帧同步电路的设计
2 同步方案的选择 帧同步通常采用的方法有逐位调整法和置位调整法［3,4］。2.1 逐位调整法 逐位调整法的基本原理［3］是调整收端本地帧同步码的相位，使之与收到的总信码中的帧同步码对准。收端本地帧同步码产生后，送入同步码检测电路，总信码也送入同步码检测电路。如本地帧同步码的相位没有对准总信码中的帧同步码位，检测电路就输出一个一定宽度的扣除脉冲，利用该扣除脉冲将再生主时钟脉冲扣掉一个，使收端的时间相对于总信码后移了一位码元时间。再生信码仍按主时钟节拍不停的送来，而本地定时系统仍保留在原来位置不动，停止的时间为一个主时钟周期。这样，同步码检测电路相当于检测下一位信码。如果下一位的检测结果仍不一致，则再扣除一位主时钟。按这样搜索下去，直至检测到与同步码相同的信码相位为止。2.2 置位调整法 在失帧期间，接收设备时序发生器被置于一个特定的等待状态，即接收设备帧状态处于特定的预置状态；接收码流逐比特进入帧定位信号检测电路，一旦其中全部 n位信码与规定的帧定位信号码相同，就输出一个控制信号，启动接收设备的时序发生器，同时用接收时钟信号来推动他。然后经过一个检测周期的时间检验判断。如果未建立正确的相位关系，就重复上述过程；如果确定建立了正确的相位关系，就保持这种相位关系并结束搜捕过程。如果接收码流中未同步前的任何一段信码都不出现帧定位码型，而且帧定位码中不发生误码，那么只要遇到一个完整的帧定位码组就足以建立起同步，可见这时完成搜捕过程比较快。由于噪声的影响，可能存在虚警现象和漏检现象，使搜捕时间延长。2.3 两种方法的比较 在非同步位置上，移位调整法每调整一次都要检验一次；而置位调整法只有出现虚警现象时才检验一次。可见，后者比较节省时间。 在同步位置上，逐位调整法不管帧定位码中是否出现误码总要检验一次，而且即使有某种程度的误码也可能做出相位关系的正确判断；而置位调整法，只要帧定位码中有误码，就一定错过了建立同步的机会。可见后者会把搜捕时间拖长。 综合上述两方面，当合路信号误码率较高时，逐位调整法的平均搜捕时间较短；当合路信号误码率较低时，置位调整法的平均搜捕时间较短。数字信道误码率按国际推荐常常是相当低的，不可用误码率门限也只有1×10-3，一般采用置位调整法比较合适［3,4］。3 帧同步系统的设计 本设计采用置位调整法。帧同步单元大致可以分为4块：帧定位码检测单元、同步保护及校核单元、调整单元和帧时标发生单元。 其原理框图如图2所示。
当合路信号pcm串行输入帧定位码检测单元，当检测到同步时标时，输出一个同步时标ps脉冲，他与时标发生器产生的帧时标脉冲pc同时输入同步保护及校核单元。在同步保护及校核单元，通过比较ps和pc同步与否，以及连续同步或不同步的次数，来判断系统是否同步。如果不同步，该单元将产生一个指令，使系统处于待调整状态。最后通过调整单元控制时标发生器，调节帧时标pc出现的相位。然后反复pc和ps比较过程，使系统同步。3.1 帧定位码检测单元 设系统的帧定位码长n=12，帧定位码为“111100110000”。帧定位码检测单元将合路信号串行输入12个串联的移位寄存器，当检测到移位寄存器的12个输出正好与帧定位码相同时，马上产生一个同步时标ps负脉冲，其脉冲宽度为一个系统时钟周期。波形如图3所示。
3.2 同步保护及校核单元 在失步状态，帧同步检测电路一旦发现同步码，校核计数器就开始计数。如果随后在规定时刻上又连续发现(α1)次，即校核计数到α，就确定进入同步态。此处的α称为后方保护计数。在同步状态时,由于干扰或中断，可能使帧同步码组丢失，这时要判断是否真失步，以免错误的进入捕捉过程。帧同步检测电路在规定的时刻一旦有一次未发现同步码,保护计数器就计1。如果随后在规定的时刻上又连续(β-1)次未发现,即保护计数到β,就进入失步状态。此处的β称为前方保护计数。本设计中,β=4；α=3。波形见图4。
设计中，通过比较同步时标ps和帧时标pc在时间上是否对准来判断系统状态。ps为同步时标，pc为帧时标发生器产生的帧时标，q1指示了系统的状态，q1 =0表示系统处于同步状态，q1=1表示系统处于捕捉状态。如图4，当pc从低电平跳变到高电平时，如果ps=0则表示他们同步；如果ps=1则表示他们不同步。如果ps与pc连续4次不同步时，系统就将判为失步状态；若连续3次同步时，系统就将恢复为同步状态。3.3 调整单元 该单元在检测到q1=1后,就进入待调整状态。在进行调整后,将输出一个调整指令。产生调整指令的逻辑关系可表示为： 图5为调整单元波形。在q1=1时，即系统失步时，调整单元开始进入工作状态。在该状态下，如果检测到pc与ps不同步，则通过pc的上升沿把状态量 q2置为高电平并保持，即q2=1。在q1=1，q2=1的情况下，当检测到下一个ps脉冲时，ps的下降沿会触发产生一个置位负脉冲m=0；并在时钟信号的控制下，m延时半个系统时钟周期后重新将置位脉冲恢复为高电平m=1。该置位脉冲用于帧时标发生单元复位。
3.4 帧时标发生单元 该单元的功能是定时的产生帧时标pc，每个相邻pc的间隔时间为一个帧周期。实现该功能就是将系统时钟计数分频,计数周期值为一个帧的长度，每隔一个帧周期就产生一个pc脉冲，脉冲宽度为一个时钟周期。在帧时标发生单元检测到一个低电平的复位脉冲时,计数器复位清零并重新开始计数。波形如图6所示。图中 clr为复位清零端；clk为系统时钟；pc是发生器产生的帧时标。3.5 同步单元的整体设计 我们用VHDL设计完成各模块，并在MaxPlusII开发软件上编译通过，其设计波形分别已做说明。在MaxPlusII开发软件上采用原理图输入方式，根据同步单元各个功能块的划分，将各个功能模块连接起来，同步单元设计如图7所示。 图中，ZJC模块是帧定位码检测单元；PCFS模块是帧时标发生单元；SBBJ模块是同步保护及校核单元；TZ模块是调整单元。输入端pcm为合路信号码流，clk为系统时钟；输出端中pc为所需要的帧时标，其他的输出为同步单元的一些状态参考量， q1指示了系统所处的状态是同步还是失步；ps是检测到帧同步码后产生的同步时标；m为调整单元的调整指令。
图8是整体设计在MaxPlusII软件中的波形图。在第1个帧时标pc脉冲出现时没有同步时标ps脉冲，则状态量q2＝1。该同步系统的前方保护系数 β=4，在连续4个帧时标pc脉冲与同步时标ps脉冲不同步后，状态量q1＝1。当q1，q2同时为高电平时，该系统进入搜捕状态。由于在下一个pc脉冲出现前，该系统检测到了一个同步时标（该时标为伪同步码产生的），马上输出调整指令脉冲m=0。此时，帧时标pc脉冲发生器被置位，重新开始计数；状态量恢复为q2=0。再经过一个帧周期，出现了置位后产生的第一个帧时标pc脉冲，因为没有出现同步时标ps脉冲，则q2=1。此后，又重新搜捕。当搜捕到同步码后，如果出现帧时标pc脉冲与同步时标ps脉冲连续3次同步（后方保护系数α=3），则表示捕捉成功，系统重新进入同步状态。图中，在恢复到同步态后出现了一个伪同步码，由于采取了保护措施（连续４个帧时标pc脉冲与同步时标ps脉冲不同步时，才判为失步），因此他没有影响系统的正常工作。
4 结语 置位调整法是帧同步电路设计中通常采用的方法，为降低系统的漏检概率和虚警概率，设计中采用前方保护和后方保护。同步系统各模块全部用VHDL编程实现，整体设计在MaxPlusII软件中调试通过。