基于FPGA和DSP的通用帧同步器设计
| [摘 要]：本文对通信系统中数据传输的帧同步的实现方法进行研究，根据具体的工程需求，提出利用FPGA和DSP实现通用帧同步器的方法，它能够适应遥测数据的多种帧结构和容错要求。通过实际应用验证了本文系统具有配置灵活、抗*力强、通用性好等优点。 关键词：帧同步 FPGA DSP 0 引 言 同步是通信系统中的一个十分重要的问题。数字通信系统中包括载波同步、位同步和帧同步。同步使通信系统具有统一的时标，是系统间可靠地进行数据传输的重要保证。 传统的帧同步器，有适用范围小、功能简单、控制不灵活、抗*力差等缺陷。基于FPGA和DSP硬件平台的帧同步器，很容易实现数据时序的准确控制、应用多种同步保护措施和复杂算法，具有通用性强、配置灵活、抗*力强等特点。对于通信系统而言，可以适应不同帧结构和性能要求的通用帧同步器具有较高的应用价值。 本文介绍基于FPGA和DSP的能够适应多种帧结构和工程要求的通用帧同步器的设计与实现。 1 通用帧同步实现原理 数字通信中的数据流是由若干码元组成数字信息群。在通信双方进行数据流传输时，帧同步的任务就是在位同步信息的基础上，识别出数字信息群的起止时刻，并产生与之相一致的定时脉冲序列即帧同步信号。 数字通信系统中通常采用连贯式插入法实现帧同步。连贯式插入法就是在每帧的开头集中插入帧同步码组的方法。由于连贯式插入法具有帧同步建立时间比较短、易于实现的优点，因此在数据传输中被广泛应用。 要利用连贯式插入法实现帧同步，首要任务是把帧同步码组从数据流中识别出来，然后就是输出相应的同步信号。 帧同步码组的识别主要利用其自身具有尖锐的单峰性。本文采用匹配相关进行帧同步码组识别，帧同步码组、判决门限可以灵活配置，具有较强的抗*力。 同步信号的产生通常是由分频得到，但不够灵活，设计复杂。本文采用基于ROM查表的方法，简单灵活，具有较强的实用性。 为了提高帧同步系统同步建立的可靠性和抗*力，帧同步电路需要采用一定的保护措施，通常的做法是将帧同步的工作状态划分为捕获态和跟踪态。帧头判决的门限在捕获与跟踪状态下的自适应切换。 本文进一步采用捕获与失步二次门限判决、单帧／副帧并行检测、补帧校正等方法改善系统性能。二次门限判决即在捕获或失步发生时相应的增加其置信度，当达到一定值时才认定捕获或失步事件发生，对帧同步电路具有较强的保护能力。单帧／副帧并行检测可以降低由于单帧或副帧丢失而重新捕获，提高失步再捕速度。对于容错范围内出现的正同步码组丢失，通过补帧校正处理，可以提高系统的伪失步判别能力。 帧同步系统应该有同步建立时间短，失步再捕快；较强的抗*力，即识别伪失步和避免假同步的能力；同步保持时间长，失步概率小。通常用漏同步概率、假同步概率和帧同步建立时间来衡量帧同步系统的性能。 为提高帧同步系统的性能，需要认真选择帧同步码组和帧结构，并采取适当的保护措施。 2 硬件实现 本文将重点讨论使用连贯式插入法来实现参数可配置的、灵活多变的帧同步器，并zui终利用DSP和FPGA硬件实现。该帧同步器在考虑同步系统性能的前提下，适应同步码组长度范围为8~32bit；适应单帧、复帧结构，帧长可变；容错门限可自适应调整；实现伪失步时的补帧容错处理；可针对BPSK解调实现整帧的正相／反相变化。 帧同步 基于DSP、FPGA帧同步器的具体实现方法如下： 2．1 FPGA实现功能 利用FPGA提取单／副帧头匹配信号、并根据DSP的控制信号对数据流进行控制并输出相应的同步信号。 由于FPGA具有较高的处理速度和具有内置ROM等优点，可以用于实现数据流的串／并、并／串转换、同步码组的匹配识别、补帧、取反等数据流的控制，给出数据的单帧、复帧同步信号和字同步信号，给出DSP算法所需的帧匹配状态信号。 帧头的匹配识别采用较大的移位缓存，由DSP控制其匹配位数和匹配同步码组，根据系统处在捕获、跟踪状态调整门限，进行匹配相关和门限判决，适应不同的同步码组和容错要求。 同步信号的产生，可以由分频得到，但通用性不强，不够灵活。本文采用FPGA内部的ROM查表产生，根据帧长及帧结构的不同可灵活变化，具有很强的通用性。利用FPGA内部的ROM制表，由DSP给出同步建立信号作为使能信号，采用类似NCO的方法，将DSP配置的长度信息转换为同步信号的初始时刻信息，查表输出单帧、复帧、字同步 信号。该方法简单灵活，实用性强。 2．2 DSP实现功能 利用DSP实现帧的捕获和跟踪、补帧、取反算法，给出数据流的控制信号。 利用DSP指令灵活、可实现复杂算法的优点，对系统进行初始化配置，根据不同的遥测帧结构。 配置帧同步码组、帧长度、单帧个数、帧头匹配容错门限、捕获匹配验证次数、伪失 步容限等；根据FPGA提取的帧同步码组的匹配信息，实现帧的捕获与跟踪、补帧、取反算法，并给出相应的控制信号。 帧同步器还提供显示、记录、数据处理等所需的相应信息。这些信息通常包括同 步／失步、字同步、帧同步、副帧同步指示等。 3 捕获过程及结果 根据遥测数据的特点，为了提高帧同步器的性能，采用自适应门限、二次门限判决、单帧／副帧并行检测策略。 由于采用副帧结构，并且为使同步建立后，同步能够长时间的保持，使遥测数据连续可靠的记录。采用自适应门限、二次门限判决、单／副帧并进行检测可大大减少同步、失步再捕的建立时间。 下面给出帧捕获过程： 初始化：DSP对系统参数进行设置，包括单帧初步门限、捕获验证次数、帧结构等。 单帧捕获态：进行单帧初捕，设定初捕门限较低，以减少捕获时间。 捕获验证态：进行单帧捕获验证，设定验证次数爿：提高门限值，增加捕获可靠性；同时进行复帧初捕和验证，实际应用中门限、验证次数可根据具体要求设置，以达到快速、可靠捕获的目的。 同步跟踪监测态：进行单帧检测，如果出现丢帧现象，在丢帧容限内，进行补帧处理，否则返回第2步重新进行捕获；同时进行复帧检测，如果出现丢失现象，则返回第3步进行复帧捕获，但不进行单帧捕获。 4 结束语 以上的设计和结果基于Alter公司的stratix系列的EPlS25F67217和TI公司的TMS320C5416器件，波形仿真图基于QuartusII5．0仿真开发环境。通过以上的设计原理介绍和性能分析，本文设计的帧同步器具有以下优点：整个同步过程数据流不经过DSP，节省了数据处理时间；具有较强的抗干扰性，帧头识别的自适应性、丢帧的补正容错能力；基 于软件无线电思想的设计，使其具有较强的通用性，适应多种可变的帧结构、同步码，参数可灵活配置；采用自适应门限、二次门限判决、单帧／复帧并行检测策略，缩短了同步建立时间并提高了可靠性。 |
关键词：数据传输
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