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在深空通信、扩频通信等极弱信号或强干扰场景下,通信系统的信噪比会非常低(-10d B以下)。本文研究该极低信噪比条件下的帧同步问题,设计新的帧标识码以及帧同步检测算法,并完成帧同步方案的物理实现。通过分析常用帧同步方法可看出,帧标识码很大程度上决定了基于相关检测的帧同步性能。针对帧标识码的优化,本文分析了常用的巴克码序列和优选同步序列,设计帧标识码为13比特巴克码序列和48比特优选同步序列的复合序列,并对这一复合序列的自相关特性做了简要分析。在已有帧标识码的基础上,设计“极大二次相关检测”算法,使用极大值检测替代传统的最大相关值检测,提出“相关阵列”的概念,设计“二次相关检测”法,解决了工程上超长相关复杂度高和门限选择难度大等问题,优化了帧同步性能。建立基于样值点的帧同步检测数学模型,分析了帧同步检测算法的性能。根据接收数据与本地标识码的偏移量的不同,得到相关计算结果的概率分布函数,极大值判决的概率分布函数和二次相关检测的概率分布函数,最后得到传统相关法和“极大二次相关检测法”的正确检测概率公式。在高斯白噪声信道下,仿真分析了传统相关法和“极大二次相关检测法”的帧同步性能,结果表明当门限值固定时,假同步概率随着信噪比的增加而降低;在相同信噪比条件下,假同步概率随门限的增加而降低。对于“极大二次相关检测”法,当门限值为600,信噪比为-21d B时,假同步概率为10%;当信噪比为-15d B时,假同步概率为0.2%;相比于传统帧同步算法,该算法性能提高至少10d B的信噪比增益,同时其帧同步性能随门限变化的灵敏度低,降低门限选择难度。为兼顾漏同步和假同步性能,本文提出两种基于多状态机制的帧同步检测模式:方案1-“连续检测N帧同步”和方案2-“固定N帧累加同步”。在方案1中,N帧中至少有K帧同步检测成功系统进入同步态,针对N?K?3的案例,相比于帧同步首次捕获,在假同步概率为310?时获得5d B的信噪比增益;但当信噪比小于-20d B时,系统漏同步概率大于4.2%。设计N?7,K?4的案例,有效的改善了漏同步问题。随着N的增加,两种方案的假同步性能都不断提升,并趋于饱和。相比于方案1,方案2在假同步概率为410?时获得1d B信噪比增益,也实现对同步态的保护。采用“射频FMC卡(FMC30RF)+基带FPGA卡(ML605)+PC”架构方式的硬件验证平台,发送端随机产生16帧数据周期循环发送,接收端获得8倍带宽A/D样值数据流,完成帧同步算法的物理实现,验证了其可实现性。