可變幀結(jié)構(gòu)的PCM遙測(cè)幀同步器設(shè)計(jì)

1、可變幀結(jié)構(gòu)的PCM遙測(cè)幀同步器設(shè)計(jì)張曉威,蘇淑靖（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原，030051）摘要：針對(duì)傳統(tǒng)幀同步器只能對(duì)固定幀格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步的缺點(diǎn)，提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的幀同步方案，用戶可根據(jù)實(shí)際需求通過上位機(jī)軟件配置幀長(zhǎng)、幀同步字等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)的PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步。該方案采用了參數(shù)可調(diào)的同步容錯(cuò)及前后方保護(hù)機(jī)制，提高了幀同步的可靠性和穩(wěn)定性。給出了幀同步方案的工作原理，以及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)其同步性能進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果表明該方案對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)均可實(shí)現(xiàn)幀同步。關(guān)鍵字：PCM；遙測(cè)；幀結(jié)構(gòu)；幀同步；FPGA中圖

2、分類號(hào)：TN919.3+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADesign of Variable Frame PCM Telemetry Frame synchronizerZHANG Xiao-wei, SU Shu-jing(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China,Taiyuan of Shanxi Province, 030051,China)Abstract：Data can only be fixed frame format frame synchronizati

3、on of the shortcomings of the traditional frame synchronizer is proposed based on field programmable gate array (FPGA) frame synchronization scheme, the user can configure the frame length by the PC software according to actual demand, the frame sync word and other parameters to achieve the PCM fram

4、e structure different telemetry data frame synchronization. The program uses a synchronous fault tolerance and front and rear protective mechanism adjustable parameters to improve the reliability and stability of the frame synchronization. Shows the working principle of the frame synchronization sch

5、eme, and the implementation of key technologies, in practical applications to analyze its synchronization performance, the test results show that the program data of different frame structure can achieve frame synchronizationKey words: PCM; Telemetry; Frame format; Frame synchronization; FPGA0 引言在數(shù)字

6、傳輸系統(tǒng)中，常采用幀同步的方法確定遙測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)流中的位置，通過在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（60866039）作者簡(jiǎn)介：張曉威(1989- )，女，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娐废到y(tǒng)的診斷與檢測(cè)；蘇淑靖(1971-)，女，山西呂梁人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦兄c探測(cè)，信號(hào)處理。進(jìn)行幀格式化處理，在接收端利用幀同步技術(shù)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。遙測(cè)技術(shù)作為軍工測(cè)試和民用試驗(yàn)領(lǐng)域的主要手段，獲得了極大的發(fā)展。隨著所需測(cè)量的參數(shù)越來越多，速率越來越快，數(shù)據(jù)編幀日益復(fù)雜，形成了各種各樣的測(cè)試設(shè)備，而各種測(cè)試設(shè)備之間不能通用，帶來了很大不方便的同時(shí)，也造成了極大地資源浪

7、費(fèi)。為了改善這一問題，需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠?qū)Σ煌瑤Y(jié)構(gòu)的PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行同步的幀同步器1。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及超大規(guī)模集成電路的成熟使用，本文提出了基于FPGA的可變幀結(jié)構(gòu)幀同步方案，通過上位機(jī)與FPGA互連，使用上位機(jī)軟件下發(fā)幀同步參數(shù)的方式，完成對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流的幀同步，并采用容錯(cuò)技術(shù)和同步保護(hù)，提高幀同步器的性能。1 PCM遙測(cè)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)PCM編碼方式是目前的遙測(cè)系統(tǒng)中使用最多的數(shù)據(jù)傳輸方式，可以實(shí)現(xiàn)多路時(shí)分復(fù)用數(shù)字傳輸。遙測(cè)數(shù)據(jù)以幀作為可識(shí)別的傳輸單位，一幀一幀地順序傳輸2。其典型的幀格式如圖1所示。圖1 PCM遙測(cè)幀格式如圖1所示一幀數(shù)據(jù)包含一個(gè)K位的幀同步碼組和N路數(shù)據(jù)，其中幀

8、同步碼組用來進(jìn)行幀同步定位，使遙測(cè)時(shí)的接收設(shè)備能夠同步于發(fā)射設(shè)備，能通過幀同步器來完成數(shù)據(jù)流的分路或分字，并把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)流。一般根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)流的特性，選取自相關(guān)性最好的固定碼作為幀同步碼組。如果幀同步碼組的長(zhǎng)度太短，則在數(shù)據(jù)流內(nèi)的非同步碼位置上出現(xiàn)假同步的概率很高，而當(dāng)幀同步碼組過長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)占用較大的有效信道容量，所以對(duì)于不同的遙測(cè)數(shù)據(jù)有著各自的幀結(jié)構(gòu)。本文要實(shí)現(xiàn)的幀同步器的工作指標(biāo)為幀長(zhǎng)3256字，幀同步碼組采用GJB21.2A標(biāo)準(zhǔn)的同步碼組，碼組長(zhǎng)833位可選。實(shí)際應(yīng)用中用戶根據(jù)需求通過軟件配置確定的幀長(zhǎng)和幀同步碼組。2 幀同步器組成幀同步器各功能模塊主要有：參數(shù)配置模塊，相關(guān)

9、檢測(cè)模塊，幀同步狀態(tài)控制模塊和輸出控制模塊，其工作原理圖如圖2所示。圖2 幀同步原理圖在幀同步器開始工作之前，需要從上位機(jī)下載幀結(jié)構(gòu)參數(shù)，由參數(shù)配置模塊完成各參數(shù)配置，包括幀同步碼組、幀長(zhǎng)、字長(zhǎng)、相關(guān)運(yùn)算所需的參數(shù)和同步保護(hù)參數(shù)。幀同步器的幀同步流程為：首先，串行數(shù)據(jù)流進(jìn)入相關(guān)檢測(cè)器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，檢測(cè)是否有同步碼組出現(xiàn)，并將檢測(cè)值實(shí)時(shí)送至同步判決電路；同步判決電路根據(jù)檢測(cè)值完成對(duì)同步狀態(tài)的控制，同步狀態(tài)有搜索、校驗(yàn)、鎖定三種狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入鎖定態(tài)時(shí)，表示達(dá)到幀同步，輸出幀同步信號(hào)；最后，輸出控制電路在幀同步信號(hào)的控制下，根據(jù)字長(zhǎng)及位字順序參數(shù)輸出并行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)，完成數(shù)據(jù)流的分路。2.1

10、相關(guān)檢測(cè)器設(shè)計(jì)相關(guān)檢測(cè)是通過將數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換，與幀同步碼進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)流中是否有幀同步碼出現(xiàn)，從而確定一幀的開始位置。本文要實(shí)現(xiàn)833位可變的幀同步碼的相關(guān)檢測(cè)，其關(guān)鍵是計(jì)算出移位寄存器值與同步碼組間的漢明距離(兩個(gè)碼組對(duì)應(yīng)位不同的個(gè)數(shù))。本設(shè)計(jì)相關(guān)檢測(cè)器結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。圖3 幀同步碼檢測(cè)器結(jié)構(gòu)移位寄存器將串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械臄?shù)據(jù)輸出，為了保證最長(zhǎng)的幀同步碼組的檢出，移位寄存器長(zhǎng)度設(shè)為33級(jí)，即M = (M32，M31，M30，.，M2，M1，M0)。圖中A為待檢測(cè)同步碼組的配置值，為了達(dá)到幀同步碼組可變的運(yùn)算目的，當(dāng)同步碼組長(zhǎng)為n(n33)時(shí)，則設(shè)置A的低n位為同步碼組，高位用0補(bǔ)

11、足33位。將A和M進(jìn)行逐位異或，則漢明距離為所得結(jié)果X內(nèi)低n位中的1的個(gè)數(shù)。配置一個(gè)同樣為33位的參數(shù)B，使其低n位為1，高位為0，將X和B相與，便可以屏蔽掉X高位中的1，得到值Y=(Y32，Y31，Y30，.，Y2，Y1，Y0)，最后使用一個(gè)加法計(jì)數(shù)器計(jì)算Y內(nèi)1的個(gè)數(shù)即可得到漢明距離d=?？梢钥闯?，整個(gè)相關(guān)運(yùn)算中的操作數(shù)都是以33位為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)算。這樣處理可以使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，只需要根據(jù)幀同步碼組配置出相應(yīng)的操作數(shù)即可，而不用設(shè)計(jì)復(fù)雜的可變長(zhǎng)移位寄存器和可變長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器。對(duì)FPGA而言，包含了大量組合邏輯的相關(guān)運(yùn)算必然會(huì)成為整個(gè)幀同步器的關(guān)鍵路徑，它的時(shí)延決定了幀同步器的工作速度。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速度

12、較快時(shí)，相關(guān)運(yùn)算的速度可能無法滿足要求，這時(shí)可以采用并行同步處理的方法降低工作速度3，具體可以參考文獻(xiàn)3。2.2 同步判決電路設(shè)計(jì)同步判決電路的主體為一個(gè)狀態(tài)機(jī)，包含了容差值可調(diào)的同步容差電路和保護(hù)參數(shù)可變的保護(hù)電路。同步容差是指同步判決過程中，可以在一定程度上允許幀同步碼誤碼。若容差值為s，則當(dāng)漢明距離ds時(shí)，便看作檢測(cè)到幀同步碼組。這樣即使由于干擾造成s位的誤碼，也可以檢測(cè)到幀同步碼組。保護(hù)電路主要是在同步和失步狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中增加前向校驗(yàn)(門限為)和后向校驗(yàn)(門限為)，為幀同步狀態(tài)起到保護(hù)作用。同步判決電路根據(jù)相關(guān)檢測(cè)器的檢測(cè)值控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并控制產(chǎn)生幀同步信號(hào)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖

13、4所示。圖4 同步狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為搜索態(tài)，在失步狀態(tài)下，判決電路會(huì)在每個(gè)時(shí)鐘判斷相關(guān)檢測(cè)值d，容差門限為s，當(dāng)檢測(cè)到d小于s時(shí)，便可以判定為檢測(cè)到幀同步碼，并立即啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)到入鎖校驗(yàn)態(tài)。在入鎖校驗(yàn)態(tài)，為了避免受信號(hào)中假同步碼的影響，當(dāng)檢測(cè)到幀同步字后，會(huì)每隔一幀長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行判決。當(dāng)連續(xù)次判決正確時(shí)，則判定為找到幀同步信號(hào)，并控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入鎖定態(tài)，否則，判定為假同步，并回到搜索態(tài)接著進(jìn)行搜索。進(jìn)入鎖定態(tài)后，狀態(tài)機(jī)開始輸出幀同步信號(hào)到輸出控制電路，同時(shí)判決電路每隔一幀對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行判決，此時(shí)同步容差為k，當(dāng)丟失幀同步信息時(shí)，便進(jìn)入失鎖校驗(yàn)態(tài)。這時(shí)，如果連續(xù)次丟失幀同步信號(hào)，則判定已經(jīng)失

14、步，控制狀態(tài)機(jī)進(jìn)入搜索態(tài)，重新開始搜索；如果期間又檢測(cè)到幀同步碼組，則回到鎖定態(tài)。在失鎖校驗(yàn)的過程中，幀同步信號(hào)一直是有效的4。3 性能分析及仿真在幀同步功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，同步容差值s和k，前方保護(hù)門限和后方保護(hù)門限的選取共同決定了幀同步器的性能，其性能指標(biāo)主要有虛漏概率和虛警概率。當(dāng)處于搜索態(tài)時(shí)，在非同步位置上，若數(shù)據(jù)流中隨機(jī)出現(xiàn)1和0的概率為P=0.5，則隨機(jī)碼出現(xiàn)幀同步碼組而被檢測(cè)到，稱之為虛警。其概率為： (1)由式1可以看出，如果容錯(cuò)s較大的話，容易進(jìn)入假鎖，尤其是幀碼長(zhǎng)n較小的時(shí)候。當(dāng)增加入鎖校驗(yàn)時(shí)，虛警概率為： (2)可見，增加檢驗(yàn)幀數(shù)，可以有效地減小虛警概率，但是，增加檢驗(yàn)幀數(shù)

15、又增加了平均入鎖時(shí)間，所以需要綜合考慮這兩點(diǎn)，找到s和的最佳取值。本文中當(dāng)n小于20時(shí)，s=0，=2或3；當(dāng)n大于20時(shí)，s=1，=2。幀碼每次比較的過程中，如果由于誤碼而引起數(shù)據(jù)流中同步位置上出現(xiàn)與幀碼不符合，稱其為虛漏。其概率是： (3)增加失鎖校驗(yàn)后，虛漏概率為： (4)由式3和4可知，幀碼長(zhǎng)n越大，虛漏概率越小，而且容錯(cuò)k和檢驗(yàn)幀數(shù)的增加，可以減小虛漏概率。但是，隨著k和增加，同樣會(huì)減小假鎖后解鎖的概率。本方案中，容差值k和的取值是：當(dāng)n小于16時(shí)，取k=1，=3；當(dāng)n大于16小于24時(shí)，取k=2，=3；當(dāng)n大于24時(shí)，取k=3，=3。應(yīng)用中需要綜合考慮所接收數(shù)據(jù)的幀長(zhǎng)、幀碼長(zhǎng)、數(shù)據(jù)特

16、點(diǎn)、誤碼率Pe等情況，選取能夠最大提升幀同步器性能的參數(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高時(shí)，可以適當(dāng)?shù)脑黾尤蒎e(cuò)和前后方保護(hù)門限，以提高幀同步器的抗干擾能力。本設(shè)計(jì)在ISE開發(fā)平臺(tái)上做了編譯，并使用Modelsim仿真5。仿真數(shù)據(jù)為1100100110101010循環(huán)出現(xiàn)，其中11001001為同步碼組，10101010為8路數(shù)據(jù)，仿真過程中進(jìn)行人為注錯(cuò)造成誤碼。仿真結(jié)果如圖5所示。仿真結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)對(duì)PCM數(shù)據(jù)流內(nèi)的幀同步碼組能迅速的檢測(cè)識(shí)別，正確的輸出并行數(shù)據(jù)流，并且能有效減小誤碼的干擾，效果達(dá)到預(yù)期。圖5 仿真波形在實(shí)際測(cè)試時(shí)，對(duì)解調(diào)卡上應(yīng)用了此幀同步電路的PCM測(cè)試儀進(jìn)行分析，根據(jù)GJB21.2

17、A標(biāo)準(zhǔn)的同步碼組，通過PCM測(cè)試儀的上位機(jī)軟件下發(fā)幀同步碼組為EB 90H幀結(jié)束標(biāo)志碼組為14 6FH，以及幀同步碼組為9A BC B5 2CH幀結(jié)束標(biāo)志碼組為65 43 4A D3H的參數(shù)6，解調(diào)卡將解調(diào)后的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試儀對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)連續(xù)測(cè)試1024幀均未出現(xiàn)失步，且測(cè)試數(shù)據(jù)分析正確。4. 結(jié)論使用FPGA實(shí)現(xiàn)幀同步碼檢測(cè)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)地改變參數(shù)，很方便地完成對(duì)不同幀結(jié)構(gòu)PCM數(shù)據(jù)流的幀同步，而不必更改幀同步器的硬件設(shè)計(jì)，有效的改善了傳統(tǒng)幀同步器只針對(duì)單一幀結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，在遙測(cè)數(shù)據(jù)解調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。同時(shí)在本設(shè)計(jì)同步過程中采用了參數(shù)可變的容錯(cuò)和保護(hù)機(jī)制，可以針對(duì)不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和信道傳輸特性，采用合適的容差值和保護(hù)參數(shù)，最大限度的提升幀同步的性能。通過對(duì)應(yīng)用了此幀同步電路PCM測(cè)試儀的分析，表明其性能穩(wěn)定可靠。參考文獻(xiàn)：1周陽,周俊.自適應(yīng)幀同步器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電視技術(shù),2007,47(3):42-44.2張彥軍，劉龍飛，劉薇.基于FPGA的通用PCM測(cè)試儀的設(shè)計(jì)J.火力與指揮控制，2013,38（1