侯仰拴 石 濤 胡玉新

(中國(guó)科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

幀同步格式化器作為衛(wèi)星地面接收站快視系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)從衛(wèi)星下傳的基帶數(shù)據(jù)流中提取幀同步字、成幀處理和數(shù)據(jù)解擾[1－4]。幀同步格式化器分為硬件和軟件兩種，硬件幀同步格式化器速度快，但是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高[5]；軟件格式化器開(kāi)發(fā)周期短，成本低，可配置和移植性強(qiáng)，但是速度一般較低[6]，是制約軟件幀同步實(shí)時(shí)處理的瓶頸。

文獻(xiàn)[7,8]將KMP算法應(yīng)用到軟件幀同步器中，文獻(xiàn)[9]在研究基于 KMP等算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于查找表判決方式的軟件幀同步算法，該算法根據(jù)不同衛(wèi)星同步字的內(nèi)容事先生成一系列的查找表，查找表存于內(nèi)存緩沖區(qū)中，搜索同步字時(shí)，以采集到的遙感數(shù)據(jù)的一個(gè)字節(jié)為地址，取查找表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)判決，這些改進(jìn)算法有效地提高了軟件幀同步處理速度。

由于天線在開(kāi)始和結(jié)束接收數(shù)據(jù)時(shí)，仰角較低，易受到大氣干擾、遮擋或跟蹤捕捉信號(hào)差的原因，會(huì)產(chǎn)生較高的誤碼率，甚至出現(xiàn)大量無(wú)效數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)軟件幀同步方法在處理穩(wěn)定數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，處理速度較快；但是在處理高誤碼率的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)區(qū)時(shí)，由于長(zhǎng)期處于失鎖狀態(tài)，處理效率低，無(wú)法滿足高碼率衛(wèi)星實(shí)時(shí)性要求。

對(duì)于下行碼率較低(低于100 Mbps)的遙感衛(wèi)星，可通過(guò)增加緩存的方法緩解不穩(wěn)定數(shù)據(jù)區(qū)處理效率低的問(wèn)題，但隨著HJ-1C及后續(xù)其它衛(wèi)星數(shù)傳碼率的不斷提高(如部分衛(wèi)星碼率已大于400 Mbps)，增加緩存的方式已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理需求[10,11]，為了解決該問(wèn)題，本文提出了一種基于逆向搜索的實(shí)時(shí)軟件幀同步算法。

2 基于逆向搜索的實(shí)時(shí)幀同步算法

基于逆向搜索的幀同步方法主要思想是：對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分段，數(shù)據(jù)分段方式如圖1所示，搜索態(tài)時(shí)，首先通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前數(shù)據(jù)段尾部數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)段是否包含同步字，如果尾部數(shù)據(jù)檢測(cè)到同步字，說(shuō)明該數(shù)據(jù)段包含數(shù)據(jù)幀，那么再?gòu)脑摂?shù)據(jù)段頭部開(kāi)始逐字節(jié)檢測(cè)同步字，否則直接處理下一數(shù)據(jù)段，并依次類推；校驗(yàn)態(tài)和鎖定態(tài)時(shí)，將相鄰兩段數(shù)據(jù)作為連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)的分段長(zhǎng)度與原始碼流速率、幀長(zhǎng)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存有關(guān)，分段過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致處理實(shí)時(shí)性降低，分段過(guò)短時(shí)在無(wú)效數(shù)據(jù)區(qū)會(huì)頻繁搜索同步字，影響處理效率。碼速率低于 200 Mbps時(shí)，建議分段長(zhǎng)度為 1024倍幀長(zhǎng)；高于 200 Mbps時(shí)，建議分段長(zhǎng)度為2048倍幀長(zhǎng)。將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分組和逆向搜索處理，避免了對(duì)大量連續(xù)無(wú)效數(shù)據(jù)的同步字檢測(cè)，從而提高了幀同步效率。

2.1 基于逆向搜索的幀同步處理步驟

基于逆向搜索的軟件幀同步方法流程如圖2所示，主要步驟為：

(1) 幀同步軟件啟動(dòng)后，對(duì)任務(wù)訂單進(jìn)行解析，獲取衛(wèi)星和傳感器標(biāo)識(shí)，接收和發(fā)送IP、端口號(hào)等任務(wù)信息，根據(jù)任務(wù)訂單讀取參數(shù)文件；

(2) 進(jìn)行初始化，生成同步碼查找表、字節(jié)查找表、字節(jié)對(duì)齊查找表、PN碼解擾數(shù)組等，開(kāi)辟接收和發(fā)送循環(huán)緩存buffer塊隊(duì)列；

(3) 啟動(dòng)數(shù)據(jù)接收、發(fā)送和處理 3個(gè)線程，初始化網(wǎng)絡(luò)端口，并將接收線程設(shè)為監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)；

(4) 接收數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)依次寫(xiě)入到buffer塊隊(duì)列中，寫(xiě)滿1個(gè)buffer塊后，通知處理線程進(jìn)行幀同步處理；

圖1 數(shù)據(jù)分組示意圖Fig.1 Data grouping map

(5) 若當(dāng)前buffer狀態(tài)為不含數(shù)據(jù)幀狀態(tài)，對(duì)其最后 3幀長(zhǎng)度數(shù)據(jù)逐字節(jié)與同步碼位移查找表比對(duì)，若搜索到同步碼，轉(zhuǎn)到步驟(6)處理，否則等待下一buffer塊指針，返回步驟(5)對(duì)其進(jìn)行處理；

(6) 當(dāng)前 buffer狀態(tài)設(shè)定為含有數(shù)據(jù)幀模式，從該buffer塊頭部逐比特搜索，搜索到同步碼后，轉(zhuǎn)到步驟(7)；

(7) 程序進(jìn)入校驗(yàn)狀態(tài)，如果當(dāng)前同步碼位置到該buffer塊結(jié)尾不夠2幀長(zhǎng)度，等待下一buffer塊指針，并將剩余數(shù)據(jù)補(bǔ)充到將該buffer塊前面，組成連續(xù)數(shù)據(jù)。從當(dāng)前搜索到的同步碼位置開(kāi)始跨越1個(gè)幀長(zhǎng)進(jìn)行搜索，檢測(cè)該位置同步碼是否存在位移或比特錯(cuò)誤，若超出容錯(cuò)范圍則校驗(yàn)失敗，轉(zhuǎn)到步驟(8)重新進(jìn)入搜索狀態(tài)，若校驗(yàn)成功則設(shè)定為鎖定態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟(9)處理；

(8) 從當(dāng)前同步碼位置逐字節(jié)進(jìn)行搜索，若檢測(cè)到同步碼，轉(zhuǎn)到步驟(7)處理，否則等待下一buffer塊指針，轉(zhuǎn)到步驟(5)處理；

(9) 程序進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，將當(dāng)前鎖定成功的1幀數(shù)據(jù)逐字節(jié)根據(jù)搜索到的比特移位數(shù)在字節(jié)對(duì)齊查找表中搜索后填充對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，完成字節(jié)對(duì)齊操作，然后將對(duì)齊后的數(shù)據(jù)與預(yù)處理階段生成的解擾表進(jìn)行異或，將結(jié)果填充到輸出環(huán)形buffer中，通知發(fā)送線程發(fā)送數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)到步驟(7)繼續(xù)處理；

(10) 發(fā)送線程接到發(fā)送通知后，對(duì)輸出環(huán)形buffer進(jìn)行檢測(cè)，并將格式化后數(shù)據(jù)發(fā)送到其它處理單元，如果數(shù)據(jù)接收和處理線程結(jié)束返回，格式化數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，幀同步程序退出。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.2.1 分組式幀同步 在同步碼提取模塊中，搜索態(tài)操作對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)起始和失鎖后的搜索階段，在這兩種搜索階段中，衛(wèi)星下行原始碼流的特點(diǎn)為：碼流由不含同步頭或誤碼率較高的數(shù)據(jù)區(qū)過(guò)渡到同步頭和幀長(zhǎng)在容錯(cuò)范圍內(nèi)的區(qū)，最終進(jìn)入較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)區(qū)。

實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐比特同步碼搜索會(huì)占用大量處理時(shí)間，考慮到衛(wèi)星下行原始碼流的特點(diǎn)，在搜索狀態(tài)時(shí)，可以僅對(duì)buffer塊最后3幀長(zhǎng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行逐比特的同步碼搜索，若無(wú)法找到同步碼則認(rèn)為當(dāng)前buffer塊不存在數(shù)據(jù)幀而進(jìn)行整塊的丟棄；若搜索到同步碼則對(duì)該幀從buffer塊的頭部進(jìn)行逐比特的同步碼搜索。

由于衛(wèi)星下傳的數(shù)據(jù)均大于單一buffer塊的容量，在搜索狀態(tài)下可以認(rèn)為若某一buffer塊中含有數(shù)據(jù)幀，則該buffer塊結(jié)尾部分含有幀數(shù)據(jù)。

圖2 幀同步處理流程圖Fig.2 Block diagram of frame synchronization system

根據(jù)抽屜原理，在m幀長(zhǎng)度的隨機(jī)連續(xù)數(shù)據(jù)中至少包含 1m? 個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，對(duì)于同步字長(zhǎng)度為n bit，信道誤碼率為p(假設(shè)每比特誤碼概率相互獨(dú)立)的情況下，該數(shù)據(jù)段包含的 1m? 個(gè)幀同步字中均存在錯(cuò)誤，即可以被程序誤判的概率P為：

由于0＜p＜ 1, P正比于n，取典型值n=64,p = 1×10?5, m= 4可以計(jì)算得P最大值的數(shù)量級(jí)為1×10?10。

特別地，式(1)計(jì)算得到的P為首個(gè)數(shù)據(jù)塊搜索時(shí)的誤判概率，當(dāng)搜索到首個(gè)含幀數(shù)據(jù)塊后，程序開(kāi)始按位搜索同步字直到程序再次進(jìn)入失鎖狀態(tài)，因此其它數(shù)據(jù)塊的搜索不會(huì)因?yàn)楹?幀的誤判導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)塊。

2.2.2 高頻操作建查找表 同步碼提取和字節(jié)對(duì)齊過(guò)程包含許多高頻操作，高頻操作是指要逐比特或逐字節(jié)進(jìn)行處理的重復(fù)操作，如同步碼比對(duì)和比特移位輸出，該處理過(guò)程將占用大量時(shí)間。因此在初始化階段首先建立相應(yīng)的查找表，在處理過(guò)程中的相應(yīng)操作只需要從表中查找相應(yīng)結(jié)果即可實(shí)現(xiàn)，將大大降低處理時(shí)間。

由于數(shù)據(jù)錄入時(shí)的字節(jié)序?yàn)楦弑忍匚辉谇?，低比特位在后，而IBM-PC構(gòu)架的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理方式均為針對(duì)低比特位在前，高比特位在后的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，且計(jì)算機(jī)軟件處理的最小單位為字節(jié)，因此在進(jìn)行移位處理時(shí)因?yàn)閮煞N不同的比特序和字節(jié)序會(huì)導(dǎo)致大量的處理運(yùn)算，影響處理時(shí)間，針對(duì)這種情況，在初始化階段首先建立字節(jié)移位查找表，利用查表代替多次的位移和賦值操作以提高處理速度。

2.2.3 位容錯(cuò)、抗滑幀 同步字詳細(xì)查找時(shí)，采用查表的方式搜索同步字，表中不同的項(xiàng)對(duì)應(yīng)不同比特位移狀態(tài)下的同步字，各項(xiàng)的索引值即為同步字的比特偏移量。搜索表在數(shù)據(jù)處理前生成，并不占用處理時(shí)間，而查表的搜素方式可以加快數(shù)據(jù)處理速度。

同步字預(yù)置查找可以實(shí)現(xiàn)高速的滑動(dòng)容錯(cuò)搜索，對(duì)于位容錯(cuò)搜索采用改進(jìn)的Rabin-Karp搜索方式。對(duì)于同步字的每一位均賦予相同的權(quán)重，進(jìn)行散列變換，結(jié)果為當(dāng)前同步字中的誤碼個(gè)數(shù)。實(shí)際處理時(shí)誤碼個(gè)數(shù)以字節(jié)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該統(tǒng)計(jì)過(guò)程可以通過(guò)在處理前建立查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)各字節(jié)統(tǒng)計(jì)完畢后進(jìn)行求和即可得到當(dāng)前同步字的誤碼個(gè)數(shù)。

2.2.4 靈活、可配置 基于上述優(yōu)化處理算法，可以實(shí)現(xiàn)的幀同步解擾指標(biāo)如下：

(1) 支持不低于 600 Mbps數(shù)傳碼率的實(shí)時(shí)幀同步解擾處理；

(2) 可識(shí)別同步字長(zhǎng)：16 bit至64 bit；

(3) 支持I, Q合路比特交織的幀同步處理；

(4) 幀同步時(shí)間小于3幀周期；

(5) 具備容錯(cuò)和抗滑幀能力；

(6) 位容錯(cuò)能力為3 bit；

(7) 抗位滑動(dòng)能力為3 bit ±；

(8) 具備檢測(cè)與通知錯(cuò)幀能力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能分析

以Visual Studio 2010為開(kāi)發(fā)環(huán)境，在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)(Intel Xeon CPU E5649 @2.53 GHz 8 GB RAM)上對(duì)本文算法進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)選取HJ-1C真實(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，大小為3.82 GB，交織幀長(zhǎng)為1620 Byte。

測(cè)試方案如下：(1)在同步字偏移0 bit和7 bit兩種情況下，利用本文算法和傳統(tǒng)幀同步算法分別對(duì)幀頭數(shù)據(jù)無(wú)誤碼，錯(cuò)3 bit，多3 bit以及少3 bit數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步處理，以檢驗(yàn)本文算法位容錯(cuò)及抗滑幀能力，傳統(tǒng)幀同步算法是指已使用查找表處理，但不進(jìn)行數(shù)據(jù)分段的軟件幀同步方法，測(cè)試結(jié)果如表1所示。(2)利用本文算法和傳統(tǒng)算法對(duì)含有連續(xù)無(wú)效數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步、解擾，無(wú)效數(shù)據(jù)(置于測(cè)試數(shù)據(jù)的前端)所占比例分別為 0%, 20%,40%, 60%, 80%以及100%，以檢驗(yàn)本文算法對(duì)連續(xù)無(wú)效數(shù)據(jù)的處理能力，測(cè)試結(jié)果如表2所示，對(duì)比圖如圖3所示。

表1 測(cè)試1結(jié)果Tab.1 Result of testing 1

測(cè)試(1)說(shuō)明本文算法是有效的，在容錯(cuò)和抗滑幀范圍內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)漏幀和錯(cuò)幀，測(cè)試(2)說(shuō)明隨著連續(xù)無(wú)效數(shù)據(jù)量的增加，傳統(tǒng)幀同步算法效率會(huì)越來(lái)越低，而本文算法效率則會(huì)不斷提高。極端情況下，如果數(shù)據(jù)全部為無(wú)效數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)幀同步算法速度只有206.7 Mbps，而本文算法可達(dá)到15445.9 Mbps。

表2 測(cè)試2結(jié)果Tab.2 Result of testing 2

圖3 本文算法與傳統(tǒng)算法處理速度對(duì)比圖Fig.3 Processing speed comparison of two methods

4 在HJ-1C衛(wèi)星實(shí)時(shí)快視系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

HJ-1C為國(guó)內(nèi)首顆民用SAR衛(wèi)星，數(shù)傳數(shù)據(jù)通過(guò)兩個(gè)物理通道下傳，單通道碼速率為160 Mbps。由于在數(shù)據(jù)形成時(shí)將 SAR的距離向分前后兩部分分別在兩個(gè)數(shù)傳通道中下傳，因此在SAR成像處理過(guò)程中，需要將兩個(gè)通道數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，才能形成完整的SAR圖像。圖4為HJ-1C快視系統(tǒng)流程圖，衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)，按照特定碼速率雙通道下傳衛(wèi)星數(shù)據(jù)，地面接收系統(tǒng)經(jīng)跟蹤、解調(diào)得到兩路串行數(shù)字信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)通道開(kāi)關(guān)發(fā)送到指定的記錄器[12,13]，記錄器再將記錄的兩路原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到快視系統(tǒng)，快視系統(tǒng)對(duì)兩路原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行幀同步、解擾、去格式化，然后進(jìn)行雙通道數(shù)據(jù)拼接和SAR成像處理，最后將圖像數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到移動(dòng)窗顯示，圖5為HJ-1C快視影像。為了減少兩路幀同步數(shù)據(jù)時(shí)延的不一致性對(duì)數(shù)據(jù)拼接造成的影響，對(duì)幀同步處理的時(shí)效性提出了更高的要求。目前，在中科院遙感衛(wèi)星地面站的HJ-1C全分辨率實(shí)時(shí)快視系統(tǒng)中的幀同步與解擾模塊即采用了本文所提出的幀同步算法。自HJ-1C成功發(fā)射后，該系統(tǒng)一直在地面站穩(wěn)定運(yùn)行，表明本文所提出的幀同步算法的有效性。

圖4 快視系統(tǒng)流程圖Fig.4 Block diagram of quick look system

圖5 HJ-1C快視影像Fig.5 HJ-1C quick look image

5 小結(jié)

本文提出的基于逆向搜索的實(shí)時(shí)軟件幀同步算法通過(guò)對(duì)高頻操作以及大量使用的相似性操作建立查找表，提高了效率，減少了處理時(shí)間；通過(guò)引入容錯(cuò)機(jī)制，在幀同步過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)位容錯(cuò)和滑動(dòng)容錯(cuò)；充分利用計(jì)算機(jī)對(duì)于字節(jié)處理的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于原始數(shù)據(jù)不進(jìn)行IQ比特的分離，對(duì)于IQ兩路數(shù)據(jù)直接采取合并處理的方式進(jìn)行同步，避免了數(shù)據(jù)分離與合并的操作，提高了處理效率，同時(shí)也防止雙路輸出導(dǎo)致的IQ路數(shù)據(jù)時(shí)間同步的問(wèn)題；通過(guò)配置文件實(shí)現(xiàn)去傳感器化，將同步字、幀長(zhǎng)度、擾碼文件位置等信息存放在配置文件中，只需改變?cè)撆渲梦募械男畔?，即可兼容多衛(wèi)星多傳感器數(shù)據(jù)，極大提高了該算法的靈活性和實(shí)用性，目前本文提出的幀同步算法已成功應(yīng)用于中科院遙感衛(wèi)星地面接收站HJ-1C快視系統(tǒng)中。

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