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摘要：针对低信噪比场景下DVB-S2信号的帧同步及接收解调难题，提出了一种适用于VCM/ACM的工作模式———基于帧信息的低信噪比帧同步算法。该帧同步算法融合了DVB-S2帧内SOF段、PLSC段以及导频段的符号特性，在不同信噪比环境下的误帧率均低于对照算法。利用帧信息优化峰值搜索算法的性能，克服了基于阈值的峰值检测算法对信道衰落极为敏感的缺点，同时突破了窗函数法仅适用于CCM工作模式的弊端，并在FPGA内完整实现了对DVB-S2信号从中频输入到FEC帧输出的处理过程。
关键词：DVB-S2;VCM/ACM模式;帧同步算法
中图分类号：TN911文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）07-60-5
0引言
DVB-S2作為第2代卫星数字视频广播标准，除了被广泛应用于广播服务、交互应用以及卫星新闻采集等民用领域，也被军用卫星通信系统广泛采纳，作为其下行协议和广播通信标准[1]。在DVB-S2系统中，帧是信息交互的基本单位，在ACM工作模式中不同物理帧的调试样式、编码速率和导频特性是可变的，因此必须正确解析每一帧的帧头信息才能完成对该帧的解调和解码。同时，为了在FPGA内实现DVB-S2信号的解调和解码功能，算法的复杂度同样十分重要[2]。
Choi Z.和Lee Y提出了一种对载波频偏和相偏不敏感的CLD帧同步方法[3]，该算法的缺点是运算复杂度高，不利于在FPGA内实现。Gianni A等人基于此算法提出了一种折中方案———D-GPDI算法[4]，保留CLD算法中对频偏的抵消，并将相偏控制在一个恒定值，且算法复杂度更低[5]。Fengwen S等人提出了一种联合PLSC符号特征的帧同步算法[6]，提高了在低信噪比环境下对帧头的捕获能力。但由于其峰值搜索是基于窗函数法，无法应对ACM工作模式下物理帧长可变的场景。在此背景下，有的文献将帧头信息作为辅助信息以优化帧同步的相关运算。闫朝星等人从帧头中提取导频信息，从而决定在搜索帧头时是否考虑导频信息[7]，但是这种复杂度的降低在FPGA器件实现中不会减低对片上资源的消耗。燕展等人则利用帧信息进一步挖掘PLSC的特征，使用二次异或运算消除了源数据带来的不确定影响[8];和文献[7]相比，该算法的复杂度更低。在实现DVB-S2信号解调过程中主要秉持3个原则：①能够工作在低信噪比（最差情况下为-2.35 dB）情况下;②各环节适用于CCM和ACM/VCM模式;③尽可能利用帧内信息（包括帧头和导频）以提高帧头捕获和跟踪的性能。
1 DVB-S2接收系统设计
在DVB-S2的3种工作模式中，CCM和VCM均可看作是ACM工作模式的特殊形式。因此接收系统只需具备对ACM工作模式下DVB-S2的解调和译码即可。提出了一种DVB-S2的接收系统架构，支持ACM模式的DVB-S2接收系统框图如图1所示，在处理顺序上遵循了先解帧头再对帧数据进行解调和译码的逻辑，并使用缓存去弥补帧头解析的时延。即使帧格式在每一帧都改变，该系统也能正确解析，因此具备对ACM工作模式下DVB-S2的非合作接收能力。该系统的输入为中频数字信号及其参数，包括中频频率和信号带宽，输出为译码后的基带帧。
在具体实现上，下变频模块根据信号中频和采样率计算本振频率，并将采样得到的数字信号转换为零中频信号，然后送入符号同步模块。符号同步模块采用Gardener算法提取定时误差，通过立方内插算法（Farrow结构）实现内插，输出1倍符号速率信号。载频估计和补偿模块根据帧头特定信息完成载波频偏的估计和补偿，并将补偿后的数据输入帧同步模块，经差分相关和峰值检测后获得物理帧头位置，再据此提取帧头符号段输入帧头解析模块。后者对帧头依次作帧头解扰和RM译码，从而获取帧长、调制样式、编码速率以及有无导频等参数，并使用这些参数配置后续的处理模块。载波同步模块根据帧头解析得到的调制样式信息完成不同调制方式的载波频率和相位同步处理。载波同步后的数据经自动增益控制（数字AGC）后再依次进行解扰、解映射和解交织，最后由译码模块依次作LDPC译码和BCH译码，并输出FEC帧。
2基于帧信息的低信噪比DVB-S2帧同步算法
2.1 DVB-S2帧同步
DVB-S2由于采用更高阶的调制方式和更好的编码技术，能够在非常低的信噪比（-2.35 dB）下工作。
低信噪比DVB-S2信号帧同步处理过程主要包括两部分：帧头差分相关处理和相关峰值搜索处理。这两部分处理的性能决定低信噪比下DVB-S2信号帧同步性能，进而直接关系到整个接收系统的性能。
2.2一种联合导频段的差分相关算法
2.3一种基于帧信息的相关峰值搜索算法
已有的DVB-S2帧同步中相关峰值搜索算法主要有窗搜索法和门限检测法2类。目前多数研究都使用窗搜索法进行相关峰值搜索，例如张玉龙等人提出的双峰值检测法[9]，在每个观察窗口中记录2个最大峰值位置作为帧头位置候选，然后由判决单元依次滑动窗口并通过比较峰值位置是否连续在3个窗口处于相同位置来捕获帧头。该算法虽在捕获时长（帧数）方面优于单峰值窗搜索法，但仍难以避免窗搜索法的主要问题：一是不支持VCM/ACM模式;二是帧长需为已知，却没有把帧头解析纳入考量进行仿真。而门限检测法的主要问题是检测门限的设置易受信道衰落的影响[10-11]。
3仿真试验
针对本文算法首先在Matlab中进行算法仿真，测试不同信噪比环境下各种算法的帧同步错误率。然后对算法中各级信号进行定点量化，并在Vivado中进行VHDL编程，并用ModelSim工具进行时序仿真，最后在高性能信号处理板中进行功能性验证。
试验环境采用R&S公司SMBV100B矢量信号源产生指定信噪比的标准DVB-S2信号，高速ADC采用ADI公司AD9467，最大采样率250 Msps，分辨率16 bit。FPGA采用Xilinx高性能Kintex UltraScale系列的KU115芯片。
选取G-GPDI算法和SOF+PLSC算法与本文提出的CO-PILOT算法比较，通过Matlab仿真不同信噪比情况下帧同步性能，并记录错误概率。图3为不同信噪比下3种帧同步算法误帧率仿真结果。
3种算法在信噪比较低时也保持了相对较低的错误率，这主要有两方面的原因。首先，帧同步使用经过粗频率估计和补偿后的信号，虽然信号还带有一定的频差和相差，但是3种算法都是基于差分运算，能抵消相差，并把频差带来的误差控制在一个很小的常量Δ/，因此最主要的问题仍是低信噪比;其次，由于物理帧头是基于RM（7，64）编码，带有一定的编码增益，因此少量错误符号并不一定会导致帧同步错误。
对3种算法进行比较，根据前面的分析可知，不管是计入相关值的符号数、算法复杂度以及预期的性能，都是G-GPDI
4结束语
本文设计了一种能满足DVB-S2所有工作模式的系统接收架构，此架构先解析帧头，再根据帧头信息对数据部分作解调。在关键的帧同步算法上，提出了一种结合帧头信息且支持所有工作模式的CO-PILOT算法，在有导频模式下，它能将导频特性纳入帧头相关值的运算中以获取更高的性能，尤其在低信噪比环境中更具优势。本方法具有高度的灵活性和可扩展空间，具有较高的应用价值。
参考文献
[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，魏艳桥，等. IPv6 over DVB在远程教育中的应用[J].计算机工程，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]闫朝星，王华，匡镜明，等.DVB-S2中基于RM码的ACM模式帧同步设计[J].北京理工大学学报，2011，31（2）：196-200.
[8]燕展，康凯，钟子发.基于SOF+PLSC的新DVB-S2帧同步检测算法[J].计算机应用研究， 2013，30（11）：3445-3447.
[9]张玉龙，陈绪斌，吴川，等.一种改进的DVB-S2接收机帧同步方案[J].计算机工程， 2011，37（2）：258-260.
[10]邸晨旭.DVB-S/S2信道中网页内容的盲提取方法研究[J].无线电工程，2017，47（6）：1-5.
[11]齐青茂，王岩建，张华冲.中频采样全数字接收机的设计与实现[J].无线电通信技术，2012，38（4）：77-80.
关键词：DVB-S2;VCM/ACM模式;帧同步算法
中图分类号：TN911文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）07-60-5
0引言
DVB-S2作為第2代卫星数字视频广播标准，除了被广泛应用于广播服务、交互应用以及卫星新闻采集等民用领域，也被军用卫星通信系统广泛采纳，作为其下行协议和广播通信标准[1]。在DVB-S2系统中，帧是信息交互的基本单位，在ACM工作模式中不同物理帧的调试样式、编码速率和导频特性是可变的，因此必须正确解析每一帧的帧头信息才能完成对该帧的解调和解码。同时，为了在FPGA内实现DVB-S2信号的解调和解码功能，算法的复杂度同样十分重要[2]。
Choi Z.和Lee Y提出了一种对载波频偏和相偏不敏感的CLD帧同步方法[3]，该算法的缺点是运算复杂度高，不利于在FPGA内实现。Gianni A等人基于此算法提出了一种折中方案———D-GPDI算法[4]，保留CLD算法中对频偏的抵消，并将相偏控制在一个恒定值，且算法复杂度更低[5]。Fengwen S等人提出了一种联合PLSC符号特征的帧同步算法[6]，提高了在低信噪比环境下对帧头的捕获能力。但由于其峰值搜索是基于窗函数法，无法应对ACM工作模式下物理帧长可变的场景。在此背景下，有的文献将帧头信息作为辅助信息以优化帧同步的相关运算。闫朝星等人从帧头中提取导频信息，从而决定在搜索帧头时是否考虑导频信息[7]，但是这种复杂度的降低在FPGA器件实现中不会减低对片上资源的消耗。燕展等人则利用帧信息进一步挖掘PLSC的特征，使用二次异或运算消除了源数据带来的不确定影响[8];和文献[7]相比，该算法的复杂度更低。在实现DVB-S2信号解调过程中主要秉持3个原则：①能够工作在低信噪比（最差情况下为-2.35 dB）情况下;②各环节适用于CCM和ACM/VCM模式;③尽可能利用帧内信息（包括帧头和导频）以提高帧头捕获和跟踪的性能。
1 DVB-S2接收系统设计
在DVB-S2的3种工作模式中，CCM和VCM均可看作是ACM工作模式的特殊形式。因此接收系统只需具备对ACM工作模式下DVB-S2的解调和译码即可。提出了一种DVB-S2的接收系统架构，支持ACM模式的DVB-S2接收系统框图如图1所示，在处理顺序上遵循了先解帧头再对帧数据进行解调和译码的逻辑，并使用缓存去弥补帧头解析的时延。即使帧格式在每一帧都改变，该系统也能正确解析，因此具备对ACM工作模式下DVB-S2的非合作接收能力。该系统的输入为中频数字信号及其参数，包括中频频率和信号带宽，输出为译码后的基带帧。
在具体实现上，下变频模块根据信号中频和采样率计算本振频率，并将采样得到的数字信号转换为零中频信号，然后送入符号同步模块。符号同步模块采用Gardener算法提取定时误差，通过立方内插算法（Farrow结构）实现内插，输出1倍符号速率信号。载频估计和补偿模块根据帧头特定信息完成载波频偏的估计和补偿，并将补偿后的数据输入帧同步模块，经差分相关和峰值检测后获得物理帧头位置，再据此提取帧头符号段输入帧头解析模块。后者对帧头依次作帧头解扰和RM译码，从而获取帧长、调制样式、编码速率以及有无导频等参数，并使用这些参数配置后续的处理模块。载波同步模块根据帧头解析得到的调制样式信息完成不同调制方式的载波频率和相位同步处理。载波同步后的数据经自动增益控制（数字AGC）后再依次进行解扰、解映射和解交织，最后由译码模块依次作LDPC译码和BCH译码，并输出FEC帧。
2基于帧信息的低信噪比DVB-S2帧同步算法
2.1 DVB-S2帧同步
DVB-S2由于采用更高阶的调制方式和更好的编码技术，能够在非常低的信噪比（-2.35 dB）下工作。
低信噪比DVB-S2信号帧同步处理过程主要包括两部分：帧头差分相关处理和相关峰值搜索处理。这两部分处理的性能决定低信噪比下DVB-S2信号帧同步性能，进而直接关系到整个接收系统的性能。
2.2一种联合导频段的差分相关算法
2.3一种基于帧信息的相关峰值搜索算法
已有的DVB-S2帧同步中相关峰值搜索算法主要有窗搜索法和门限检测法2类。目前多数研究都使用窗搜索法进行相关峰值搜索，例如张玉龙等人提出的双峰值检测法[9]，在每个观察窗口中记录2个最大峰值位置作为帧头位置候选，然后由判决单元依次滑动窗口并通过比较峰值位置是否连续在3个窗口处于相同位置来捕获帧头。该算法虽在捕获时长（帧数）方面优于单峰值窗搜索法，但仍难以避免窗搜索法的主要问题：一是不支持VCM/ACM模式;二是帧长需为已知，却没有把帧头解析纳入考量进行仿真。而门限检测法的主要问题是检测门限的设置易受信道衰落的影响[10-11]。
3仿真试验
针对本文算法首先在Matlab中进行算法仿真，测试不同信噪比环境下各种算法的帧同步错误率。然后对算法中各级信号进行定点量化，并在Vivado中进行VHDL编程，并用ModelSim工具进行时序仿真，最后在高性能信号处理板中进行功能性验证。
试验环境采用R&S公司SMBV100B矢量信号源产生指定信噪比的标准DVB-S2信号，高速ADC采用ADI公司AD9467，最大采样率250 Msps，分辨率16 bit。FPGA采用Xilinx高性能Kintex UltraScale系列的KU115芯片。
选取G-GPDI算法和SOF+PLSC算法与本文提出的CO-PILOT算法比较，通过Matlab仿真不同信噪比情况下帧同步性能，并记录错误概率。图3为不同信噪比下3种帧同步算法误帧率仿真结果。
3种算法在信噪比较低时也保持了相对较低的错误率，这主要有两方面的原因。首先，帧同步使用经过粗频率估计和补偿后的信号，虽然信号还带有一定的频差和相差，但是3种算法都是基于差分运算，能抵消相差，并把频差带来的误差控制在一个很小的常量Δ/，因此最主要的问题仍是低信噪比;其次，由于物理帧头是基于RM（7，64）编码，带有一定的编码增益，因此少量错误符号并不一定会导致帧同步错误。
对3种算法进行比较，根据前面的分析可知，不管是计入相关值的符号数、算法复杂度以及预期的性能，都是G-GPDI
4结束语
本文设计了一种能满足DVB-S2所有工作模式的系统接收架构，此架构先解析帧头，再根据帧头信息对数据部分作解调。在关键的帧同步算法上，提出了一种结合帧头信息且支持所有工作模式的CO-PILOT算法，在有导频模式下，它能将导频特性纳入帧头相关值的运算中以获取更高的性能，尤其在低信噪比环境中更具优势。本方法具有高度的灵活性和可扩展空间，具有较高的应用价值。
参考文献
[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，魏艳桥，等. IPv6 over DVB在远程教育中的应用[J].计算机工程，2008，34（18）： 248-250.
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[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]闫朝星，王华，匡镜明，等.DVB-S2中基于RM码的ACM模式帧同步设计[J].北京理工大学学报，2011，31（2）：196-200.
[8]燕展，康凯，钟子发.基于SOF+PLSC的新DVB-S2帧同步检测算法[J].计算机应用研究， 2013，30（11）：3445-3447.
[9]张玉龙，陈绪斌，吴川，等.一种改进的DVB-S2接收机帧同步方案[J].计算机工程， 2011，37（2）：258-260.
[10]邸晨旭.DVB-S/S2信道中网页内容的盲提取方法研究[J].无线电工程，2017，47（6）：1-5.
[11]齐青茂，王岩建，张华冲.中频采样全数字接收机的设计与实现[J].无线电通信技术，2012，38（4）：77-80.