高误码率条件下FM遥测的帧同步模块的适应性设计.doc

高误码率条件下FM遥测帧同步模块适应性设计王二建1王 鑫2（1.2中国卫星海上测控部，江苏江阴，214431）摘 要：针对在某次试验任务遥测本机存盘数据和固态记录器回放数据中，部分数据帧极性出现翻转；固态记录器回放数据中，时间码出现翻转（乱码）问题，本文详细分析了原有遥测数据接收、解调和存储方式，对上述问题进行分析定位，提出解决方案，并进行验证，使问题得到有效解决。关键字：遥测系统 误码率 同步器 串行处理器中图分类号：TN919.5 文献标识码：BThe adaptability design of the FM telemetry frame synchronization in the condition of high bit error rateWangErjian1 WangXin2 (1.2 Satellite Marine Tracking and Control Department of China, Jiangyin 214431，China)Abstract：In one experiment ,some data frame polarity, saved in the local machine and the solid-state recorder, shows that it was reversed, and the time codes also shows in disorder. This paper analyzes the original telemetry data reception、demodulation and storage，analyzes and position the problems，proposes a solution and validates its correctness which makes the problems solved effectively.Key words: telemetry system, bit error rate, frame synchronizer, serial processor1引言在某次试验任务中，由于信息传输链路的带宽的限制，以及试验任务的特殊要求，遥测系统接收解调的遥测数据在本地硬盘存储的同时，还使用具有特殊功能的固态记录器存储，以确保本地硬盘损坏的情况下，通过读取固态记录器存储数据获得目标遥测信息。在某次数据分析中，发现遥测系统存盘数据异常，这将给事后数据处理和分析增加困难。此次异常现象主要表现为：1）基带本机存盘文件和记录器回放的存盘文件中，部分数据帧极性出现翻转；2）固态记录器回放数据中，时间码出现翻转（乱码）。为了获得正确有效的遥测数据，必须对上述问题进行分析定位。2 遥测数据接收、解调和存储方式FM接收采用检前最大比极化分集合成技术，可有效改善信号衰落的影响，提高接收的信号质量和可靠性。经过分集合成后的信号进入载波接收模块，在载波接收模块中完成FM信号的解调，解调后的信号进入数据同步处理模块。数据解调处理模块分成码同步模块、帧同步模块和副帧同步模块三个相对独立的子模块，其中码同步模块主要负责提取码同步信号，进行最佳码元判决，帧同步模块的主要功能是接收来自码同步器的PCM串行信号和同步时钟。图2 串行数据输出模块接口框图调频接收机将帧同步恢复的数据以帧为单位送到串行数据输出模块（图2），串行数据输出模块在每帧数据添加当前时码及副帧信息，得到需要发送给记录器的数据。由于对已有数据添加时码，数据对外发送速率大于接收速率。此时数据格式为：时码副帧计数数据帧同步码组3 问题定位及分析基于引言中出现的现象，对FM遥测基带选择反码副帧数据格式，依次做了如下测试：（1）在无噪条件下，存盘数据无翻转现象；（2）在数据误码率为10-4数量级时，存盘数据无翻转现象；（3）强噪声条件下，数据误码率为10-2数量级时在存盘文件中发现了数据翻转； 对FM遥测基带出现部分数据翻转的存盘数据进行分析发现：数据翻转出现的位置在反码副帧数据之后的第二帧开始。当反码副帧之后的第一个子帧的帧同步码的误比特数大于帧同步的锁定容错设置值时，反码副帧的后的第二个子帧的数据便会出现翻转。因此，原因定位于FM遥测接收机的帧同步模块对高误码率情况下的适应性设计。任务存盘数据出现翻转位置的示意图如图3所示.数据帧序号任务文件备注数据区时码帧同步字NAA AA AA AA AA正常值EB90正常帧N+1AA AA AA AA AA正常值146F反码副帧N+2AA AA AA AA AA正常值EB93反码副帧后的一个帧同步字超出容错N+355 55 55 .55 55野值146F出现翻转N+455 55 55 .55 55野值146F出现翻转N+5AA AA AA AA AA正常值146F数据和时码恢复正常N+6AA AA AA AA AA正常值EB90数据和时码恢复正常图3 任务存盘数据出现翻转位置的示意图针对任务文件和测试时发现的问题，对FPGA电路代码进行了仔细排查。FM遥测基带采用具有自动数据极性纠反功能的帧同步设计，当连续三帧数据中有二帧的帧同步码出现极性反相时，判定数据出现了极性反相。发现在帧同步的校核和锁定状态下，当帧同步误码数量小于参数设置的容错值时，每帧进行一次帧同步码的翻转状态检测；当帧同步码的误码数量大于容错设置值时，数据极性将保持上一帧的判决结果。3.1部分数据帧极性出现翻转正常情况下，数据中出现反码副帧时，由于在多个子帧中仅出现一个数据翻转的帧同步字，不会导致数据误判为翻转。而由于任务数据的误码率很高，在反码副帧后的下一个帧同步字的误码数量大于容错设置值（设置值为1，实际出现2bit错误），该帧的数据极性将保持上一帧的判决结果，即维持反相状态。这样，相当于连续出现了两帧反相数据，满足极性翻转条件，后续数据发生了错误的翻转。该故障现象出现需要同时具备三个条件：反码副帧、高误码率（误码出现在反码副帧后一个子帧的帧同步码上）、较小的锁定容错（误码个数超过锁定容错值）和较大的锁定帧数（在误码较大时帧同步保持不失锁）设置。其中任何一个条件不满足，不会出现该现象。3.2 记录回放数据部分时码出现翻转FM遥测解调数据插入时码后送给记录器记录解调后的数据，当数据回放时，回放数据中包含了时码信息。FM遥测基带接收该回放数据时仍需要进行帧同步处理（帧长相比实时解调数据多了8个字节的时码数据），在帧同步后将不再插入当前的时码信息。FM遥测基带针对相同误码的回放数据进行的帧同步仍会导致数据翻转状态的判决错误，仍将导致回放数据的再次翻转，时码信息作为数据一起被翻转，因此看到时码出现野值。这两个现象为同一问题的两个现象。4 解决方案及验证4.1解决方案针对数据翻转情况的现象分析，该问题定位于FM遥测接收机的帧同步模块对高误码率情况下的适应性设计问题。事后对FPGA代码进行了部分修改，修正策略为：（1） 在帧同步的校核和锁定状态下，当帧同步的误码数量小于参数设定的容错值时， 每帧进行一次帧同步码的翻转状态检测；当帧同步码的误码数据量大于容错设置值时，加严对数据极性的判断（只有当前帧同步码组与设定值逐位异或，不同的数据位数量大于帧同步码码长一半时，才判断为翻转），不再保持上一帧的判决结果。这样当反码副帧之后的数据出现超过容错值的误码数量时，帧同步功能仍然能够进行正常的数据翻转判断。（2） 同时，由于记录器回放状态不存在极性翻转问题，FM遥测基带用于接收记录器回放数据的帧同步模块不再进行极性纠反，防止将已记录的数据再次翻转。为验证上述策略完善的有效性，进行了如下验证试验：4.1验证试验1） 修改调制模拟源加载文件，令文件中存在反码副帧（0x146F）后的一个帧同步码组超过容错设置值（应为0xEB90，改为0xEB93），以验证数据极性翻转问题；以及连续的3帧帧同步码组超过容错设置值（应为0xEB90，改为0xEB93），以验证帧同步失锁和重新入锁状态；2） 设备工作于自闭环状态。先启动遥测存盘和记录器记录，再开启文件模飞；30秒后，断开调制器输出，然后停止记录器记录，停止遥测存盘，形成硬盘文件A；3） 将工作模式设为记录器回放，启动遥测存盘，然后回放记录器记录文件，基带解调后形成硬盘文件B；4） 对比FPGA代码修改前后的文件A和文件B。以上步骤1）4）分别对修改前状态和修改后状态进行操作，得到以下比较结果。图5 翻转问题修改前后数据比较结果图5中数据为接收记录器回放数据的情况，左边为修改前的接收情况，右边为修改后的接收情况；当在反码副帧0x146F之后一帧的帧同步码组超过容错设置时，原状态会判定为数据翻转，数据区翻转为0x55；修改后不会判定翻转，数据仍保持正常。图6 翻转问题修改前后时码比较结果图6中数据为接收记录器回放数据的情况，上边为修改前的接收情况，下边为修改后的接收情况。当在反码副帧0x146F之后一帧不能判决为锁定时，原状态会判定为数据翻转，由于接收记录器回放数据时，时码被当成数据的一部分，所以时码也会被同样翻转；修改后不会判定翻转，数据仍保持正常，故时码也正常。5 结论一般来说，当信噪比满足遥测系统设计要求时，遥测信号正常接收、解调和存储的数据不会出现问题，但在信噪比不满足遥测系统设计要求，即在强噪声、高误码率条件下，由于帧同步模块的适应性设计问题，导致了数据翻转和时间码出现野值问题。通过重新设计