2.2 搜索模塊的VHDL設(shè)計(jì)與仿真

　　搜索模塊的對外接口如圖3所示。其中，CLK_BitSync及Data_in分別為位同步時(shí)鐘信 號(hào)和輸入數(shù)據(jù)；Data_out為經(jīng)2個(gè)時(shí)鐘周期延時(shí)后的比特流數(shù)據(jù)。對輸入數(shù)據(jù)的延時(shí)處理，是為了補(bǔ)償產(chǎn)生search_over 時(shí)的處理時(shí)延，以便于脈沖信號(hào)search_over 與最后一位幀同步碼對齊。

　　搜索輸入比特流中的幀同步碼組，首先需要將輸入數(shù)據(jù)送入移位寄存器（Regdin）中，而后將 Regdin中的數(shù)據(jù)與幀同步碼組相比即可。程序中將多路啟動(dòng)信號(hào)（rst、Research_check、Research_sync）取或后，作為異 步復(fù)位信號(hào)，用于啟動(dòng)一次搜索過程。搜索過程中，采用for循環(huán)對寄存器Regdin 與同步碼組進(jìn)行比較，通過逐位比較，每發(fā)現(xiàn)1 b不相同，則計(jì)數(shù)加1，計(jì)算出兩者之間的漢明距離。計(jì)算完漢明距離后，判斷是否大于容錯(cuò)門限ErrorNum，如大于容錯(cuò)門限則繼續(xù)搜索，否則輸出同步脈 沖search_over，并停止搜索。

　　圖4為搜索模塊的Modelsim仿真波形。其中，幀同步碼長度LenCode=7， 幀同步碼FrameCode=“1011000”，容錯(cuò)門限ErrorNum=1.可以看出，復(fù)位后首先搜索到一次幀同步碼組；當(dāng) Research_check為高電平，啟動(dòng)另一次搜索過程，比特流中搜索到“1001000（ErrorNum=1）”時(shí)，此時(shí)容錯(cuò)位數(shù)設(shè)置為1，因此 輸出同脈沖search_over，并停止搜索過程，即使后續(xù)比特流中出現(xiàn)了“1011001（ErrorNum=1）”，仍然不輸出同步脈沖。

　　2.3 校核模塊的VHDL設(shè)計(jì)與仿真

　　為便于程序編寫，校核模塊主要由Check_Ce 進(jìn)程和Checking 進(jìn)程組成。Check_Ce 進(jìn)程用于檢測search_over信號(hào)，檢測到信號(hào)出現(xiàn)高電平后，產(chǎn)生長度為CheckNum 幀數(shù)據(jù)的高電平允許信號(hào)CheckCe，并通過計(jì)數(shù)器Number 來標(biāo)識(shí)每幀中數(shù)據(jù)及同步碼組的位置。產(chǎn)生了CheckCe及Number信號(hào)后，Checking進(jìn)程只需在CheckCe信號(hào)為高電平的范圍內(nèi)對同步碼 組進(jìn)行校核即可。校核完成后，需要使check_over（連續(xù)CheckNum幀均同步）或research_check（CheckNum幀內(nèi)有一幀 未同步）信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖。幀校核的方法與搜索同步碼組的方法類似，即通過漢明距離來判斷是否同步。將校核態(tài)分成Check_Ce進(jìn)程和 Checking進(jìn)程來分別進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，則每個(gè)進(jìn)程的功能劃分更為簡單，編程實(shí)現(xiàn)時(shí)也相對容易得多。

　　圖5 是校核模塊的Modelsim 仿真波形。其中，幀長度LenFrame=16，校核幀數(shù)CheckNum=2，容錯(cuò)門限ErrorNum=0，其余參數(shù)與搜索模塊相同。從波形上很容易 看出，當(dāng)search_over第一次出現(xiàn)高電平時(shí)，其后連續(xù)兩組同步碼均為“1011000（ErrorNum=0）”;當(dāng)search_over第二 次出現(xiàn)高電平時(shí)，其后第一組同步碼為“1001000（ErrorNum=1）”，第二組同步碼為“1011000（ErrorNum=0）”。因此第一 次幀校核順利通過，校核完成后check_over輸出一個(gè)高電平脈沖，research_check保持為低電平；第二次校核未通過，校核完成后 research_check輸出一個(gè)高電平脈沖，check_over保持為低電平。

　　2.4 同步模塊的VHDL設(shè)計(jì)與仿真

　　為了簡化設(shè)計(jì)，將同步狀態(tài)分為三個(gè)進(jìn)程來完成，即計(jì)數(shù)器進(jìn)程（Counter）、幀校驗(yàn)進(jìn)程 （FrameChecking）和同步校驗(yàn)進(jìn)程（SyncChecking）。Counter 進(jìn)程用于產(chǎn)生幀內(nèi)數(shù)據(jù)位置的計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測到check_over 信號(hào)為高電平時(shí)，重新開始以幀周期（LenFrame）循環(huán)計(jì)數(shù)；FrameChecking 進(jìn)程用于產(chǎn)生幀起始位置的同步脈沖，且高電平脈沖與同步碼的最后1 b對齊，該進(jìn)程首先需要對同步碼組進(jìn)行校核，如校核通過，則在同步碼位置處產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖FramePosition，如果校驗(yàn)未通過，則在同步碼位 置不產(chǎn)生高電平脈沖；SyncChecking進(jìn)程通過判斷FramePosition 來確定系統(tǒng)是否處于同步狀態(tài)，即只需判斷FramePosition是否連續(xù)在同步碼組的位置出現(xiàn)低電平，如連續(xù)出現(xiàn)SyncNum 次低電平，則判斷為失鎖，否則繼續(xù)維持同步狀態(tài)。

　　圖6 是同步模塊的Modelsim 仿真波形。其中同步態(tài)校核幀數(shù)SyncNum=2，其他參數(shù)與校核態(tài)相同。從圖中可以看出，當(dāng)檢測到check_over為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器Number 開始以周期為幀長LenFrame=16循環(huán)計(jì)數(shù)。當(dāng)check_over 出現(xiàn)高電平時(shí)，其后連續(xù)4 組同步碼為 “1011000（ErrorNum=0）”，“1001000（ErrorNum=1）”，“1001000（ErrorNum=1）”，“1001000（ErrorNum=1）”。 由于此時(shí)設(shè)置的容錯(cuò)門限ErrorNum=0，因此第一幀同步碼校核通過，輸出了同步脈沖FramePosition，此后出現(xiàn)連續(xù)3 個(gè)校核未通過的數(shù)據(jù)幀。同步狀態(tài)信號(hào)State_Sync 高電平狀態(tài)持續(xù)維持了2 幀數(shù)據(jù)的長度，而后停止同步狀態(tài)，輸出失步信號(hào)research_sync，用于啟動(dòng)搜索過程。

　　3 幀同步系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)及仿真

　　本實(shí)例的目標(biāo)器件為XC3S200-4FT200，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)后，查找表資源（LUTs）占用了 484 個(gè)（12%），全局時(shí)鐘資源（GCLKs）占用了1個(gè)（12%）。最高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（Maximum frequency）可達(dá)54.81 MHz.圖7 是幀同步系統(tǒng)的Modelsim 仿真波形。其中，各模塊的容錯(cuò)門限ErrorNum均為0，其他同步參數(shù)不變。

　　圖7 實(shí)際上對幀同步系統(tǒng)的搜索、校核、校核未通過、失步、重新搜索、重新同步等過程進(jìn)行了完整的仿真測試。

　　4 結(jié)語

　　本方案是基于模塊化設(shè)計(jì)思想，采用VHDL語言對幀同步系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，有利于程序的移置及維 護(hù)。方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于理解各模塊之間的信號(hào)接口關(guān)系及時(shí)序關(guān)系。在模塊設(shè)計(jì)時(shí)，通過進(jìn)一步合理劃分模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以更好地理清程序思路并提高設(shè)計(jì)方 案的效率。最后利用Modelsim 6.0軟件進(jìn)行了仿真測試。仿真結(jié)果表明，該方案中設(shè)計(jì)的同步系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足性能要求。