同步^[3]是通信系統(tǒng)的一個(gè)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(jì)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(jì)一個(gè)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(shí)將提取到的同步字碼組送入漢明距累加器計(jì)算漢明距并與檢測(cè)門限進(jìn)行比較；同步控制狀態(tài)機(jī)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(shí)現(xiàn)同步。當(dāng)數(shù)據(jù)幀較大時(shí)，由于數(shù)據(jù)緩沖器較長，隨著數(shù)據(jù)速率" title="數(shù)據(jù)速率">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(shí)由于同步判斷時(shí)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(jì)方法。
1 并行同步的基本原理
　　當(dāng)通信系統(tǒng)的接收機(jī)收到一路初始位置隨機(jī)的高速數(shù)碼流時(shí)，為能穩(wěn)定地提取同步字碼組而實(shí)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" title="串并轉(zhuǎn)換">串并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)碼流中，同步字節(jié)中各個(gè)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(jìn)行說明。假設(shè)圖1是一段包括一個(gè)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(gè)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(jī)性，同步字節(jié)各個(gè)比特的位置可能是圖2或圖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(duì)稱分開，高位A7在上邊一路中。圖3中的同步字節(jié)沒有對(duì)稱分開，高位A7在下邊一路。同步過程中可以對(duì)這兩種同步字相位情況進(jìn)行搜索提取，計(jì)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(shí)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(jì)與仿真
　　考慮到成本等具體情況，設(shè)計(jì)中采用了Altera公司Flex10K系列FPGA芯片EPF10K30RC240-3，需要設(shè)計(jì)的同步緩沖器是一個(gè)緩沖長度可調(diào)、深度可變、嵌有4個(gè)位置可變的同步字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在第一、第二個(gè)同步字間和第三、第四個(gè)同步字間采用移位寄存器，其長度可調(diào)；在第二、第三個(gè)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(jì)中先將串行數(shù)據(jù)進(jìn)行一路到兩路轉(zhuǎn)換，再分別對(duì)兩種同步字相位進(jìn)行搜索提取同步字碼組，計(jì)算漢明距，經(jīng)同步狀態(tài)控制機(jī)給出同步控制信號(hào)和同步指示信號(hào)。該同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理框圖如圖4所示。

　　其中5A、0F、BE、66是十六進(jìn)制的四個(gè)同步字節(jié)；I_d和D_i是交織器的兩個(gè)參數(shù)；32比特進(jìn)位保留流水加法陣列用于計(jì)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(jì)算方式，分別對(duì)不同相位所提取的同步字碼組進(jìn)行漢明距計(jì)算，并將結(jié)果送同步狀態(tài)控制機(jī)，進(jìn)行同步搜索、同步監(jiān)視和同步保護(hù)等。
　　設(shè)計(jì)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(cè)門限為漢明距不超過1)、失步" title="失步">失步保護(hù)判斷4次(檢測(cè)門限是漢明距超過6)的設(shè)計(jì)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(shí)，兩路搜索同時(shí)工作，當(dāng)?shù)谝宦窓z測(cè)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(cè)到同步字碼組而第二路檢測(cè)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(shí)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(jìn)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(hù)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(gè)時(shí)鐘周期(設(shè)計(jì)中工作7個(gè)時(shí)鐘周期，因?yàn)闈h明距發(fā)生器加了7級(jí)流水)的工作方式，從而使得同步系統(tǒng)的能量消耗降為最小。進(jìn)入同步狀態(tài)后，當(dāng)系統(tǒng)在一幀的同步字碼組處檢測(cè)到的結(jié)果不滿足漢明距門限值時(shí)，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入同步保護(hù)一次狀態(tài)；系統(tǒng)繼續(xù)在下一幀的同步字碼組處進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)再次檢測(cè)到結(jié)果不滿足漢明距門限值時(shí)，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入同步保護(hù)兩次狀態(tài)；以此類推，當(dāng)同步系統(tǒng)連續(xù)四次判斷漢明距不滿足門限要求時(shí)，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)入失步狀態(tài)，同時(shí)令兩路同步搜索系統(tǒng)同時(shí)開始搜索，系統(tǒng)進(jìn)入并行同步捕獲狀態(tài)。注意：在捕獲過程中第一路搜索優(yōu)先于第二路。

　　為了測(cè)試同步系統(tǒng)，在模擬發(fā)送端數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬同步信號(hào)源。該信號(hào)源僅在數(shù)據(jù)幀的同步字碼組處插入同步字碼組，在其它位置上均輸出255。采用該模擬同步信號(hào)源測(cè)試兩路并行同步系統(tǒng)，在MaxplusII中進(jìn)行了仿真，仿真波形如圖6所示。圖6中Clk44832是輸入的基帶數(shù)據(jù)時(shí)鐘(時(shí)鐘周期20ns)；SynIndication是同步指示信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)變高時(shí)，表示系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)，變低時(shí)，則表示系統(tǒng)處于失步狀態(tài)；InitDeI、InitRSDeCoder和Flag是同步系統(tǒng)的控制信號(hào)；SynStateMachine[2..0]是同步控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)信息，0狀態(tài)和1狀態(tài)是失步狀態(tài)，2狀態(tài)是同步監(jiān)視狀態(tài)，3、4、5狀態(tài)是同步保護(hù)狀態(tài)。Syn1Code1[7..0]、Syn1Code2[7..0]、Syn1Code3[7..0]和Syn1Code4[7..0]是第一路同步系統(tǒng)的4個(gè)同步字節(jié)緩沖器；Syn2Code1[7..0]、Syn2Code2[7..0]、Syn2Code3[7..0]和Syn2Code4[7..0]是第二路同步系統(tǒng)的4個(gè)同步字節(jié)緩沖器，分別用于提取第一路、第二路同步系統(tǒng)的同步字碼組。Hamming_D1[5..0]、Hamming_D2[5..0]分別是第一路和第二路漢明距發(fā)生器計(jì)算所得到的漢明距。模擬同步信號(hào)源設(shè)計(jì)成從第一路同步到失步，從第二路同步到失步，再從第一路同步搜索轉(zhuǎn)換到第二路同步搜索、第二路同步的過程。從圖6中可清楚地看到同步系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。證明同步系統(tǒng)工作正常。

3 兩路并行幀同步系統(tǒng)的測(cè)試與應(yīng)用
　　在正常情況下，系統(tǒng)初始化結(jié)束后，同步指示燈應(yīng)該變亮，此時(shí)表明同步系統(tǒng)已經(jīng)同步，電路已經(jīng)正常工作。測(cè)試過程中，首先按下復(fù)位鍵，讓同步指示燈熄滅，然后松開復(fù)位鍵，使得系統(tǒng)開始一次新的同步搜索；當(dāng)同步指示燈再次變亮?xí)r，說明系統(tǒng)已經(jīng)重新建立同步，根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試控制開關(guān)的位置和測(cè)試端口的數(shù)據(jù)，可以讀出同步計(jì)數(shù)器的數(shù)值，從而計(jì)算出同步捕獲時(shí)間。計(jì)算公式為：
　　同步捕獲時(shí)間=(高4位×65536+中8位×256+低8位)×40×10^-9s?????????? (1)
　　其中，高4位、中8位和低8位分別表示同步計(jì)數(shù)器的高4位、中8位和低8位二進(jìn)制結(jié)果。
　　在沒有誤碼的理想情況下，本系統(tǒng)同步捕獲時(shí)間tc應(yīng)滿足：
　　(19968+7)×40×10^-9s≤t_c≤(19968×2+6)×40×10^-9s
　　即：799μs≤t_c≤1597.68μs????????????????????????????????????????? (2)
　　在有誤碼的情況下，系統(tǒng)漏掉一次同步字碼組的同步捕獲時(shí)間t_c應(yīng)該滿足：
　　 (19968×2+7)×40×10^-9s≤t_c≤(19968×3+6)×40×10^-9s
　　即：1597.72μs≤t_c≤2396.40μs????????????????????????????????????? (3)
　　在誤碼率很高、系統(tǒng)連續(xù)漏掉n次同步字碼組的同步捕獲時(shí)間tc應(yīng)該滿足：
　　[19968×(n-1)+7]×40×10^-9s≤t_c≤(19968×n+6)×40×10^-9s?????????? (4)
　　實(shí)際測(cè)量中，采用偽隨機(jī)序列模擬噪聲干擾。在誤比特率為10^-4情況下，對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行了一系列的測(cè)量，表1是其中具有代表性的結(jié)果。

　　表1中的測(cè)量結(jié)果是根據(jù)公式(1)計(jì)算得出的，其中有5次結(jié)果滿足(2)式，說明此時(shí)同步系統(tǒng)沒有漏掉同步字碼組，達(dá)到了同步的期望效果；有一次結(jié)果超過1.59768ms了，但滿足(3)式，說明同步系統(tǒng)在該誤碼率情況下，漏掉了一個(gè)同步字碼組。在實(shí)際的大量測(cè)量過程中，這種情況出現(xiàn)的次數(shù)很少，說明這是小概率事件。
　　在本設(shè)計(jì)中，每幀數(shù)據(jù)為39936比特，采用兩路并行同步，每幀每路漢明距發(fā)生器要工作19968個(gè)時(shí)鐘。設(shè)計(jì)中采用的全節(jié)能設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)在失步時(shí)，兩路同步搜索系統(tǒng)同時(shí)工作，在同步監(jiān)視和同步保護(hù)狀態(tài)時(shí)，同步系統(tǒng)僅在每幀的同步字碼組位置處其中的一路工作7個(gè)時(shí)鐘周期，其它時(shí)刻兩路均不工作。半節(jié)能設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)在失步時(shí)，兩路同步搜索系統(tǒng)同時(shí)工作，在同步監(jiān)視和同步保護(hù)狀態(tài)時(shí)，只有其中的一路工作。在同步監(jiān)視和同步保護(hù)狀態(tài)時(shí)，全節(jié)能設(shè)計(jì)從每幀工作39936個(gè)時(shí)鐘降為7個(gè)時(shí)鐘，半節(jié)能設(shè)計(jì)從每幀工作39936個(gè)時(shí)鐘降為19968個(gè)時(shí)鐘。這樣，全節(jié)能設(shè)計(jì)與半節(jié)能設(shè)計(jì)相比，每幀數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)少工作19961個(gè)時(shí)鐘。經(jīng)測(cè)試，采用全節(jié)能同步設(shè)計(jì)方案，接收板工作電流約為700mA，采用半節(jié)能同步設(shè)計(jì)方案，接收板工作電流約為780mA，因此全節(jié)能同步設(shè)計(jì)比半節(jié)能同步設(shè)計(jì)節(jié)省功耗約為(780-700)×5×10^-3=0.4W。可見，節(jié)能效果明顯。
　　兩路并行同步設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的幀同步系統(tǒng)在實(shí)際的某衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)抗干擾編解碼部分中工作穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了理想的預(yù)期效果。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用簡圖如圖7所示。

4 多路并行幀同步系統(tǒng)
　　當(dāng)數(shù)據(jù)速率進(jìn)一步提高，兩路并行同步也不能穩(wěn)定提取同步字碼組時(shí)，可以采用更多路的并行同步。實(shí)現(xiàn)方法是將輸入的串行高速數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，再根據(jù)串并轉(zhuǎn)換后同步字可能存在的幾種不同相位進(jìn)行同步搜索，提取同步字碼組，計(jì)算漢明距，為同步狀態(tài)控制機(jī)提供同步信息。同步系統(tǒng)在開始時(shí)進(jìn)行多路并行同步搜索，當(dāng)其中一路捕獲到同步字碼組后，其它各路就停止工作,系統(tǒng)僅按一路同步系統(tǒng)工作。設(shè)計(jì)中可以設(shè)成同步捕獲優(yōu)先級(jí)從小到大，即第一路優(yōu)先于第二路，第二路優(yōu)先于第三路……。這樣有利于同步系統(tǒng)各個(gè)狀態(tài)之間的正常轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中要采用多路全節(jié)能設(shè)計(jì)方式，當(dāng)系統(tǒng)處于同步捕獲狀態(tài)時(shí)，多路同步搜索系統(tǒng)同時(shí)工作；當(dāng)系統(tǒng)處于同步監(jiān)視和同步保護(hù)狀態(tài)時(shí)，同步系統(tǒng)僅在每幀數(shù)據(jù)的同步字碼組位置處工作幾個(gè)時(shí)鐘。實(shí)際通信中，由于系統(tǒng)大部分時(shí)間處于同步監(jiān)視狀態(tài)，因而全節(jié)能設(shè)計(jì)方案可以使得同步系統(tǒng)的功耗降為最小。由于兩路并行同步可以將數(shù)據(jù)速率降為輸入數(shù)據(jù)速率的二分之一，三路并行同步可以降為三分之一，…。當(dāng)采用N路并行同步時(shí)，可以將數(shù)據(jù)速率降為輸入數(shù)據(jù)速率的N分之一。設(shè)N為8，由于一路同步搜索系統(tǒng)至少可以穩(wěn)定可靠地工作于25Mbps上，則該同步系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作的最高數(shù)據(jù)速率至少可以達(dá)到25×8=200Mbps。可見，多路并行幀同步設(shè)計(jì)方案對(duì)于高速數(shù)據(jù)幀同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有意義的。