基于FPGA的幀同步系統設計方案

　　在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上對方案中設計的幀同步系統進(jìn)行了實(shí)現，利用Modelsim 6.0軟件進(jìn)行了仿真測試。仿真結果表明，本方案設計的同步系統工作穩定，滿(mǎn)足性能要求。

　　0 引言

　　在數字通信系統中，發(fā)送端一般以一定數目的碼元組成一個(gè)個(gè)“字”或“句”，即組成一個(gè)個(gè)數據幀進(jìn)行 傳輸，因此幀是數據傳輸的基本單位。不同的通信系統具有不同的幀結構。幀一般分為幀同步碼和數據兩部分，幀同步碼用于標志幀的起始位置;數據則是需要傳輸 的有效碼元。幀同步碼組的插入方法主要有兩種：集中式插入法和間隔式插入法。集中式插入法就是在每幀的開(kāi)頭集中插入幀同步碼組的方法;間隔式插入法則是將 幀同步碼組分散插入到數據流中，即每隔一定數量的信息碼元插入一個(gè)幀同步碼元。本文主要提出一種集中式插入法幀同步的FPGA的設計方案。

　　一般來(lái)講，幀同步在位同步之后才能進(jìn)行。雖然信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)過(guò)分頻得到，但是幀的起始和末尾時(shí)刻則無(wú)法由位同步信號分頻確定。幀同步的主要任務(wù)就是要獲取每個(gè)數據幀的起始及結束位置。隨著(zhù)可編程邏輯器件的發(fā)展，采用FPGA實(shí)現幀同步等數字系統具有速度快、使用方便、可編程配置各種參數等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而得到了越來(lái)越廣泛的應用。

　　1 集中式插入法幀同步的原理及流程

　　1.1 集中式插入法幀總體結構

　　集中式插入法是指在每幀數據的開(kāi)始位置集中插入幀同步碼序列的方法。在這種同步傳輸方式中，被傳輸 的數據比特被編成幀，每幀包括多個(gè)數據，幀的首部加一個(gè)幀同步碼組(也稱(chēng)為幀的標志字)，記作U，其長(cháng)度為M(單位：b)，幀內的數據比特數為D.接收端 對接收的比特流進(jìn)行搜索，一旦檢測到標志字U，就知道了一幀數據的開(kāi)始，并據此對幀內的數據進(jìn)行分組處理，以此建立起同步傳輸機制。集中式插入法的數據幀 格式如圖1所示。

　　顯然，幀同步碼組必須滿(mǎn)足一定的條件：首先，同步碼組要求盡量與所要傳輸的數據不同，以免將數據誤 認為是同步碼組;其次要求幀同步碼組具有尖銳單峰的自相關(guān)特性，以便于接收端進(jìn)行正確檢測;第三個(gè)要求是長(cháng)度不能太長(cháng)，以免占用過(guò)多的信道資源。目前常用 的幀同步碼組主要有廣義巴克(Barker)碼序列，一些系統也使用具有偽隨機特性的m序列作為同步碼組。

　　1.2 幀同步的幾種狀態(tài)

　　根據幀同步搜索的原理，在幀同步搜索過(guò)程中顯然存在假鎖的可能性(也稱(chēng)虛警概率)，因為數據比特所 構成的碼序列，或部分的標志字與部分的數據比特所構成的長(cháng)度為M 的碼序列也有可能滿(mǎn)足檢測條件，而被誤認為U.因此，為了提高幀同步系統的性能(減小假鎖的概率，鎖定后盡量增加同步的穩定性)，工程上通常通過(guò)增加同步 流程的復雜性來(lái)實(shí)現改善性能的目的。一般來(lái)講，將幀同步的過(guò)程分為三個(gè)狀態(tài)：搜索態(tài)、校核態(tài)和同步態(tài)，其狀態(tài)轉移圖如圖2所示。

　　搜索態(tài)：在數據接收的起始時(shí)刻，或幀校核時(shí)出現未同步幀，或同步態(tài)時(shí)發(fā)現有多個(gè)連續幀未同步時(shí)轉入搜索態(tài)。搜索態(tài)下，程序在數據流中持續搜索幀同步碼，當從接收到的比特流中找到幀同步碼時(shí)，表明已搜索到了一個(gè)同步幀頭，此時(shí)輸出一個(gè)脈沖信號，系統可進(jìn)入校核態(tài)。

　　校核態(tài)：若連續經(jīng)過(guò)N 幀同步碼確認搜索態(tài)中找到的幀頭正確，則系統可立即轉入同步狀態(tài);否則說(shuō)明存在假同步，需要返回搜索態(tài)重新對幀同步碼進(jìn)行搜索。由首次搜索到幀同步頭到進(jìn)入同步態(tài)的N 幀時(shí)間叫做后方保護時(shí)間。

　　同步態(tài)：幀同步系統處于同步狀態(tài)時(shí)，若沒(méi)有出現連續M 幀數據未同步，則保持在同步狀態(tài)?？紤]到接收的數據流中可能受外界干擾而存在誤碼，在同步狀態(tài)中只有連續M 幀丟失同步碼才進(jìn)入失步狀態(tài)，并返回搜索態(tài)，這個(gè)M 幀的時(shí)間叫做前方保護時(shí)間。