漏同步概率等指標進行了理論分析。從分析結論可以看出，新方法通過減少模糊狀態數改善了假鎖概率，而假鎖概率的降低可以允許更多的容錯位數，因此能夠降低跟蹤門限，提高接收機靈敏度。此方法不受并行路數的影響，特別適用于高速接收機的幀同步檢測。

［1］童長海，鄭雪峰，鄭戈，等.600 Mb/s高速數傳接收機的設計與實現［J］.遙測遙控，2007(28):30-34.

［2］單寶堂，王華，張健，等.一種并行幀同步設計方案的提出、設計與應用［J］.通信與電視，2005(6):61-64.

［3］劉昭，金德鵬，曾烈光.基于連續性判別的并行幀同步系統［J］.電子學報，2007，33(7):1178-1182.

［4］陳燕.基于FPGA高速幀同步設計及性能分析［J］.信號與信息處理，2010，40(5):25-26.

［5］易智，周亮，劉德偉.一種新的極低SNR下幀同步機制研究［J］.通信技術，2009，42(12):204-206.

［6］徐儉.多功能幀同步機在總控和播控系統中的應用［J］.電視技術，2009，33(3 ):66-68.

［7］蘇承毅，張彧，潘長勇.卷積-RS級聯譯碼器并行幀同步算法及實現［J］.電視技術，2010，34(11):48-50.

［8］夏俊.幀同步電路的設計和分析［J］.電訊技術，2006(2):155-158.