基于FPGA的通信系統(tǒng)同步提取的實(shí)現(xiàn)

配對(duì)之后，對(duì)各個(gè)組合對(duì)應(yīng)的輸入移位樣點(diǎn)數(shù)據(jù)做補(bǔ)碼減法運(yùn)算。例如在組合(1，8)中，當(dāng)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器時(shí)，將對(duì)應(yīng)移位寄存器中的并行第一位輸出作為被減數(shù)，第8位輸出作為減數(shù)。其它組合類似。當(dāng)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中的同步頭完全進(jìn)入移位寄存器時(shí)，那么對(duì)應(yīng)并行輸出的第一位應(yīng)該是正值，而第8位對(duì)應(yīng)的是負(fù)值。兩個(gè)輸出做補(bǔ)碼相減。正值減去一個(gè)負(fù)值，輸出得到一個(gè)更大的數(shù)值。這時(shí)，只有增加運(yùn)算的位數(shù)，才能得到正確的運(yùn)算結(jié)果。

對(duì)128個(gè)編號(hào)可以做64個(gè)配對(duì)，這就需要64個(gè)減法器。64個(gè)減法運(yùn)算同時(shí)進(jìn)行，有64個(gè)輸出結(jié)果。然后利用32個(gè)加法器對(duì)64個(gè)數(shù)值進(jìn)行加法運(yùn)算。逐級(jí)進(jìn)行相加運(yùn)算，最后得到一個(gè)相關(guān)峰值。假設(shè)data(n)是16bit的信息數(shù)據(jù)，在逐級(jí)相加運(yùn)算當(dāng)中，不是直接采用這16位進(jìn)行補(bǔ)碼減法和補(bǔ)碼加法運(yùn)算，而是隨著一級(jí)級(jí)的相加運(yùn)算，位數(shù)也一位一位地增加。這樣就優(yōu)化了電路，節(jié)省了FPGA資源。

假設(shè)一個(gè)碼元采樣8個(gè)點(diǎn)，經(jīng)I、Q分路(以QPSK調(diào)制為例)之后，每一正交路為4個(gè)點(diǎn)。相對(duì)于(1，8)配對(duì)，在第一個(gè)補(bǔ)碼配對(duì)減法器中對(duì)應(yīng)的是{t13，t1[3..0]}和{t83，t8[3..0]};相對(duì)應(yīng)(2，11)配對(duì)，在電路中對(duì)應(yīng)的是{t23，t2[3..0]}和{ta13，ta1[3..0]};依此類推。

下面有必要分析一下為什么要表示成{t13，t1[3..0]}的形式。在補(bǔ)碼運(yùn)算中，由0101-1101=0101+0010+0001=0111+0001可以看到0111+0001的和值是一個(gè)更大的正值，是不能用4位表示的，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候和值本應(yīng)為1000，表示結(jié)果8(十進(jìn)制)，而在補(bǔ)碼中卻為-8。如果將補(bǔ)碼的頭一位都進(jìn)行重復(fù)，使其變?yōu)?位，就可完全避免這種情況的發(fā)生。例如：

00101-11101=00101+00010+00001=00111+00001=01000

11000-00111=11000+11000+00001=10000+00001=10001 通過這樣的一個(gè)變換，即不會(huì)產(chǎn)生溢出，也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，保證了電路進(jìn)行逐級(jí)運(yùn)算的正確性。

對(duì)應(yīng)128長的同步頭，一個(gè)碼元采樣8個(gè)點(diǎn)，經(jīng)I、Q分路，每一正交路為4個(gè)點(diǎn)，每一路上為128×4=512個(gè)樣點(diǎn)。采用并行處理，在數(shù)據(jù)來到之時(shí)，分成四路，每一路做一個(gè)匹配濾波器，這樣可以直接由每個(gè)碼元對(duì)應(yīng)的樣點(diǎn)組成匹配濾波器。將四個(gè)匹配濾波器產(chǎn)生的相關(guān)值比較出最大值，再和后邊門限比較，超過門限，即作為同步信號(hào)。同步提取的流程如圖5所示。

3 仿真結(jié)果

同步相關(guān)峰的仿真(利用Quartus2.1軟件)如圖6和圖7所示，clk是輸入時(shí)鐘，in是輸入數(shù)據(jù)，sclr是清零信號(hào)，out是輸出信號(hào)。

用Quartus2.1軟件編譯適配，一片APEX EP20K400EBC652-1XEP20K400EBC652-1X只用了百分之三十的邏輯單元就可以實(shí)現(xiàn)同步提取。

一個(gè)完整的幀同步系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括兩種，即捕獲狀態(tài)和鎖定狀態(tài)，并且在一定條件下使它們互相間能自動(dòng)切換。當(dāng)幀同步信號(hào)捕捉到時(shí)，幀同步系統(tǒng)應(yīng)立即由捕捉狀態(tài)轉(zhuǎn)換到鎖定狀態(tài)。同步提取完成后，只是完成了初始同步，即同步捕獲，還要進(jìn)行同步鎖定，以防止假同步和漏同步的發(fā)生。限于篇幅，這兒僅僅討論了初始同步的實(shí)現(xiàn)。 通過對(duì)幀同步提取的FPGA實(shí)現(xiàn)可以看出，補(bǔ)碼配對(duì)相減匹配濾波法是一個(gè)很有效的方法。它提供了一種將擴(kuò)頻碼作為同步信息進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幀同步提取的方法，并且在很大程度上節(jié)約了FPGA的內(nèi)部資源。這兒只是介紹了M序列碼作為同步頭的實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)于m序列碼作為同步頭的實(shí)現(xiàn)，只要稍微做一下修改，即加一些相應(yīng)的延時(shí)單元就可以實(shí)現(xiàn)。