幀同步電路的設(shè)計(jì)

2 同步方案的選擇?

　　幀同步通常采用的方法有逐位調(diào)整法和置位調(diào)整法^［3,4］。?

2.1 逐位調(diào)整法?

　　逐位調(diào)整法的基本原理［3］是調(diào)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(duì)準(zhǔn)。收端本地幀同步碼產(chǎn)生后，送入同步碼檢測(cè)電路，總信碼也送入同步碼檢測(cè)電路。如本地幀同步碼的相位沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)總信碼中的幀同步碼位，檢測(cè)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(duì)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(jié)拍不停的送來(lái)，而本地定時(shí)系統(tǒng)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(cè)電路相當(dāng)于檢測(cè)下一位信碼。如果下一位的檢測(cè)結(jié)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(cè)到與同步碼相同的信碼相位為止。?

2.2 置位調(diào)整法?

　　在失幀期間，接收設(shè)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(shè)備幀狀態(tài)處于特定的預(yù)置狀態(tài)；接收碼流逐比特進(jìn)入幀定位信號(hào)檢測(cè)電路，一旦其中全部n位信碼與規(guī)定的幀定位信號(hào)碼相同，就輸出一個(gè)控制信號(hào)，啟動(dòng)接收設(shè)備的時(shí)序發(fā)生器，同時(shí)用接收時(shí)鐘信號(hào)來(lái)推動(dòng)他。然后經(jīng)過(guò)一個(gè)檢測(cè)周期的時(shí)間檢驗(yàn)判斷。如果未建立正確的相位關(guān)系，就重復(fù)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(jié)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(xiàn)幀定位碼型，而且?guī)ㄎ淮a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(xiàn)象和漏檢現(xiàn)象，使搜捕時(shí)間延長(zhǎng)。?

2.3 兩種方法的比較

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

　　在同步位置上，逐位調(diào)整法不管幀定位碼中是否出現(xiàn)誤碼總要檢驗(yàn)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(diào)整法，只要幀定位碼中有誤碼，就一定錯(cuò)過(guò)了建立同步的機(jī)會(huì)。可見后者會(huì)把搜捕時(shí)間拖長(zhǎng)。

　　綜合上述兩方面，當(dāng)合路信號(hào)誤碼率較高時(shí)，逐位調(diào)整法的平均搜捕時(shí)間較短；當(dāng)合路信號(hào)誤碼率較低時(shí)，置位調(diào)整法的平均搜捕時(shí)間較短。數(shù)字信道誤碼率按國(guó)際推薦常常是相當(dāng)?shù)偷模豢捎谜`碼率門限也只有1×10^-3，一般采用置位調(diào)整法比較合適^［3,4］。

3 幀同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

　　本設(shè)計(jì)采用置位調(diào)整法。幀同步單元大致可以分為4塊：幀定位碼檢測(cè)單元、同步保護(hù)及校核單元、調(diào)整單元和幀時(shí)標(biāo)發(fā)生單元。

　　其原理框圖如圖2所示。?

　　當(dāng)合路信號(hào)pcm串行輸入幀定位碼檢測(cè)單元，當(dāng)檢測(cè)到同步時(shí)標(biāo)時(shí)，輸出一個(gè)同步時(shí)標(biāo)ps脈沖，他與時(shí)標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標(biāo)脈沖pc同時(shí)輸入同步保護(hù)及校核單元。在同步保護(hù)及校核單元，通過(guò)比較ps和pc同步與否，以及連續(xù)同步或不同步的次數(shù)，來(lái)判斷系統(tǒng)是否同步。如果不同步，該單元將產(chǎn)生一個(gè)指令，使系統(tǒng)處于待調(diào)整狀態(tài)。最后通過(guò)調(diào)整單元控制時(shí)標(biāo)發(fā)生器，調(diào)節(jié)幀時(shí)標(biāo)pc出現(xiàn)的相位。然后反復(fù)pc和ps比較過(guò)程，使系統(tǒng)同步。

3.1 幀定位碼檢測(cè)單元

　　設(shè)系統(tǒng)的幀定位碼長(zhǎng)n=12，幀定位碼為“111100110000”。幀定位碼檢測(cè)單元將合路信號(hào)串行輸入12個(gè)串聯(lián)的移位寄存器，當(dāng)檢測(cè)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(biāo)ps負(fù)脈沖，其脈沖寬度為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。波形如圖3所示。

3.2 同步保護(hù)及校核單元

　　在失步狀態(tài)，幀同步檢測(cè)電路一旦發(fā)現(xiàn)同步碼，校核計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)。如果隨后在規(guī)定時(shí)刻上又連續(xù)發(fā)現(xiàn)(α1)次，即校核計(jì)數(shù)到α，就確定進(jìn)入同步態(tài)。此處的α稱為后方保護(hù)計(jì)數(shù)。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(cuò)誤的進(jìn)入捕捉過(guò)程。幀同步檢測(cè)電路在規(guī)定的時(shí)刻一旦有一次未發(fā)現(xiàn)同步碼,保護(hù)計(jì)數(shù)器就計(jì)1。如果隨后在規(guī)定的時(shí)刻上又連續(xù)(β-1)次未發(fā)現(xiàn),即保護(hù)計(jì)數(shù)到β,就進(jìn)入失步狀態(tài)。此處的β稱為前方保護(hù)計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)中,β=4；α=3。波形見圖4。?

　　設(shè)計(jì)中，通過(guò)比較同步時(shí)標(biāo)ps和幀時(shí)標(biāo)pc在時(shí)間上是否對(duì)準(zhǔn)來(lái)判斷系統(tǒng)狀態(tài)。ps為同步時(shí)標(biāo)，pc為幀時(shí)標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標(biāo)，q1指示了系統(tǒng)的狀態(tài)，q1=0表示系統(tǒng)處于同步狀態(tài)，q1=1表示系統(tǒng)處于捕捉狀態(tài)。如圖4，當(dāng)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(xù)4次不同步時(shí)，系統(tǒng)就將判為失步狀態(tài)；若連續(xù)3次同步時(shí)，系統(tǒng)就將恢復(fù)為同步狀態(tài)。

3.3 調(diào)整單元

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


　　圖5為調(diào)整單元波形。在q1=1時(shí)，即系統(tǒng)失步時(shí)，調(diào)整單元開始進(jìn)入工作狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果檢測(cè)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(dāng)檢測(cè)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(fù)脈沖m=0；并在時(shí)鐘信號(hào)的?控制下，m延時(shí)半個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后重新將置位脈沖恢復(fù)為高電平m=1。該置位脈沖用于幀時(shí)標(biāo)發(fā)生單元復(fù)位。

3.4 幀時(shí)標(biāo)發(fā)生單元

  該單元的功能是定時(shí)的產(chǎn)生幀時(shí)標(biāo)pc，每個(gè)相鄰pc的間隔時(shí)間為一個(gè)幀周期。實(shí)現(xiàn)該功能就是將系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)分頻,計(jì)數(shù)周期值為一個(gè)幀的長(zhǎng)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(biāo)發(fā)生單元檢測(cè)到一個(gè)低電平的復(fù)位脈沖時(shí),計(jì)數(shù)器復(fù)位清零并重新開始計(jì)數(shù)。波形如圖6所示。圖中clr為復(fù)位清零端；clk為系統(tǒng)時(shí)鐘；pc是發(fā)生器產(chǎn)生的幀時(shí)標(biāo)。


3.5 同步單元的整體設(shè)計(jì)

　　我們用VHDL設(shè)計(jì)完成各模塊，并在MaxPlusII開發(fā)軟件上編譯通過(guò)，其設(shè)計(jì)波形分別已做說(shuō)明。在MaxPlusII開發(fā)軟件上采用原理圖輸入方式，根據(jù)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(shè)計(jì)如圖7所示。

　　圖中，ZJC模塊是幀定位碼檢測(cè)單元；PCFS模塊是幀時(shí)標(biāo)發(fā)生單元；SBBJ模塊是同步保護(hù)及校核單元；TZ模塊是調(diào)整單元。輸入端pcm為合路信號(hào)碼流，clk為系統(tǒng)時(shí)鐘；輸出端中pc為所需要的幀時(shí)標(biāo)，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(tǒng)所處的狀態(tài)是同步還是失步；ps是檢測(cè)到幀同步碼后產(chǎn)生的同步時(shí)標(biāo)；m為調(diào)整單元的調(diào)整指令。

　　圖8是整體設(shè)計(jì)在MaxPlusII軟件中的波形圖。在第1個(gè)幀時(shí)標(biāo)pc脈沖出現(xiàn)時(shí)沒(méi)有同步時(shí)標(biāo)ps脈沖，則狀態(tài)量q2＝1。該同步系統(tǒng)的前方保護(hù)系數(shù)β=4，在連續(xù)4個(gè)幀時(shí)標(biāo)pc脈沖與同步時(shí)標(biāo)ps脈沖不同步后，狀態(tài)量q1＝1。當(dāng)q1，q2同時(shí)為高電平時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)入搜捕狀態(tài)。由于在下一個(gè)pc脈沖出現(xiàn)前，該系統(tǒng)檢測(cè)到了一個(gè)同步時(shí)標(biāo)（該時(shí)標(biāo)為偽同步碼產(chǎn)生的），馬上輸出調(diào)整指令脈沖m=0。此時(shí)，幀時(shí)標(biāo)pc脈沖發(fā)生器被置位，重新開始計(jì)數(shù)；狀態(tài)量恢復(fù)為q2=0。再經(jīng)過(guò)一個(gè)幀周期，出現(xiàn)了置位后產(chǎn)生的第一個(gè)幀時(shí)標(biāo)pc脈沖，因?yàn)闆](méi)有出現(xiàn)同步時(shí)標(biāo)ps脈沖，則q2=1。此后，又重新搜捕。當(dāng)搜捕到同步碼后，如果出現(xiàn)幀時(shí)標(biāo)pc脈沖與同步時(shí)標(biāo)ps脈沖連續(xù)3次同步（后方保護(hù)系數(shù)α=3），則表示捕捉成功，系統(tǒng)重新進(jìn)入同步狀態(tài)。圖中，在恢復(fù)到同步態(tài)后出現(xiàn)了一個(gè)偽同步碼，由于采取了保護(hù)措施（連續(xù)４個(gè)幀時(shí)標(biāo)pc脈沖與同步時(shí)標(biāo)ps脈沖不同步時(shí)，才判為失步），因此他沒(méi)有影響系統(tǒng)的正常工作。

4 結(jié)語(yǔ)

　　置位調(diào)整法是幀同步電路設(shè)計(jì)中通常采用的方法，為降低系統(tǒng)的漏檢概率和虛警概率，設(shè)計(jì)中采用前方保護(hù)和后方保護(hù)。同步系統(tǒng)各模塊全部用VHDL編程實(shí)現(xiàn)，整體設(shè)計(jì)在MaxPlusII軟件中調(diào)試通過(guò)。

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