基于FPGA的帧同步系统设计方案

块（Search）、校核状态模块（Check）及同步状态模块（Sync）。除了上电后启动搜索状态之外，当校核未 通过（CheckNum 帧内有一个校核帧未同步）或同步态失锁（连续SyncNum 帧未同步）时也需启动搜索状态，因此搜索状态的启动信号有复位信号（rst）、校核态重搜索信号（Research_check）和同步态重搜索信号 （Research_sync）；校核态的启动信号仅来自于搜索态（search_over），即只有当搜索到帧同步码后才能转入校核态，如果校核通过则 送出校核完成信号（check_over），校核未通过则送出重新搜索信号（Research_check）；同步态的启动信号仅来自于校核态 （check_over），只有校核通过后才能进入同步状态。进入同步态后，持续对同步码组进行检测，当检测到重新失锁后送出 Research_sync，重新启动搜索状态。图3为帧同步系统顶层VHDL程序文件采用Synplify Pro综合后的RTL原理图。

　　2.2 搜索模块的VHDL设计与仿真

　　搜索模块的对外接口如图3所示。其中，CLK_BitSync及Data_in分别为位同步时钟信 号和输入数据；Data_out为经2个时钟周期延时后的比特流数据。对输入数据的延时处理，是为了补偿产生search_over 时的处理时延，以便于脉冲信号search_over 与最后一位帧同步码对齐。

　　搜索输入比特流中的帧同步码组，首先需要将输入数据送入移位寄存器（Regdin）中，而后将 Regdin中的数据与帧同步码组相比即可。程序中将多路启动信号（rst、Research_check、Research_sync）取或后，作为异 步复位信号，用于启动一次搜索过程。搜索过程中，采用for循环对寄存器Regdin 与同步码组进行比较，通过逐位比较，每发现1 b不相同，则计数加1，计算出两者之间的汉明距离。计算完汉明距离后，判断是否大于容错门限ErrorNum，如大于容错门限则继续搜索，否则输出同步脉 冲search_over，并停止搜索。

　　图4为搜索模块的Modelsim仿真波形。其中，帧同步码长度LenCode=7， 帧同步码FrameCode="1011000"，容错门限ErrorNum=1.可以看出，复位后首先搜索到一次帧同步码组；当 Research_check为高电平，启动另一次搜索过程，比特流中搜索到"1001000（ErrorNum=1）"时，此时容错位数设置为1，因此 输出同脉冲search_over，并停止搜索过程，即使后续比特流中出现了"1011001（ErrorNum=1）"，仍然不输出同步脉冲。

　　2.3 校核模块的VHDL设计与仿真

　　为便于程序编写，校核模块主要由Check_Ce 进程和Checking 进程组成。Check_Ce 进程用于检测search_over信号，检测到信号出现高电平后，产生长度为CheckNum 帧数据的高电平允许信号CheckCe，并通过计数器Number 来标识每帧中数据及同步码组的位置。产生了CheckCe及Number信号后，Checking进程只需在CheckCe信号为高电平的范围内对同步码 组进行校核即可。校核完成后，需要使check_over（连续CheckNum帧均同步）或research_check（CheckNum帧内有一帧 未同步）信号产生一个高电平脉冲。帧校核的方法与搜索同步码组的方法类似，即通过汉明距离来判断是否同步。将校核态分成Check_Ce进程和 Checking进程来分别进行实现，则每个进程的功能划分更为简单，编程实现时也相对容易得多。

　　图5 是校核模块的Modelsim 仿真波形。其中，帧长度LenFrame=16，校核帧数CheckNum=2，容错门限ErrorNum=0，其余参数与搜索模块相同。从波形上很容易 看出，当search_over第一次出现高电平时，其后连续两组同步码均为"1011000（ErrorNum=0）";当search_over第二 次出现高电平时，其后第一组同步码为"1001000（ErrorNum=1）"，第二组同步码为"1011000（ErrorNum=0）"。因此第一 次帧校核顺利通过，校核完成后check_over输出一个高电平脉冲，research_check保持为低电平；第二次校核未通过，校核完成后 research_check输出一个高电平脉冲，check_over保持为低电平。

　　2.4 同步模块的VHDL设计与仿真

为了简化设计，将同步状态分为三个进程来完成，即计数器进程（Counter）、帧校验进程 （FrameChecking）和同步校验进程（SyncChecking）。Counter 进程用于产生帧内数据位置的计数，当检测到check_over 信号为高电平时，重新开始以帧周期（LenFrame）循环计数；FrameChecking 进程用于产生帧起始位置的同步脉冲，且高电平脉冲与同步码的最后1 b对齐，该进程首先需要对同步码组进行校核，如校核通过，则在同步码位置处产生一个高电平脉冲FramePosition，如果校验未通过，则在同步码位 置不产生高电平脉冲；SyncChecking进程通过判断FramePosition