基于FPGA的帧同步提取方法的研究

在可靠的通信系统中，要保证接收端能正确解调出信息，必须要有一个同步系统，以实现发送端和接收端的同步，因此同步提取在通信系统中是至关重要的。一个简单的接收系统框图如图1所示。

本文介绍一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的同步方案。FPGA是与传统PLD不同的一类可编程ASIC，它是将门阵列的通用结构与PLD的现场可编程特性结合于一体的新型器件，最早由美国Xilinx公司于1985年推出。FPGA具有集成度高、通用性好、设计灵活、开发周期短、编程方便、产品上市快捷等特点，它的门数可达100万门以上。近年来，FPGA在系统的硬件设计方面得到了广泛的应用。

1 同步序列码

本文介绍的帧同步提取是在每一帧的前面加扩频码，该扩频码必须具有良好的自相关性和互相关特性。表1是m序列码和Gold系列码的性能比较，从表中可以看出，m序列码的自相关性和互相关特性要比Gold系列码好得多，m序列码作为同步头具有较强的抗干扰能力和较低的截获概率，而且长的m序列更容易在一定的强噪声中被提取，这样就能够充分保证数据的正常通信。因此相对于Gold系列码来说，m序列码更适合于作为同步头。本文的同步序列码指的是M序列码，M序列码是由m序列码得到的，即在相应的m序列码后补零，用以实现PN码的相等匹配，因为对应m序列码来说，1的个数总是比0的个数多一个。 利用相关法，在同步头没有来临之时，其相关峰比较低;如果数据中的同步头和本地同步头完全对齐，那么就能够出现大的相关峰值，但这个峰值可能不会达到理论值，这是因为在数据传输中，数据流包括同步头都要受到噪声的干扰。因此，同步提取还要看同步是在一个什么样的噪声环境中才能良好工作。本文介绍的是长度为128的M序列码作为同步头的同步提取方法。之所以取长度为128的PN码作为同步信息，一方面是考虑到同步提取的复杂性要求同步信息不能太长，另一方面是要满足相关峰值尽可能的大，长度为128的PN码可以提供21dB的处理增益，这使得在一定的噪声背景下仍然可以提取到相关峰值。 图2是在信噪比为0dB下的相关情况。可以看出在0dB下长度为128的M序列码作为同步头的相关特性是良好的。图3是在信噪比为-7dB的情况下做的仿真。可以发现，由噪声所产生的相关峰增高，有超过最高相关峰的趋势。经过实验，信噪比继续降低时，真正的相关峰就会被噪声所产生的相关峰淹没，这样就不能提取出相关峰。因此，同步提取要考虑噪声的影响。