一种精确帧同步算法及FPGA实现

第２３卷　第２期　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．２　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１５年１月　Ｊａｎ．２０１５　一种精确帧同步算法及ＦＰＧＡ实现　王梦源，闰峥，陈昕　（中国空间技术研究院北京１０００８６）　摘要：帧同步算法通过检测帧头信息，使接收机从接收数据流中提取帧起始时刻和初始频偏，以引导解调环路恢复　出有效数据。本文首先简要介绍了基于相关的经典帧同步算法原理，然后分析了信道环境对相关性能的影响，最后详　细描述了一种经过改进的精确帧同步算法及其ＦＰＧＡ实现结果。该算法综合采用了分段本地相关、分段延迟相关和　动态检测门限．有效解决了在大频偏和强噪声环境下的捕获虚（漏）警问题，并通过过采样和平滑提高了帧起始时刻　与初始频偏的捕获精度，使解调环路锁定更快。测试表明，该算法复杂度适中，在低信噪比、高频偏环境下也具有优异　性能．适合应用于卫星通信接收机。　关键词：帧同步；相关；ＦＰＧＡ；卫星通信接收机　中图分类号：ＴＮ９１１．７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１５）０２—０１５１－０４　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ＷＡＮＧ　Ｍｅｎｇ—ｙｕａｎ，ＹＡＮ　Ｚｈｅｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｉｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆｓｅｏ１３ｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｆｒａｍｅ　ｈｅａｄｅｒ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ａ　ｆｒｌａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｅｘｔｒａｃｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｈｅａｄｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｆｒｏｍ　ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｄａｔａｓ．ｔｈｅｓｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＂ｗｉｌｌ１ｃａｄ　ｔｈｅ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｌｏｏｐｓ　ｔｏ　ｒｅｃｏｖｅｒ　ｖａｌｉｄ　ｄａｔａ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，Ｗｅ　ｆｉｒｓｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄ　ｃｌａｓｓｉｃ　ｆｒａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ，ｔｈｅｎ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｉｔｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｅｇｍｅｎｔａｌ　ｌｏｃａｌ／ｄｅｌａｙ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｓｏｌｖｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｆａｌｓｅ．ａｌａｒｍ　ａｎｄ　ｆａｌｓｅ－ｄｉｓｍｉｓｓａｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｔｒｏｎｇ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ，ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｐｔｕｒｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｆｒａｍｅ　ｈｅａｄｅｒ　ｓｔａｒｔ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｉｎｉｔｉａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｏｖｅｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｌｏｏｐｓ　ｌｏｃｋ　ｆａｓｔｅｒ．Ｔｅｓｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｍｏｄｅｒａｔｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ａｎｄ　ｆａｖｏｕｒａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｅｖｅｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｔ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｒａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ；ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　在卫星通信系统中。发送端通常利用不同的分组时隙同　内的最大能量值作为检测到的符号临界点。帧同步算法主要　步传送处在同一传输频带内的各路信号，而接收端为了准确　识别和分离出数据流中的各路信号，需要采用帧同步算法进　行分组检测和符号同步，其中分组检测用来识别数据分组，　符号同步用来寻找到数据分组的确切起点。　本文首先描述了经典帧同步算法原理，然后分析了信道　环境对相关性能的影响。给出了在噪声和频偏情况下相关峰　有２类：一类是以帧头自相关为基础的延迟相关算法＿ｌ－２１，该　算法具有较大的频率偏移容限［３１，在低信噪比和多径信道下，　其自相关曲线在峰值附近变化平缓．无法精确指示帧起始　点　；一类是以帧头互相关为基础的本地相关算法，该算法具　有锐利的尖峰。能准确指示帧起始点，抗噪声和多径能力强，　但是对频率偏移很敏感［Ｓｌ。　值变化规律．最后提出了一种基于分段互相关加分段延迟相　关的精确帧同步算法。以及该算法的ＦＰＧＡ实现。　为了改进帧同步算法的性能，一种方法是优化本地相关　算法［６　７１，通过补偿频率偏移来保证锐利的尖峰。文献［６】采用　了分段互相关加上能量累积，该算法虽然通过分段降低了频　率偏移对峰值幅度的影响．但是它在分段较多时的相关峰就　已经不是锐利尖峰，而且采用了能量归一化和固定的门限阈　值，既增加了复杂度，又存在一定虚（漏）警风险。文献【７】将接　１经典帧同步算法原理　帧同步算法的基本原理是利用接收信号中帧头序列的　相关特性进行能量累积，当检测到相关器产生的能量值大于　门限阈值时，就认为检测到数据分组，然后将搜索门限阈值　收信号分为多路，采用类似并行扫频的方式，使每一路采用　＿———＿＿ｉ　鬲　；　４（　不同的载波频率值对接收信号进行频率补偿，其中必有一路　一作者简介：王梦源（１９８１一），男，湖南张家界人，硕士研究生，工程师。研究方向：卫星通信系统及信号处理技术。　ｌ５１—　邓凌煊，等　一种ＣＯＲＤＩＣ协处理器核的设计与实现　机．也可以被用于其他有大量实时性计算需求的嵌入式系　统中。　参考文献：　【５】Ｊｅａｎ—Ｍｉｃｈｅｌ　Ｍｕｌｌｅｒ．Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｍ】．Ｂｏｓｔｏｎ：Ｂｉｒｋｈａｕｓｅｒ，２００５．　【６］王思聪，文治平，于立新．空间用ＣＯＲＤＩＣ处理器的结构级　［１］闰捷，徐晓苏，李瑶，等．基于ＤＳＰ与ＦＰＧＡ的嵌入式组合导　航计算机系统设计［Ｊ］．测控技术，２０１３，３２（１２）：６１—６４　ＹＡＮ　Ｊｉｅ，ＸＵ　Ｘｉａｏ－ＳＵ，ＬＩ　Ｙａｏ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　设计方法［Ｊ］．微电子学与计算机，２００６，２３（８）：５７—６０．　ＷＡＮＧ　Ｓｉ・ｃｏｎｇ，ＷＥＮ　ＺＨｉ—ｐｉｎｇ，ＹＵ　Ｌｉ—ｘｉｎ．　１１ｌｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｄｅｓｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ＣＯＲＤＩＣ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｐａｃｅ［Ｊ】．　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２００６，２３（８）：５７—６０．　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ［Ｊ］．　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３，３２（１２）：６１－６４．　［７】Ｍｕｎｏｚ　Ｄ　Ｍ，Ｓａｎｃｈｅｚ　Ｄ　Ｆ，Ｌｌａｎｏｓ　Ｃ　Ｈ，ｅｔ　ａＬ　ＦＰＧＡ　ｂａｓｅｄ　ｌｆｏａｔ－　ｉｎｇ—ｐｏｉｎｔ　ｌｉｂｒａｒｙ　ｆｏｒ　ＣＯＲＤＩＣ　ｌｇｏｒａｉｔｈｍｓ［Ａ］．Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　［２］Ｔｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ　ＤＳＰ　Ｌｉｂｒａｒｙ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｒ’Ｓ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｂ／ＯＵ．（２０１３）．ｈｔｔｐ．．／／ｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ．ｃｎ／ｌｉｔ／ｕｇ／ｓｐｒｕ５１８ｃＹ　ｓｐｒｕ５１８＆ｐｄ￣　Ｌｏｇｉｃ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＳＰＬ）２０１０　ＶＩ　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ［Ｃ］／／Ｉｐｏｊｕｃａ，２００５：　５５—６０．　【３　Ｖｏｌ３］ｄｅｒ　Ｊ　Ｅ．Ｔｈｅ　ｂｉｒｔｈ　ｏｆ　ＣＯＲＤＩＣ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＶＬＳＩ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，２５（２）：１０１—１０５．　［８】Ｓａｒｂｉｓｈｅｉ　Ｏ，Ｒａｄｅｃｋａ　Ｋ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｆｉｘｅｄ－Ｐｏｉｎｔ　Ａｃｃｕｒａｃｙ　Ａｎａｌ。　ｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＦＦＴ　Ｕｎｉｔｓ　ｗｉｔｈ　ＣＯＲＤＩＣ　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ　［４】Ｗａｌｔｈｅｒ　Ｊ　Ｓ．Ｔｈｅ　ｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｕｎｉｆｉｅｄ　ＣＯＲＤＩＣ［Ｊ］＿Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＶＬＳＩ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，２５（２）：１０７一ｌ１２．　【Ａ】．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　（ＡＲＩＴＨ），２０１　１　２０ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｓｙｍ—　ｐｏｓｉｕｍ［Ｃ］／／Ｔｕｂｉｎｇｅｎ，２０１１：６２－６９．　（上接第１５４页）　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＩＥＥＥ　８０２．１６　ＯＦＤＭ　ｓｙｓｔｅｍｓ　频偏估计算法［Ｊ］．电子与信息学报，２００６，２８（５）：８４０—８４３．　ＷＵ　Ｔｕａｎ－ｆｅｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｘｉ－ｇｅｎ，ＬＩ　Ｊｉ－ｐｉｎｇ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＦＴ　ｆ０ｒ　ｆｌａｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｆＣ］／／ＩＥＥＥ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｗｉｍａｘ　Ｓｙｎｐｏｓｉｕｍ，２００７：１７－２１．　【９］ＷＵ　Ｊｉａｎ－ｍｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｙｕｎ，ＺＥＮＧ　Ｘｉａｏ－ｙａｎｇ，ｅｔ　１ａ．Ｒｏｂｕｓｔ　ｔｉｍ—　ｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｒｆ　ＤＴＭＢ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，５３（４）：１３４８—　１３５２．　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ叨．Ｊｏｕｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　２００６，２８（５）：８４０－８４３．　【ｌ２］皮世杰，黄登山，龚诚．部分匹配滤波器在高动态卫导信　号快捕的应用【Ｊ】．通信技术，２００８，４０（１）：６—８．　［１０］Ｇｏｒａｚｚａ　Ｇ　Ｅ，Ｐｅｄｏｎｅ　Ｒ，Ｖｉｌｌａｎｔｉ　Ｍ．Ｆｒａｍｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕ０ｕｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｗａｒｄ　ＰＩ　Ｓｈｉ－ｊｉｅ，ＨＵＡＮＧ　Ｄｅｎｇ—ｓｈａｎ，ＧＯＮＧ　Ｃｈｅｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＭＦ　ｉｎ　ｈｉｇｈ－ｄｙｎａｍｉｃ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｉｎｋ　ｏｆ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｓａｔｅｌ１．Ｃｏｍｍｕｎ．Ｎｅｔｗｏｒｋ．．　２００６（２４）：１８５—２０１．　ｆａｓｔ　ｃｏｄｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｏｎ［Ｊ】．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，　４０（１）：６—８．　［１１】吴团锋，杨喜根，李际平．一种基于ＦＦｒ的联合帧同步和　Ｄｉｏｄｅｓ沟槽型超级势垒整流器提高下一代充电器效率　Ｄｉｏｄｅｓ推出全新两款采用了旗下专利沟槽型超级势垒整流（Ｔｒｅｎｃｈ　ＳＢＲ１技术的器件ＳＢＲＴ１５Ｕ５ＯＳＰ５及ＳＢＲＴ２ＯＵ５０ＳＬＰ．　能够实现下一代电池充电器对效率和温度的严格要求。　两款全新沟槽型超级势垒整流器具有超低正向电压、低漏电流，并以较低的温度工作．有效满足充电器输出整流二极管的　要求，从而易于处理３６　ｋＨＺ断续模式充电器设计的较短电流脉冲。　Ｄｉｏｄｅｓ推出的两款器件包括适合１０Ｗ智能手机充电器的ｌ５　Ａ　ＳＢＲＴ１５Ｕ５０ＳＰ５，以及为ｌ２．５　Ｗ平板电脑充电器而设的　２０　Ａ　ＳＢＲＴ２０Ｕ５０ＳＬＰ。这类充电器的设计日益纤薄小巧，而且对效率和温度有严格的要求，传统的肖特基（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ１二极管解　决方案已经无法配合。　．　ＳＢＲＴ１５器件在１５　Ａ的电流下，正向电压为０．４７　Ｖ；ＳＢＲＴ２０器件则在２Ｏ　Ａ的电流下达到０．５　Ｖ的正向电压．加上＋９０　ｏＣ　的工作温度，可尽量减少导通损耗并提高充电器效率。ＳＢＲＴ１５及ＳＢＲＴ２０在＋１２５　ｏＣ的高温下．分别达到１０５　ｍＡ和１００　ｍＡ的　低反向漏电流。有助于把阻断模式损耗降到最低。　ＳＢＲＴ２０Ｕ５０ＳＬＰ及ＳＢＲＴ１５Ｕ５０ＳＰ５是完善的沟槽型超级势垒整流产品系列首两款面世的整流器．提供从１０　Ｖ到１００　Ｖ　宽广的反向电压范围、０．２　Ａ到４０　Ａ的电流处理能力，以及多种不同的封装选择，包括Ｄｉｏｄｅｓ旗下节省空间的ＰｏｗｅｒＤＩ１２３、　ＰｏｗｅｒＤＩ５和ＰｏｗｅｒＤＩ５０６０　咨询编号：２０１５０２１００１　一ｌ５９－