基于FPGA的帧同步系统设计方案

　　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 来确定系统是否处于同步状态，即只需判断FramePosition是否连续在同步码组的位置出现低电平，如连续出现SyncNum 次低电平，则判断为失锁，否则继续维持同步状态。

　　图6 是同步模块的Modelsim 仿真波形。其中同步态校核帧数SyncNum=2，其他参数与校核态相同。从图中可以看出，当检测到check_over为高电平时，计数器Number 开始以周期为帧长LenFrame=16循环计数。当check_over 出现高电平时，其后连续4 组同步码为 “1011000(ErrorNum=0)”，“1001000(ErrorNum=1)”，“1001000(ErrorNum=1)”，“1001000(ErrorNum=1)”。 由于此时设置的容错门限ErrorNum=0，因此第一帧同步码校核通过，输出了同步脉冲FramePosition，此后出现连续3 个校核未通过的数据帧。同步状态信号State_Sync 高电平状态持续维持了2 帧数据的长度，而后停止同步状态，输出失步信号research_sync，用于启动搜索过程。

　　3 帧同步系统的FPGA实现及仿真

　　本实例的目标器件为XC3S200-4FT200，FPGA实现后，查找表资源(LUTs)占用了 484 个(12%)，全局时钟资源(GCLKs)占用了1个(12%)。最高系统时钟频率(Maximum frequency)可达54.81 MHz.图7 是帧同步系统的Modelsim 仿真波形。其中，各模块的容错门限ErrorNum均为0，其他同步参数不变。

　　图7 实际上对帧同步系统的搜索、校核、校核未通过、失步、重新搜索、重新同步等过程进行了完整的仿真测试。

　　4 结语

　　本方案是基于模块化设计思想，采用VHDL语言对帧同步系统进行设计实现，有利于程序的移置及维 护。方案设计的关键在于理解各模块之间的信号接口关系及时序关系。在模块设计时，通过进一步合理划分模块内部的结构，可以更好地理清程序思路并提高设计方 案的效率。最后利用Modelsim 6.0软件进行了仿真测试。仿真结果表明，该方案中设计的同步系统工作稳定，满足性能要求。