摘要：針對設(shè)計某高速衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信幀同步系統(tǒng)中所遇到的問題，提出了一種新的并行幀同步設(shè)計方案，解決了同步字碼組不能穩(wěn)定提取、同步狀態(tài)判斷時間過短等問題，實現(xiàn)了高速衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的幀同步并得到了驗證。對于速度更高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，給出了一種多路并行幀同步的設(shè)計方法。

     關(guān)鍵詞：幀同步 漢明距 FPGA

同步[3]是通信系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，通常包括載波同步、位同步和幀同步。幀同步系統(tǒng)的基本設(shè)計思想[1]是在系統(tǒng)發(fā)送端數(shù)據(jù)幀中適當(dāng)?shù)奈恢锰幉迦胪阶执a組，在接收端設(shè)計一個大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，能夠?qū)⑺型阶止?jié)恰好覆蓋，并在數(shù)據(jù)幀緩沖區(qū)的適當(dāng)位置處提取同步字碼組，同時將提取到的同步字碼組送入漢明距累加器計算漢明距并與檢測門限進行比較；同步控制狀態(tài)機根據(jù)比較結(jié)果為接收系統(tǒng)提供同步控制信息，從而實現(xiàn)同步。當(dāng)數(shù)據(jù)幀較大時，由于數(shù)據(jù)緩沖器較長，隨著數(shù)據(jù)速率的提高，同步字碼組很難穩(wěn)定地從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中提取出來，同時由于同步判斷時間過短而又影響同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。為解決這一問題，本文給出了一種并行同步的設(shè)計方法。

1 并行同步的基本原理

當(dāng)通信系統(tǒng)的接收機收到一路初始位置隨機的高速數(shù)碼流時，為能穩(wěn)定地提取同步字碼組而實現(xiàn)同步，可將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行，從而降低數(shù)據(jù)率。經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)碼流中，同步字節(jié)中各個比特的位置可存在幾種不同的情況。現(xiàn)在以一路到兩路的串并轉(zhuǎn)換為例進行說明。假設(shè)圖1是一段包括一個同步字節(jié)的串行數(shù)碼流，其中A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0為同步字節(jié)中的八個比特，高位在前，箭頭表示數(shù)據(jù)傳輸方向。該數(shù)碼流在經(jīng)過一路到兩路的串并轉(zhuǎn)換后，由于數(shù)據(jù)起始比特的隨機性，同步字節(jié)各個比特的位置可能是圖2圖3所示的情況。圖2中同步字節(jié)的奇數(shù)位和偶數(shù)位在兩路中恰好對稱分開，高位A7在上邊一路中。圖3中的同步字節(jié)沒有對稱分開，高位A7在下邊一路。同步過程中可以對這兩種同步字相位情況進行搜索提取，計算漢明距。這樣同步系統(tǒng)的工作數(shù)據(jù)率就降為輸入數(shù)據(jù)率的一半，使得同步系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠。

    同理，串行數(shù)據(jù)經(jīng)一路到三路串并轉(zhuǎn)換后，同步字節(jié)在三路數(shù)據(jù)中的相位有三種情況，經(jīng)四路轉(zhuǎn)換有四種相位情況，…可以推得，串行數(shù)據(jù)經(jīng)一路到N（N≤8）路串并轉(zhuǎn)換后，就有N種同步字相位情況，同步時建立N路的同步字碼組搜索系統(tǒng)。這樣數(shù)據(jù)速率就降為輸入數(shù)據(jù)速率的N分之一，從而改善了同步系統(tǒng)的性能，即多路并行同步。
2 兩路并行幀同步系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

考慮到成本等具體情況，設(shè)計中采用了Altera公司Flex10K系列FPGA芯片EPF10K30RC240-3,需要設(shè)計的同步緩沖器是一個緩沖長度可調(diào)、深度可變、嵌有4個位置可變的同步字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在第一、第二個同步字間和第三、第四個同步字間采用移位寄存器，其長度可調(diào)；在第二、第三個同步字間由于要緩沖的數(shù)據(jù)較長，為節(jié)省資源采用FIFO仿真移位寄存器，其深度可變。設(shè)計中先將串行數(shù)據(jù)進行一路到兩路轉(zhuǎn)換，再分別對兩種同步字相位進行搜索提取同步字碼組，計算漢明距，經(jīng)同步狀態(tài)控制機給出同步控制信號和同步指示信號。該同步系統(tǒng)的設(shè)計原理框圖4所示。

其中5A、OF、66是十六進制的四個同步字節(jié)；Id和Di是交織器的兩個參數(shù)；32比特進位保留流水加法陣列用于計算漢明距；兩路漢明距發(fā)生器均采用華萊士樹流水累加計算方式，分別對不同相位所提取的同步字碼組進行漢明距計算，并將結(jié)果送同步狀態(tài)控制機，進行同步搜索、同步監(jiān)視和同步保護等。

設(shè)計中的同步狀態(tài)控制采用IESS308標(biāo)準(zhǔn)[2]建議的同步捕獲判斷2次（檢測門限為漢明距不超過1）、失步保護判斷4次（檢測門限是漢明距超過6）的設(shè)計方案。同步字碼組提取采用兩路全節(jié)能搜索提取方式。同步系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換原理圖如圖5所示。系統(tǒng)剛開始處于失步狀態(tài)時，兩路搜索同時工作，當(dāng)?shù)谝宦窓z測到同步字碼組，就令第二路停止工作并給出第一路工作標(biāo)志（如果第一路未檢測到同步字碼組而第二路檢測到同步字碼組，就令第一路停止工作并給出第二路工作標(biāo)志），同時系統(tǒng)轉(zhuǎn)入按幀判斷方式，到下一幀該位置處判斷是否還是同步字碼組，是，系統(tǒng)進入同步狀態(tài)；不是，系統(tǒng)則轉(zhuǎn)回到兩路搜索捕獲狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)完成首次漢明距不超過1的同步判斷后（包括同步監(jiān)視和同步保護狀態(tài)），同步系統(tǒng)兩路漢明距發(fā)生器轉(zhuǎn)入僅在每幀的同步字碼組處中的一路工作幾個時鐘周期（設(shè)計中工作7個時鐘周期，因為漢明距發(fā)生器加了7級流水）的工作方式，從