幀同步電路的設計

2 同步方案的選擇?

　　幀同步通常采用的方法有逐位調整法和置位調整法^［3,4］。?

2.1 逐位調整法?

　　逐位調整法的基本原理［3］是調整收端本地幀同步碼的相位，使之與收到的總信碼中的幀同步碼對準。收端本地幀同步碼產(chǎn)生后，送入同步碼檢測電路，總信碼也送入同步碼檢測電路。如本地幀同步碼的相位沒(méi)有對準總信碼中的幀同步碼位，檢測電路就輸出一個(gè)一定寬度的扣除脈沖，利用該扣除脈沖將再生主時(shí)鐘脈沖扣掉一個(gè)，使收端的時(shí)間相對于總信碼后移了一位碼元時(shí)間。再生信碼仍按主時(shí)鐘節拍不停的送來(lái)，而本地定時(shí)系統仍保留在原來(lái)位置不動(dòng)，停止的時(shí)間為一個(gè)主時(shí)鐘周期。這樣，同步碼檢測電路相當于檢測下一位信碼。如果下一位的檢測結果仍不一致，則再扣除一位主時(shí)鐘。按這樣搜索下去，直至檢測到與同步碼相同的信碼相位為止。?

2.2 置位調整法?

　　在失幀期間，接收設備時(shí)序發(fā)生器被置于一個(gè)特定的等待狀態(tài)，即接收設備幀狀態(tài)處于特定的預置狀態(tài)；接收碼流逐比特進(jìn)入幀定位信號檢測電路，一旦其中全部n位信碼與規定的幀定位信號碼相同，就輸出一個(gè)控制信號，啟動(dòng)接收設備的時(shí)序發(fā)生器，同時(shí)用接收時(shí)鐘信號來(lái)推動(dòng)他。然后經(jīng)過(guò)一個(gè)檢測周期的時(shí)間檢驗判斷。如果未建立正確的相位關(guān)系，就重復上述過(guò)程；如果確定建立了正確的相位關(guān)系，就保持這種相位關(guān)系并結束搜捕過(guò)程。如果接收碼流中未同步前的任何一段信碼都不出現幀定位碼型，而且幀定位碼中不發(fā)生誤碼，那么只要遇到一個(gè)完整的幀定位碼組就足以建立起同步，可見(jiàn)這時(shí)完成搜捕過(guò)程比較快。由于噪聲的影響，可能存在虛警現象和漏檢現象，使搜捕時(shí)間延長(cháng)。?

2.3 兩種方法的比較

　　在非同步位置上，移位調整法每調整一次都要檢驗一次；而置位調整法只有出現虛警現象時(shí)才檢驗一次?？梢?jiàn)，后者比較節省時(shí)間。

　　在同步位置上，逐位調整法不管幀定位碼中是否出現誤碼總要檢驗一次，而且即使有某種程度的誤碼也可能做出相位關(guān)系的正確判斷；而置位調整法，只要幀定位碼中有誤碼，就一定錯過(guò)了建立同步的機會(huì )?？梢?jiàn)后者會(huì )把搜捕時(shí)間拖長(cháng)。

　　綜合上述兩方面，當合路信號誤碼率較高時(shí)，逐位調整法的平均搜捕時(shí)間較短；當合路信號誤碼率較低時(shí)，置位調整法的平均搜捕時(shí)間較短。數字信道誤碼率按國際推薦常常是相當低的，不可用誤碼率門(mén)限也只有110^-3，一般采用置位調整法比較合適^［3,4］。

3 幀同步系統的設計?

　　本設計采用置位調整法。幀同步單元大致可以分為4塊：幀定位碼檢測單元、同步保護及校核單元、調整單元和幀時(shí)標發(fā)生單元。

　　其原理框圖如圖2所示。?

　　當合路信號pcm串行輸入幀定位碼檢測單元，當檢測到同步時(shí)標時(shí)，輸出一個(gè)同步時(shí)標ps脈沖，他與時(shí)標發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標脈沖pc同時(shí)輸入同步保護及校核單元。在同步保護及校核單元，通過(guò)比較ps和pc同步與否，以及連續同步或不同步的次數，來(lái)判斷系統是否同步。如果不同步，該單元將產(chǎn)生一個(gè)指令，使系統處于待調整狀態(tài)。最后通過(guò)調整單元控制時(shí)標發(fā)生器，調節幀時(shí)標pc出現的相位。然后反復pc和ps比較過(guò)程，使系統同步。

3.1 幀定位碼檢測單元

　　設系統的幀定位碼長(cháng)n=12，幀定位碼為“111100110000”。幀定位碼檢測單元將合路信號串行輸入12個(gè)串聯(lián)的移位寄存器，當檢測到移位寄存器的12個(gè)輸出正好與幀定位碼相同時(shí)，馬上產(chǎn)生一個(gè)同步時(shí)標ps負脈沖，其脈沖寬度為一個(gè)系統時(shí)鐘周期。波形如圖3所示。

3.2同步保護及校核單元

　　在失步狀態(tài)，幀同步檢測電路一旦發(fā)現同步碼，校核計數器就開(kāi)始計數。如果隨后在規定時(shí)刻上又連續發(fā)現(α1)次，即校核計數到α，就確定進(jìn)入同步態(tài)。此處的α稱(chēng)為后方保護計數。在同步狀態(tài)時(shí),由于干擾或中斷，可能使幀同步碼組丟失，這時(shí)要判斷是否真失步，以免錯誤的進(jìn)入捕捉過(guò)程。幀同步檢測電路在規定的時(shí)刻一旦有一次未發(fā)現同步碼,保護計數器就計1。如果隨后在規定的時(shí)刻上又連續(β-1)次未發(fā)現,即保護計數到β,就進(jìn)入失步狀態(tài)。此處的β稱(chēng)為前方保護計數。本設計中,β=4；α=3。波形見(jiàn)圖4。?

　　設計中，通過(guò)比較同步時(shí)標ps和幀時(shí)標pc在時(shí)間上是否對準來(lái)判斷系統狀態(tài)。ps為同步時(shí)標，pc為幀時(shí)標發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標，q1指示了系統的狀態(tài)，q1=0表示系統處于同步狀態(tài)，q1=1表示系統處于捕捉狀態(tài)。如圖4，當pc從低電平跳變到高電平時(shí)，如果ps=0則表示他們同步；如果ps=1則表示他們不同步。如果ps與pc連續4次不同步時(shí)，系統就將判為失步狀態(tài)；若連續3次同步時(shí)，系統就將恢復為同步狀態(tài)。

3.3 調整單元

　　該單元在檢測到q1=1后,就進(jìn)入待調整狀態(tài)。在進(jìn)行調整后,將輸出一個(gè)調整指令。產(chǎn)生調整指令的邏輯關(guān)系可表示為：


　　圖5為調整單元波形。在q1=1時(shí)，即系統失步時(shí)，調整單元開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果檢測到pc與ps不同步，則通過(guò)pc的上升沿把狀態(tài)量q2置為高電平并保持，即q2=1。在q1=1，q2=1的情況下，當檢測到下一個(gè)ps脈沖時(shí)，ps的下降沿會(huì )觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)置位負脈沖m=0；并在時(shí)鐘信號的?控制下，m延時(shí)半個(gè)系統時(shí)鐘周期后重新將置位脈沖恢復為高電平m=1。該置位脈沖用于幀時(shí)標發(fā)生單元復位。

3.4 幀時(shí)標發(fā)生單元

該單元的功能是定時(shí)的產(chǎn)生幀時(shí)標pc，每個(gè)相鄰pc的間隔時(shí)間為一個(gè)幀周期。實(shí)現該功能就是將系統時(shí)鐘計數分頻,計數周期值為一個(gè)幀的長(cháng)度，每隔一個(gè)幀周期就產(chǎn)生一個(gè)pc脈沖，脈沖寬度為一個(gè)時(shí)鐘周期。在幀時(shí)標發(fā)生單元檢測到一個(gè)低電平的復位脈沖時(shí),計數器復位清零并重新開(kāi)始計數。波形如圖6所示。圖中clr為復位清零端；clk為系統時(shí)鐘；pc是發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標。


3.5 同步單元的整體設計

　　我們用VHDL設計完成各模塊，并在MaxPlusII開(kāi)發(fā)軟件上編譯通過(guò)，其設計波形分別已做說(shuō)明。在MaxPlusII開(kāi)發(fā)軟件上采用原理圖輸入方式，根據同步單元各個(gè)功能塊的劃分，將各個(gè)功能模塊連接起來(lái)，同步單元設計如圖7所示。

　　圖中，ZJC模塊是幀定位碼檢測單元；PCFS模塊是幀時(shí)標發(fā)生單元；SBBJ模塊是同步保護及校核單元；TZ模塊是調整單元。輸入端pcm為合路信號碼流，clk為系統時(shí)鐘；輸出端中pc為所需要的幀時(shí)標，其他的輸出為同步單元的一些狀態(tài)參考量， q1指示了系統所處的狀態(tài)是同步還是失步；ps是檢測到幀同步碼后產(chǎn)生的同步時(shí)標；m為調整單元的調整指令。

　　圖8是整體設計在MaxPlusII軟件中的波形圖。在第1個(gè)幀時(shí)標pc脈沖出現時(shí)沒(méi)有同步時(shí)標ps脈沖，則狀態(tài)量q2＝1。該同步系統的前方保護系數β=4，在連續4個(gè)幀時(shí)標pc脈沖與同步時(shí)標ps脈沖不同步后，狀態(tài)量q1＝1。當q1，q2同時(shí)為高電平時(shí)，該系統進(jìn)入搜捕狀態(tài)。由于在下一個(gè)pc脈沖出現前，該系統檢測到了一個(gè)同步時(shí)標（該時(shí)標為偽同步碼產(chǎn)生的），馬上輸出調整指令脈沖m=0。此時(shí)，幀時(shí)標pc脈沖發(fā)生器被置位，重新開(kāi)始計數；狀態(tài)量恢復為q2=0。再經(jīng)過(guò)一個(gè)幀周期，出現了置位后產(chǎn)生的第一個(gè)幀時(shí)標pc脈沖，因為沒(méi)有出現同步時(shí)標ps脈沖，則q2=1。此后，又重新搜捕。當搜捕到同步碼后，如果出現幀時(shí)標pc脈沖與同步時(shí)標ps脈沖連續3次同步（后方保護系數α=3），則表示捕捉成功，系統重新進(jìn)入同步狀態(tài)。圖中，在恢復到同步態(tài)后出現了一個(gè)偽同步碼，由于采取了保護措施（連續４個(gè)幀時(shí)標pc脈沖與同步時(shí)標ps脈沖不同步時(shí)，才判為失步），因此他沒(méi)有影響系統的正常工作。

4 結語(yǔ)

　　置位調整法是幀同步電路設計中通常采用的方法，為降低系統的漏檢概率和虛警概率，設計中采用前方保護和后方保護。同步系統各模塊全部用VHDL編程實(shí)現，整體設計在MaxPlusII軟件中調試通過(guò)。

參考文獻

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