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準(zhǔn)。收端本地幀同步碼產(chǎn)生后，送入同步碼檢測電路，總信碼也送入同步碼檢測電路。如本地幀同步碼的相位沒有對準(zhǔn)總信碼中的幀同步碼位，檢測電路就輸出一個一定寬度的扣除脈沖，利用該扣除脈沖將再生主時鐘脈沖扣掉一個，使收端的時間相對于總信碼后移了一位碼元時間。再生信碼仍按主時鐘節(jié)拍不停的送來，而本地定時系統(tǒng)仍保留在原來位置不動，停止的時間為一個主時鐘周期。這樣，同步碼檢測電路相當(dāng)于檢測下一位信碼。如果下一位的檢測結(jié)果仍不一致，則再扣除一位主時鐘。按這樣搜索下去，直至檢測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)備時序發(fā)生器被置于一個特定的等待狀態(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)入幀定位信號檢測電路，一旦其中全部n位信碼與規(guī)定的幀定位信號碼相同，就輸出一個控制信號，啟動接收設(shè)備的時序發(fā)生器，同時用接收時鐘信號來推動他。然后經(jīng)過一個檢測周期的時間檢驗(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，那么只要遇到一個完整的幀定位碼組就足以建立起同步，可見這時完成搜捕過程比較快。由于噪聲的影響，可能存在虛警現(xiàn)象和漏檢現(xiàn)象，使搜捕時間延長。?

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)象時才檢驗(yàn)一次?？梢?，后者比較節(jié)省時間。

　　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，就一定錯過了建立同步的機(jī)會?？梢姾笳邥阉巡稌r間拖長。

　　綜合上述兩方面，當(dāng)合路信號誤碼率較高時，逐位調(diào)整法的平均搜捕時間較短；當(dāng)合路信號誤碼率較低時，置位調(diào)整法的平均搜捕時間較短。數(shù)字信道誤碼率按國際推薦常常是相當(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：幀定位碼檢測單元、同步保護(hù)及校核單元、調(diào)整單元和幀時標(biāo)發(fā)生單元。

　　其原理框圖如圖2所示。?

　　當(dāng)合路信號pcm串行輸入幀定位碼檢測單元，當(dāng)檢測到同步時標(biāo)時，輸出一個同步時標(biāo)ps脈沖，他與時標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的幀時標(biāo)脈沖pc同時輸入同步保護(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)，來判斷系統(tǒng)是否同步。如果不同步，該單元將產(chǎn)生一個指令，使系統(tǒng)處于待調(diào)整狀態(tài)。最后通過調(diào)整單元控制時標(biāo)發(fā)生器，調(diào)節(jié)幀時標(biāo)pc出現(xiàn)的相位。然后反復(fù)pc和ps比較過程，使系統(tǒng)同步。

3.1 幀定位碼檢測單元

　　設(shè)系統(tǒng)的幀定位碼長n=12，幀定位碼為“111100110000”。幀定位碼檢測單元將合路信號串行輸入12個串聯(lián)的移位寄存器，當(dāng)檢測到移位寄存器的12個輸出正好與幀定位碼相同時，馬上產(chǎn)生一個同步時標(biāo)ps負(fù)脈沖，其脈沖寬度為一個系統(tǒng)時鐘周期。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,由于干擾或中斷，可能使幀同步碼組丟失，這時要判斷是否真失步，以免錯誤的進(jìn)入捕捉過程。幀同步檢測電路在規(guī)定的時刻一旦有一次未發(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，通過比較同步時標(biāo)ps和幀時標(biāo)pc在時間上是否對準(zhǔn)來判斷系統(tǒng)狀態(tài)。ps為同步時標(biāo)，pc為幀時標(biāo)發(fā)生器產(chǎn)生的幀時標(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，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，系統(tǒng)就將判為失步狀態(tài)；若連續(xù)3次同步時，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，即系統(tǒng)失步時，調(diào)整單元開始進(jìn)入工作狀態(tài)。在該狀態(tài)下，如果檢測到pc與ps不同步，則通過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)檢測到下一個ps脈沖時，ps的下降沿會觸發(fā)產(chǎn)生一個置位負(fù)脈沖m=0；并在時鐘信號的?控制下，m延時半個系統(tǒng)時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標(biāo)發(fā)生單元復(fù)位。

3.4 幀時標(biāo)發(fā)生單元

  該單元的功能是定時的產(chǎn)生幀時標(biāo)pc，每個相鄰pc的間隔時間為一個幀周期。實(shí)現(xiàn)該功能就是將系統(tǒng)時鐘計(jì)數(shù)分頻,計(jì)數(shù)周期值為一個幀的長度，每隔一個幀周期就產(chǎn)生一個pc脈沖，脈沖寬度為一個時鐘周期。在幀時標(biāo)發(fā)生單元檢測到一個低電平的復(fù)位脈沖時,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)時鐘；pc是發(fā)生器產(chǎn)生的幀時標(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，其設(shè)計(jì)波形分別已做說明。在MaxPlusII開發(fā)軟件上采用原理圖輸入方式，根據(jù)同步單元各個功能塊的劃分，將各個功能模塊連接起來，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單元；PCFS模塊是幀時標(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為合路信號碼流，clk為系統(tǒng)時鐘；輸出端中pc為所需要的幀時標(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是檢測到幀同步碼后產(chǎn)生的同步時標(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個幀時標(biāo)pc脈沖出現(xiàn)時沒有同步時標(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個幀時標(biāo)pc脈沖與同步時標(biāo)ps脈沖不同步后，狀態(tài)量q1＝1。當(dāng)q1，q2同時為高電平時，該系統(tǒng)進(jìn)入搜捕狀態(tài)。由于在下一個pc脈沖出現(xiàn)前，該系統(tǒng)檢測到了一個同步時標(biāo)（該時標(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，幀時標(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)過一個幀周期，出現(xiàn)了置位后產(chǎn)生的第一個幀時標(biāo)pc脈沖，因?yàn)闆]有出現(xiàn)同步時標(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)幀時標(biāo)pc脈沖與同步時標(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)了一個偽同步碼，由于采取了保護(hù)措施（連續(xù)４個幀時標(biāo)pc脈沖與同步時標(biāo)ps脈沖不同步時，才判為失步），因此他沒有影響系統(tǒng)的正常工作。

4 結(jié)語

　　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。

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