基于FPGA的位同步電路設(shè)計(jì)

張智明

摘 要： 在基于FPGA的自同步實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)用數(shù)字鎖相技術(shù)，從接收的比特流中快速提取同步脈沖以正確采樣輸入碼元。該方案以相位計(jì)數(shù)器為基礎(chǔ)，采用相位分段調(diào)整方法，對(duì)鑒相結(jié)果進(jìn)行分類，并據(jù)此快速調(diào)整相位計(jì)數(shù)值，最終生成同步脈沖。采用Xilinx FPGA實(shí)現(xiàn)位同步電路，并結(jié)合仿真波形分析電路工作過程。結(jié)果表明，該電路占用資源少，同步速度快，并且能容忍一定程度的輸入碼元抖動(dòng)，所設(shè)計(jì)電路能穩(wěn)定地工作在實(shí)際通信鏈路中。

關(guān)鍵詞： 位同步； 數(shù)字鎖相； 同步脈沖； FPGA

中圖分類號(hào)： TN919.3? 34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0132?03

Abstract： In the implementation of self?synchronization based on FPGA， the digital phase lock technology is applied to rapidly extracting the synchronous pulse from the received bit stream to sample the input code element correctly. The phase segmentation adjustment approach is used in the scheme based on phase counter to classify the phase discrimination results， by which the phase count value is quickly adjusted to generate the synchronous pulse. The bit synchronization circuit is implemented on Xilinx FPGA， and its working process is analyzed in combination with simulation waveform. The simulation results show that the circuit has few resources occupation and fast synchronous speed， and can tolerate the input node element shaking to some extent. The designed circuit can stably work in the practical communication links.

Keywords： bit synchronization； digital phase lock； synchronous pulse； FPGA

0 引 言

位同步又稱碼元同步，是數(shù)字通信中一種重要的同步技術(shù)。在接收端產(chǎn)生與接收碼元頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過程稱為位同步，而所產(chǎn)生的定時(shí)脈沖序列也稱為同步脈沖[1]。實(shí)現(xiàn)位同步的方法可分為外同步法和自同步法。自同步法從輸入碼元中提取同步信息，無需在發(fā)送端插入導(dǎo)頻信號(hào)，是一種比較常用的方法。在自同步法中，各種鎖相技術(shù)如超前?滯后位同步環(huán)、同相?中相位同步環(huán)、早?遲積分清除位同步環(huán)等[2]均能實(shí)現(xiàn)位同步功能。文獻(xiàn)[3?10]討論了基于上述各種鎖相技術(shù)的位同步電路設(shè)計(jì)。

本文探討一種基于數(shù)字鎖相技術(shù)的接收端相位快速調(diào)整方案，與傳統(tǒng)的位同步電路相比，本方案采用相位分段調(diào)整的方法，快速提取同步脈沖，并且能容忍一定程度的接收端碼元抖動(dòng)。

1 位同步原理

本小節(jié)討論基于數(shù)字鎖相技術(shù)的位同步原理。如圖1所示，輸入碼元的速率為F b/s，接收端參考時(shí)鐘的頻率為N·F Hz。DPLL用于從輸入碼元中提取同步脈沖以正確采樣輸入碼元。DPLL包括相位鑒別、相差處理、相位調(diào)整和N分頻四個(gè)部分。相位鑒別單元比較輸入碼元和相位調(diào)整單元的反饋，輸出相差信息；相差處理單元處理相差信息，輸出相位調(diào)整控制信號(hào)；相位調(diào)整單元實(shí)施相位調(diào)整，跟蹤輸入碼元；N分頻單元還原碼元速率，生成同步脈沖。DPLL完成相位調(diào)整，實(shí)現(xiàn)位同步后，給出同步指示，此時(shí)同步脈沖即可正確采樣輸入碼元。

為使接收端較好地提取位同步脈沖，輸入碼元應(yīng)包含較豐富的定時(shí)信息，通常在發(fā)送端對(duì)信源序列進(jìn)行加擾或編碼以實(shí)現(xiàn)此功能。此時(shí)，在接收端碼元同步后需對(duì)所接收序列進(jìn)行解擾或解碼。接收端解擾或解碼不在本文討論范疇，在此不作詳細(xì)探討。

2 位同步電路設(shè)計(jì)

本小節(jié)詳細(xì)討論位同步電路設(shè)計(jì)，對(duì)速率為1 Mb/s的輸入碼元進(jìn)行同步。接收端的參考時(shí)鐘為16 MHz，即N=16。同步電路的設(shè)計(jì)以一個(gè)模16相位計(jì)數(shù)器為基礎(chǔ)，根據(jù)相差分段快速調(diào)整相位計(jì)數(shù)值，最終提取出位同步信號(hào)。

（1） 相位鑒別設(shè)計(jì)。相位鑒別電路首先檢測(cè)輸入碼元的跳變沿，隨即得到在輸入碼元跳變時(shí)刻的相位計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)值即為相差信息。此處相位計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值作為相位調(diào)整模塊的反饋輸入到相位鑒別模塊。碼元跳變沿檢測(cè)電路如圖2所示，其中RxDatIn為輸入碼元；RxDatEdgeDet為碼元跳變指示；RefClk為參考時(shí)鐘。由于輸入碼元在發(fā)送端生成，對(duì)于接收端參考時(shí)鐘域來說是異步信號(hào)，此處采用由前兩級(jí)D觸發(fā)器組成的同步鏈來處理可能出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。

（2） 相差處理設(shè)計(jì)。相差處理電路根據(jù)相位鑒別電路輸出的相差計(jì)數(shù)值，產(chǎn)生5個(gè)相位調(diào)整控制信號(hào)。調(diào)相控制信息如表1所示。相位無需調(diào)整時(shí)，無控制信號(hào)輸出，其余5種情況分別由5個(gè)相位調(diào)整控制信號(hào)輸出至相位調(diào)整模塊。

（3） 相位調(diào)整設(shè)計(jì)。相位調(diào)整電路根據(jù)相差處理模塊輸出的相位調(diào)整控制信號(hào)實(shí)施相位分段調(diào)整。調(diào)相步進(jìn)如表1所示。模16相位計(jì)數(shù)器是相位調(diào)整電路的核心，當(dāng)無相位調(diào)整控制指示時(shí)，該計(jì)數(shù)器在參考時(shí)鐘節(jié)拍下遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)有相位調(diào)整控制指示時(shí)，該計(jì)數(shù)器在指定的調(diào)整點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)調(diào)整，此處相位調(diào)整點(diǎn)設(shè)為8。調(diào)整完成后，當(dāng)前相位調(diào)整控制信號(hào)被清除。經(jīng)過若干次相位調(diào)整，位同步電路即可跟蹤輸入碼元，進(jìn)入同步狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用中，由于碼元抖動(dòng)及碼元速率誤差等因素，進(jìn)入同步狀態(tài)后，電路仍然需要實(shí)施相位的動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)然同步電路可以容忍一定程度的碼元抖動(dòng)。

表1 相差處理與相位分段調(diào)整

（4） N分頻設(shè)計(jì)。N分頻電路基于模16相位計(jì)數(shù)器和相差信息生成同步指示，同步脈沖和接收端同步時(shí)鐘，以便后級(jí)模塊正確采樣輸入碼元。同步指示具有遲滯性，以便容忍一定程度的碼元抖動(dòng)。位同步前，同步指示在相差計(jì)數(shù)值為0時(shí)置位，表示電路進(jìn)入同步狀態(tài)；位同步后，同步指示在相差計(jì)數(shù)值為4～12時(shí)清除，表示電路進(jìn)入失步狀態(tài)。接收端同步時(shí)鐘在相位計(jì)數(shù)值為0時(shí)置0，在相位計(jì)數(shù)值為8時(shí)置1，其周期為1個(gè)碼元寬度，上升沿正對(duì)接收碼元中心。同步脈沖與接收端同步時(shí)鐘上升沿生成，脈寬為一個(gè)參考時(shí)鐘周期。當(dāng)電路進(jìn)入同步狀態(tài)后，同步脈沖或接收端同步時(shí)鐘對(duì)碼元進(jìn)行可靠的采樣。

3 位同步電路仿真與實(shí)現(xiàn)

本小節(jié)給出位同步電路的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，并結(jié)合仿真波形討論相位調(diào)整以及位同步過程。位同步電路用VHDL語言描述，在Xilinx 7系列FPGA上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Xilinx FPGA資源使用報(bào)告，本同步電路僅需15個(gè)Slice LUT和16個(gè)Slice Register，合計(jì)占用5個(gè)Slice。使用Cadence IES仿真工具對(duì)位同步電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明電路功能正確，可以快速提取同步脈沖，實(shí)現(xiàn)位同步。在無碼元抖動(dòng)的情況下，僅需2～3次相位調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)位同步。

加入碼元抖動(dòng)后，位同步所需相位調(diào)整次數(shù)可能會(huì)有所增加。當(dāng)碼元抖動(dòng)不超過0.2 UI時(shí)，首次位同步后電路一直保持在同步狀態(tài)，碼元采樣正確可靠。當(dāng)碼元抖動(dòng)大于0.35 UI時(shí)，電路開始出現(xiàn)采樣錯(cuò)誤。下面通過兩個(gè)仿真用例展現(xiàn)位同步電路工作過程。

3.1 反相調(diào)整仿真用例分析

本仿真用例未加入碼元抖動(dòng)，用于分析位同步過程。仿真波形如圖3所示，圖中左側(cè)所列位同步電路相關(guān)信號(hào)及其含義如表2所示。

位同步電路第一次檢測(cè)到輸入碼元跳變時(shí)，相差計(jì)數(shù)值為6，PhaseJump置1，電路在相位調(diào)整點(diǎn)實(shí)施反相調(diào)整，步進(jìn)為8。位同步電路第二次檢測(cè)到輸入碼元調(diào)變時(shí)，由于前一次相位調(diào)整步進(jìn)為8，此次相差計(jì)數(shù)值變?yōu)?4，因而CoarseTuneDecr置1，電路在相位調(diào)整點(diǎn)實(shí)施后向粗調(diào)，步進(jìn)為2。經(jīng)過兩次相位調(diào)整，當(dāng)位同步電路第三次檢測(cè)到輸入碼元跳變時(shí)，相差計(jì)數(shù)值最終變?yōu)?，電路進(jìn)入同步狀態(tài)，SyncInd置1。此后，所生成的同步脈沖和接收端同步時(shí)鐘的上升沿均對(duì)準(zhǔn)待采樣碼元中心，可以對(duì)碼元進(jìn)行正確采樣。注意這里待采樣碼元是輸入碼元經(jīng)過第2.1節(jié)中同步鏈電路后的輸出。

3.2 碼元抖動(dòng)仿真用例分析

本仿真用例加入0.2 UI的碼元抖動(dòng)，用于分析電路在較大碼元抖動(dòng)的情形下進(jìn)入同步狀態(tài)后的相位動(dòng)態(tài)調(diào)整與碼元采樣。仿真波形如圖4所示，圖中左側(cè)所列位同步電路相關(guān)信號(hào)及其含義如表2所示。由于輸入碼元存在較大抖動(dòng)，電路進(jìn)入同步狀態(tài)后的第一次相差檢測(cè)值為2，于是進(jìn)行相位前向粗調(diào)。若無抖動(dòng)，同步后第二次相差檢測(cè)值應(yīng)為0，有抖動(dòng)情況下，此次檢測(cè)到的相差計(jì)數(shù)值為14，于是再一次進(jìn)行相位后向粗調(diào)。如此往復(fù)，此例中的相差最終被調(diào)整為0。隨著碼元抖動(dòng)，電路亦會(huì)再次調(diào)相。由于同步指示具有2.4節(jié)所述的遲滯特性，電路仍保持在同步狀態(tài)。在位同步后的相位動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中，同步脈沖和接收端同步時(shí)鐘的上升沿均處于待采樣碼元中心處，仍然可以正確采樣碼元。

4 結(jié) 語

本文應(yīng)用數(shù)字鎖相技術(shù)，在位同步過程中對(duì)相位進(jìn)行分段調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)同步脈沖的快速提取。并且所設(shè)計(jì)電路可以在一定程度上容忍接收端碼元抖動(dòng)。采用FPGA實(shí)現(xiàn)該位同步電路，其占用資源少、工作穩(wěn)定、可較好地應(yīng)用在實(shí)際的通信鏈路中。

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