同步是數(shù)字通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要問題。幀同步電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響數(shù)據(jù)的解調(diào)質(zhì)量，甚至影響整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。本文結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)出一種適用于衰落信道的快速搜捕幀同步電路。該設(shè)計(jì)采用全局時(shí)鐘控制每個(gè)觸發(fā)器，避免了累積時(shí)延以及毛刺的產(chǎn)生，增強(qiáng)了整體設(shè)計(jì)的可靠性；同時(shí)利用Mealy狀態(tài)機(jī)改進(jìn)了傳統(tǒng)保護(hù)模塊，使幀同步搜捕時(shí)間縮短了至少一幀周期時(shí)間；并且在幀同步碼檢測模塊中，利用容差技術(shù)與非容差技術(shù)相結(jié)合使系統(tǒng)同步后有一位誤碼糾錯(cuò)能力^[1]，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；最后用FPGA實(shí)現(xiàn)了幀同步電路的設(shè)計(jì)。
1 幀同步電路原理
1.1 幀同步電路組成
　　幀同步電路主要分為4個(gè)模塊：幀同步碼檢測模塊、幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊、保護(hù)模塊和控制模塊" title="控制模塊">控制模塊。其原理圖如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)流串行輸入到幀同步碼檢測模塊，幀同步檢測模塊檢測到同步碼后輸出一個(gè)檢測碼，該檢測碼與幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊產(chǎn)生的幀時(shí)標(biāo)脈沖同時(shí)輸入到保護(hù)模塊。保護(hù)模塊比較檢測碼和幀時(shí)標(biāo)脈沖是否在同一時(shí)刻對上，連續(xù)對上α次（后方保護(hù)數(shù)）則判斷為同步；在同步狀態(tài)下，由于干擾或中斷等原因可能導(dǎo)致幀同步碼組丟失，幀檢測碼與幀時(shí)標(biāo)脈沖一旦連續(xù)β次（前方保護(hù)數(shù)）沒有對上則判斷為失步" title="失步">失步。保護(hù)模塊將同步信號(hào)、失步信號(hào)、幀定位信號(hào)和幀檢測碼一同送到控制模塊。同時(shí)將同步信號(hào)輸入到幀同步碼檢測模塊作為其容差和非容差控制信號(hào)。控制模塊根據(jù)輸入信號(hào)的相關(guān)信息產(chǎn)生幀時(shí)標(biāo)發(fā)生器的置位信號(hào)，調(diào)整幀時(shí)標(biāo)發(fā)生器中時(shí)標(biāo)產(chǎn)生的時(shí)刻，從而完成一輪新的同步。
1.2 同步容差
　　同步容差是容許“一定程度”的幀標(biāo)識(shí)誤碼的標(biāo)志，以容差門限表示。在同步狀態(tài)時(shí)，希望盡可能不漏掉幀同步碼以維持系統(tǒng)的同步狀態(tài)（即降低漏警概率），所以在同步狀態(tài)下，容差門限就要選擇稍大點(diǎn)（本設(shè)計(jì)取為1）；在失步搜捕狀態(tài)下，為避免誤碼帶來數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)虛幀同步定位碼，應(yīng)選取容差門限為0，即不容許誤碼。
　　本設(shè)計(jì)利用容差技術(shù)和非容差技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)幀同步碼檢測模塊，從而提高了幀同步的抗干擾性。
2 基于FPGA的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　利用VHDL設(shè)計(jì)了各模塊，并在ISE 7.1i開發(fā)軟件上編譯通過。
2.1 幀同步碼檢測模塊
　　幀同步碼檢測模塊的主要作用在于檢測出幀同步碼組，并在碼組的最后一位給出一個(gè)檢測脈沖。其檢測電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)時(shí)鐘和驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)流同時(shí)進(jìn)入比較器A和B與預(yù)設(shè)的最佳同步碼組進(jìn)行比較，若比較結(jié)果一致，則輸出檢測脈沖到選擇器；當(dāng)容差控制信號(hào)為“1”時(shí)則輸出比較器A的檢測脈沖，反之則輸出比較器B的檢測脈沖（容差信號(hào)為“1”表示開啟容差功能，允許1位誤碼）。具體仿真波形如圖3所示。

　　圖中，clk為系統(tǒng)時(shí)鐘，data為數(shù)據(jù)流，control為容差控制信號(hào)，jc為幀同步檢測信號(hào)。
2.2 幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊
　　幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊的主要作用在于每隔一幀周期時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)時(shí)標(biāo)脈沖。幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

　　本設(shè)計(jì)選取一幀的周期為32個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。保護(hù)信號(hào)c的作用在于避免出現(xiàn)虛假時(shí)標(biāo)，即高電平時(shí)屏蔽掉時(shí)標(biāo)脈沖，低電平時(shí)對時(shí)標(biāo)脈沖不造成任何影響。具體仿真波形如圖5所示。

　　圖中，clr為置零信號(hào)，pc為時(shí)標(biāo)脈沖。
2.3 保護(hù)模塊
　　保護(hù)模塊主要作用在于實(shí)現(xiàn)前方保護(hù)和后方保護(hù)，最后輸出同步和失步信號(hào)。傳統(tǒng)的保護(hù)模塊是用四個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)3口與門、一個(gè)4口與門實(shí)現(xiàn)的^[4]，或用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對前方保護(hù)和后方保護(hù)計(jì)數(shù)^[3]實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)選用2進(jìn)程同步Mealy型有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

　　由圖6可知，系統(tǒng)設(shè)置了七個(gè)狀態(tài)，ST0、ST1、ST2為失步搜捕狀態(tài)，其余四個(gè)狀態(tài)為同步保護(hù)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)設(shè)置α=3和β=4。在系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿時(shí)刻，jc＝0、pc＝1，表示搜捕到檢測脈沖并且對上了，而如果jc＝1、pc＝1，則表示沒有對上檢測脈沖。從ST0到ST3連續(xù)對上檢測脈沖3次，即后方保護(hù)數(shù)計(jì)滿，確定為同步（同步信號(hào)q置“1”）。同理，從ST3到ST0連續(xù)4次沒有對上檢測脈沖，即前方保護(hù)數(shù)計(jì)滿，確定為失步（同步信號(hào)q置“0”）。具體仿真波形如圖7所示。

　　圖中，qf為失步信號(hào)，q1為置零信號(hào)的輔助信號(hào)。
　　q1實(shí)際上為控制模塊中置零輔助信號(hào)的一部分，關(guān)鍵作用在于能快速搜捕從而確定同步，即縮短失步時(shí)間，能在失步后一出現(xiàn)幀同步檢測信號(hào)立刻產(chǎn)生置零信號(hào)。
　　q1產(chǎn)生方式：系統(tǒng)一旦失步，立刻將q1置“1”；系統(tǒng)一旦在系統(tǒng)時(shí)鐘clk的上升沿檢測到幀同步檢測碼，立刻將q1置“0”。
2.4 控制模塊
　　控制模塊主要作用在于產(chǎn)生時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊的置零信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)處于失步狀態(tài)(qf=1或q＝0)時(shí)，開始搜捕幀同步檢測碼。搜捕到幀同步檢測碼時(shí)產(chǎn)生一個(gè)置零信號(hào)，將幀時(shí)標(biāo)發(fā)生模塊清零，重新開始計(jì)數(shù)。使得下一幀幀時(shí)標(biāo)脈沖可以對上幀同步檢測碼。但置零信號(hào)并不能根據(jù)已知的輸入信號(hào)直接得到，必須加輔助信號(hào)間接產(chǎn)生。下面給出輔助信號(hào)q2產(chǎn)生的設(shè)計(jì)流程。

　　設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。輔助信號(hào)q2只能保證在失步狀態(tài)下生成需要的置零信號(hào)，但要實(shí)現(xiàn)快速搜捕的目的（即失步后的第一個(gè)幀同步檢測脈沖出現(xiàn)時(shí)就可產(chǎn)生置零信號(hào)），必須將前面保護(hù)模塊中提到的q1與此處的q2合并成一路信號(hào)，這樣就產(chǎn)生了完整的置零輔助信號(hào)。根據(jù)圖9所提供的框圖便可產(chǎn)生所需要的置零信號(hào)clr。
　　最終得到的置零信號(hào)clr的波形圖如圖10所示。
　　圖10中，qt為最終的置零輔助信號(hào)。

2.5 幀同步整體模塊
　　在ISE開發(fā)平臺(tái)上采用原理圖輸入方式，根據(jù)同步單元各個(gè)功能模塊的劃分，將各個(gè)功能模塊連接起來，編譯成功。其整體設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。整體幀同步設(shè)計(jì)仿真波形如圖12所示。

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