在Xilinx的FPGA器件XC3S200-4FT200上對方案中設(shè)計的幀同步系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，利用Modelsim 6.0軟件進行了仿真測試。仿真結(jié)果表明，本方案設(shè)計的同步系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足性能要求。

　　0 引言

　　在數(shù)字通信系統(tǒng)中，發(fā)送端一般以一定數(shù)目的碼元組成一個個“字”或“句”，即組成一個個數(shù)據(jù)幀進行 傳輸，因此幀是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝弧２煌耐ㄐ畔到y(tǒng)具有不同的幀結(jié)構(gòu)。幀一般分為幀同步碼和數(shù)據(jù)兩部分，幀同步碼用于標(biāo)志幀的起始位置；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流中，即每隔一定數(shù)量的信息碼元插入一個幀同步碼元。本文主要提出一種集中式插入法幀同步的FPGA的設(shè)計方案。

　　一般來講，幀同步在位同步之后才能進行。雖然信號的頻率很容易由位同步信號經(jīng)過分頻得到，但是幀的起始和末尾時刻則無法由位同步信號分頻確定。幀同步的主要任務(wù)就是要獲取每個數(shù)據(jù)幀的起始及結(jié)束位置。隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，采用FPGA實現(xiàn)幀同步等數(shù)字系統(tǒng)具有速度快、使用方便、可編程配置各種參數(shù)等一系列優(yōu)點，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)

　　集中式插入法是指在每幀數(shù)據(jù)的開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(shù)據(jù)比特被編成幀，每幀包括多個數(shù)據(jù)，幀的首部加一個幀同步碼組（也稱為幀的標(biāo)志字），記作U，其長度為M（單位：b），幀內(nèi)的數(shù)據(jù)比特數(shù)為D.接收端 對接收的比特流進行搜索，一旦檢測到標(biāo)志字U，就知道了一幀數(shù)據(jù)的開始，并據(jù)此對幀內(nèi)的數(shù)據(jù)進行分組處理，以此建立起同步傳輸機制。集中式插入法的數(shù)據(jù)幀 格式如圖1所示。

　　顯然，幀同步碼組必須滿足一定的條件：首先，同步碼組要求盡量與所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，以免將數(shù)據(jù)誤 認(rèn)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，以便于接收端進行正確檢測；第三個要求是長度不能太長，以免占用過多的信道資源。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(tǒng)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(jù)幀同步搜索的原理，在幀同步搜索過程中顯然存在假鎖的可能性（也稱虛警概率），因為數(shù)據(jù)比特所 構(gòu)成的碼序列，或部分的標(biāo)志字與部分的數(shù)據(jù)比特所構(gòu)成的長度為M 的碼序列也有可能滿足檢測條件，而被誤認(rèn)為U.因此，為了提高幀同步系統(tǒng)的性能（減小假鎖的概率，鎖定后盡量增加同步的穩(wěn)定性），工程上通常通過增加同步 流程的復(fù)雜性來實現(xiàn)改善性能的目的。一般來講，將幀同步的過程分為三個狀態(tài)：搜索態(tài)、校核態(tài)和同步態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

　　搜索態(tài)：在數(shù)據(jù)接收的起始時刻，或幀校核時出現(xiàn)未同步幀，或同步態(tài)時發(fā)現(xiàn)有多個連續(xù)幀未同步時轉(zhuǎn)入搜索態(tài)。搜索態(tài)下，程序在數(shù)據(jù)流中持續(xù)搜索幀同步碼，當(dāng)從接收到的比特流中找到幀同步碼時，表明已搜索到了一個同步幀頭，此時輸出一個脈沖信號，系統(tǒng)可進入校核態(tài)。

　　校核態(tài)：若連續(xù)經(jīng)過N 幀同步碼確認(rèn)搜索態(tài)中找到的幀頭正確，則系統(tǒng)可立即轉(zhuǎn)入同步狀態(tài)；否則說明存在假同步，需要返回搜索態(tài)重新對幀同步碼進行搜索。由首次搜索到幀同步頭到進入同步態(tài)的N 幀時間叫做后方保護時間。

　　同步態(tài)：幀同步系統(tǒng)處于同步狀態(tài)時，若沒有出現(xiàn)連續(xù)M 幀數(shù)據(jù)未同步，則保持在同步狀態(tài)。考慮到接收的數(shù)據(jù)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(xù)M 幀丟失同步碼才進入失步狀態(tài)，并返回搜索態(tài)，這個M 幀的時間叫做前方保護時間。

　　2 幀同步系統(tǒng)的VHDL設(shè)計與仿真

　　2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)實例需求，幀同步碼組長度（LenCode）、幀同步碼組（FrameCode）、容錯位數(shù) （ErrorNum）、幀長（Len-Frame）、校核態(tài)校核幀數(shù)（CheckNum）以及同步態(tài)校核幀數(shù)（SyncNum）均以常量的形式設(shè)置，便于 VHDL程序中修改同步參數(shù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率及時鐘頻率為50 MHz.

　　根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)，很容易想到采用狀態(tài)機的設(shè)計方法來實現(xiàn)同步系統(tǒng)。不論是采用狀態(tài)機方式，或原 理圖方式進行VHDL程序設(shè)計，最終均可以轉(zhuǎn)換成VHDL代碼的形式。顯然，直接采用編寫VHDL代碼的形式，更利于程序的修改及升級維護。因此，本文完 全采用代碼編寫方式來進行程序設(shè)計。

　　圖2是一個典型的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，可以將轉(zhuǎn)移條件看作狀態(tài)之間的信號接口。 整個幀同步系統(tǒng)可以劃分為搜索狀態(tài)模塊（Search）、校核狀態(tài)模塊（Check）及同步狀態(tài)模塊（Sync）。除了上電后啟動搜索狀態(tài)之外，當(dāng)校核未 通過（CheckNum 幀內(nèi)有一個校核幀未同步）或同步態(tài)失鎖（連續(xù)SyncNum 幀未同步）時也需啟動搜索狀態(tài)，因此搜索狀態(tài)的啟動信號有復(fù)位信號（rst）、校核態(tài)重搜索信號（Research_check）和同步態(tài)重搜索信號 （Research_sync）；校核態(tài)的啟動信號僅來自于搜索態(tài)（search_over），即只有當(dāng)搜索到幀同步碼后才能轉(zhuǎn)入校核態(tài)，如果校核通過則 送出校核完成信號（check_over），校核未通過則送出重新搜索信號（Research_check）；同步態(tài)的啟動信號僅來自于校核態(tài) （check_over），只有校核通過后才能進入同步狀態(tài)。進入同步態(tài)后，持續(xù)對同步碼組進行檢測，當(dāng)檢測到重新失鎖后送出 Research_sync，重新啟動搜索狀態(tài)。圖3為幀同步系統(tǒng)頂層VHDL程序文件采用Synplify Pro綜合后的RTL原理圖。