基于FPGA的數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)幀同步器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了應(yīng)用ＦＰＧＡ技術(shù)進(jìn)行幀同步器設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理、系統(tǒng)框圖及設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題，給出了用ＶＨＤＬ描述的幾個(gè)模塊的源代碼。

關(guān)鍵詞：數(shù)字復(fù)接；幀同步器；ＦＰＧＡ

在數(shù)字通信網(wǎng)中，為了提高傳輸效率，常常需要將若干路低速數(shù)字信號(hào)合并成一路高速數(shù)字信號(hào)，以便通過(guò)高速信道進(jìn)行傳輸。實(shí)現(xiàn)此功能的設(shè)備稱(chēng)為數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)。

數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端兩部分，通常稱(chēng)為復(fù)接器和分接器。為了使分接器的幀狀態(tài)相對(duì)于復(fù)接器的幀狀態(tài)獲得并保持相位關(guān)系，以便正確地實(shí)施分接，數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)在發(fā)送端把低速數(shù)字信號(hào)合并為高速信號(hào)的同時(shí)，往往還要插入用于同步的幀同步碼；而在接收端，分接器要把發(fā)送端數(shù)字信號(hào)中的幀同步碼檢測(cè)出來(lái)并去除，然后才能分解為原來(lái)的支路數(shù)字信號(hào)，其中完成幀同步碼檢出這一功能的單元稱(chēng)為數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的幀同步器。在合路數(shù)字信號(hào)中，幀同步碼能否被準(zhǔn)確識(shí)別直接決定了能否正確的分接出各個(gè)支路信號(hào)。

目前，ＦＰＧＡ已在通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，這也為數(shù)字復(fù)接技術(shù)提供了靈活且可移植的設(shè)計(jì)方法。本文將介紹數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)中幀同步器的工作原理和ＦＰＧＡ的設(shè)計(jì)流程，同時(shí)將給出具體實(shí)現(xiàn)方法以及設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題。

１ 幀同步器原理

圖１是筆者設(shè)計(jì)的一種數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)接收端的原理框圖。其中，定時(shí)發(fā)生器為幀同步系統(tǒng)提供幀定位標(biāo)志信號(hào)；幀同步系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)所傳輸數(shù)據(jù)碼流中的幀同步碼；比特分接電路用于把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)；告警優(yōu)先電路用來(lái)指示當(dāng)前系統(tǒng)處于同步狀態(tài)還是失步狀態(tài)。

在復(fù)接系統(tǒng)的發(fā)送端，可以將幀同步碼集中插在每幀的開(kāi)頭位置；也可以將其分散插在各個(gè)支路的前面。前者稱(chēng)為幀同步碼集中插入法，后者稱(chēng)為分散插入法。圖２所示是使用集中插入法時(shí)，接收端幀同步器的原理框圖。

通常幀同步電路有兩種狀態(tài)，同步未建立時(shí)系統(tǒng)處于搜捕態(tài)，建立后則處于保持態(tài)；保持態(tài)下的同步保護(hù)措施稱(chēng)為前方保護(hù)，搜捕態(tài)下的同步保護(hù)措施稱(chēng)為后方保護(hù)。幀同步系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的原則是：同步建立時(shí)，假同步概率要小；同步建立后，漏同步概率要小。

圖２中的幀同步器前端是由８位移位寄存器組成的幀同步碼檢測(cè)電路，當(dāng)輸入碼流中無(wú)同步碼組時(shí)，檢測(cè)電路輸出始終為１，這時(shí)定時(shí)發(fā)生器關(guān)閉，比較／計(jì)數(shù)電路（由ａ、ｂ、ｃ、ｄ四個(gè)Ｄ觸發(fā)器組成）不工作，系統(tǒng)處于搜捕態(tài)；一旦在輸入碼流中檢測(cè)到同步碼組，檢測(cè)電路輸出就為０，定時(shí)發(fā)生器開(kāi)始產(chǎn)生比較／計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器開(kāi)始后方保護(hù)計(jì)數(shù)；如果隨后在規(guī)定時(shí)刻上又連續(xù)α－１次（圖中α＝３）檢測(cè)到幀同步碼組，則系統(tǒng)同步，幀同步器進(jìn)入保持態(tài)。在同步保持狀態(tài)下，一旦幀同步碼檢測(cè)電路在規(guī)定時(shí)刻有一次未發(fā)現(xiàn)幀同步碼，比較／計(jì)數(shù)電路便開(kāi)始前方保護(hù)計(jì)數(shù)，如果隨后在規(guī)定時(shí)刻上又連續(xù)β－１次（圖中β＝４）檢測(cè)不到幀同步碼，則定時(shí)發(fā)生器關(guān)閉，幀同步器由保持態(tài)進(jìn)入搜捕態(tài)，重新捕捉幀同步碼。

值得注意的是，如果搜捕中第一次檢測(cè)到的是假的同步碼組（即在傳送的碼元中有一段數(shù)據(jù)與幀同步碼相同，但其出現(xiàn)的位置不是在規(guī)定的同步碼位置上），定時(shí)發(fā)生器仍不工作，此時(shí)幀同步碼檢測(cè)電路將繼續(xù)搜捕，直至檢測(cè)到真正的幀同步碼為止。

２ ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在ＦＰＧＡ設(shè)計(jì)中，幀同步器主要由幀同步碼檢出、保護(hù)和校核計(jì)數(shù)、幀失步調(diào)整控制門(mén)三部分組成。圖３中的虛線(xiàn)框部分就是幀同步器。下面給出用ＶＨＤＬ語(yǔ)言設(shè)計(jì)幀同步器的幾個(gè)進(jìn)程模塊。

２．１ 同步碼檢測(cè)電路

幀同步碼檢測(cè)電路由８位移位寄存器組成，這里把幀同步碼設(shè)定為８位最佳碼“１０１１１０００”，當(dāng)電路檢測(cè)到輸入碼流中有幀同步碼組時(shí)，檢測(cè)電路將輸出“０”；否則將輸出“１”。輸出結(jié)果將作為定時(shí)發(fā)生器的控制信號(hào)之一。具體程序如下（其中ｄ ｉｎ為串行輸入碼流，ｙｆ１是檢測(cè)電路輸出的結(jié)果）：

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ)

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ( ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝′１′) ｔｈｅｎ

ｏｕｔｐｕｔ＜＝ｄ_ｉｎ＆ｏｕｔｐｕｔ(７ ｄｏｗｎ ｔｏ １);

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐ２;

ｙｆｌ＜＝ ｎｏｔ((ｎｏｔ ｏｕｔｐｕｔ(７))ａｎｄ (ｎｏｔ ｏｕｔｐｕｔ(６)) ａｎｄ ( ｎｏｔ ｏｕｔｐｕｔ(５)） ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ(４) ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ(３) ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ(２) ａｎｄ (ｎｏｔ ｏｕｔｐｕｔ(１))?ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ(０)); ??

－－″１０１１１０００″

２．２ 定時(shí)發(fā)生器

定時(shí)發(fā)生器可對(duì)時(shí)鐘ｃｌｋ進(jìn)行ｎ分頻，分頻后的周期等于幀周期（一幀有ｎ個(gè)碼元，這里ｎ＝８８）。 定時(shí)發(fā)生器主要用來(lái)產(chǎn)生幀定位標(biāo)志信號(hào)，該信號(hào)是產(chǎn)生比較／計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)時(shí)鐘ｃｌｋ ｙｆ５的信號(hào)之一。在下面的程序中，ｃｌｋ為時(shí)鐘，ｙｆ４為控制門(mén)輸出信號(hào)，用于控制定時(shí)發(fā)生器的打開(kāi)和關(guān)閉，ｆ８為幀定位標(biāo)志信號(hào)。具體程序如下：

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｒｅｓｅｔ,ｃｌｋ,ｙｆ４)

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ｒｅｓｅｔ＝′１′ ｔｈｅｎ

ｆ８＜＝′１′;

ｅｌｓｉｆ ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝′０′ ｔｈｅｎ

ｉｆ ｙｆ４＝′０′ｔｈｅｎ

ｃｏｕｎｔｆ＜＝″０００００００″?

ｆ８＜＝′１′;

ｅｌｓｉｆ ｃｏｕｎｔｆ＝″１０１０１１１″ ｔｈｅｎ

ｃｏｕｎｔｆ＜＝″０００００００″;

ｆ８＜＝′１′;

ｅｌｓｅ

ｃｏｕｎｔｆ＜＝ｃｏｕｎｔｆ＋１;

ｆ８＜＝′０′;

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ

２．３ 控制門(mén)

控制門(mén)主要由ＲＳ觸發(fā)器構(gòu)成，用來(lái)判斷系統(tǒng)是同步還是失步。同步時(shí)，ＲＳ觸發(fā)器的Ｑ端輸出１，Ｑ 端輸出０；失步時(shí)，Ｑ端輸出０，Ｑ 端輸出１。Ｑ端可作為進(jìn)一步分接數(shù)據(jù)的控制信號(hào)， Ｑ 端輸出結(jié)果可打開(kāi)或關(guān)閉控制門(mén)ｙｆ４。具體程序如下：

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ)

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝′１′ ｔｈｅｎ

ｒｓ＜＝(Ｒ＆Ｓ);?

ｃａｓｅ ｒｓ ｉｓ

ｗｈｅｎ″０１″＝＞ Ｑ１＜＝ ′１′;

Ｑ＜＝′０′;

ｗｈｅｎ ″１０″＝＞ Ｑ１＜＝ ′０′;?

Ｑ＜＝′１′;

ｗｈｅｎ ″１１″＝＞ Ｑ＜＝ＲＳｑ;

Ｑ１＜＝ ＲＳｑ１;

ｗｈｅｎ ｏｔｈｅｒｓ ＝＞ ｎｕｌｌ;

ｅｎｄ ｃａｓｅ;

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ

２．４ 比較／計(jì)數(shù)電路

比較／計(jì)數(shù)電路用于完成搜捕態(tài)與保持態(tài)下的計(jì)數(shù)。搜捕態(tài)下，當(dāng)幀同步碼檢測(cè)電路連續(xù)３?α＝３?次捕獲到同相位的正確幀同步碼時(shí)，幀同步器將進(jìn)入保持態(tài)；而在保持態(tài)下，如果幀同步碼檢測(cè)電路連續(xù)４(β＝４)次未檢測(cè)到幀同步碼，幀同步器將進(jìn)入搜捕態(tài)。程序如下（其中，比較／計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)時(shí)鐘ｃｌｋ_ｙｆ５由幀定位標(biāo)志信號(hào)ｆ８和時(shí)鐘ｃｌｋ產(chǎn)生，ｙｆ２為輸出保持結(jié)果，ｙｆ３為輸出搜捕結(jié)果）：

ｃｌｋ_ｙｆ５＜＝ｎｏｔ (ｆ８ ａｎｄ ｃｌｋ) ;產(chǎn)生比較／計(jì)數(shù)電路所需時(shí)鐘

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｒｅｓｅｔ，ｃｌｋ_ｙｆ５) ；比較／計(jì)數(shù)電路

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ｒｅｓｅｔ＝′１′ ｔｈｅｎ

ｑａ＜＝′０′;ｑｂ＜＝′０′;ｑｃ＜＝′０′;

ｑａ１＜＝′１′;ｑｂ１＜＝′１′;ｑｃ１＜＝′１′;ｑｄ１＜＝′１′;

－－ｐｒｏｔｅｌ＜＝″００００″;

ｅｌｓｉｆ ｃｌｋ_ｙｆ５＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ_ｙｆ５＝′１′ ｔｈｅｎ

ｑａ＜＝ｑｅ１;

ｑａ１＜＝ｑｅ;

ｑｂ＜＝ｑａ;

ｑｂ１＜＝ｑａ１;

ｑｃ＜＝ｑｂ;

ｑｃ１＜＝ ｑｂ１;

ｑｄ１＜＝ｑｃ１;

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ; ?

ｙｆ２＜＝ｎｏｔ(ｑａ１ ａｎｄ ｑｂ１ ａｎｄ ｑｃ１ ａｎｄ ｑｄ１);

ｙｆ３＜＝ｎｏｔ(ｑａ ａｎｄ ｑｂ ａｎｄ ｑｃ);

３ 設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題

設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格控制定時(shí)發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘ｃｌｋ_ｙｆ５的寬度，以避免出現(xiàn)不定狀態(tài)。如果幀定位標(biāo)志信號(hào)ｆ８與幀同步檢出電路都是由時(shí)鐘ｃｌｋ的上升沿或下降沿產(chǎn)生的，那么ｃｌｋ_ｙｆ５脈沖中就會(huì)出現(xiàn)一小段不定狀態(tài)，而在這段時(shí)間里幀同步系統(tǒng)是不能正常工作的。所以，幀定位標(biāo)志信號(hào)ｆ８由時(shí)鐘ｃｌｋ的下降沿觸發(fā)產(chǎn)生，幀同步檢出電路則由時(shí)鐘ｃｌｋ的上升沿觸發(fā)，這樣便可以得到一半碼元寬度的時(shí)鐘ｃｌｋ_ｙｆ５脈沖，且脈沖中不存在不定狀態(tài)。

設(shè)計(jì)中應(yīng)多采用同步時(shí)序電路來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程模塊的功能，以免電路中產(chǎn)生毛刺。

４　結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)選用Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＩＳＥ５．２作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并采用ＶＨＤＬ編程語(yǔ)言。文中程序已通過(guò)了綜合實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了功能仿真和時(shí)序仿真，仿真結(jié)果正確。在硬件實(shí)現(xiàn)與調(diào)試過(guò)程中，將程序下載到Ｘｉｌｉｎｘ公司的ＶＩＲＴＥＸ芯片，然后經(jīng)過(guò)整體調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)中幀同步器的設(shè)計(jì)。