一种基于FPGA的帧同步提取方法的研究
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:367
在可靠的通信系统中，要保证接收端能正确解调出信息，必须要有一个同步系统，以实现发送端和接收端的同步，因此同步提取在通信系统中是至关重要的。一个简单的接收系统框图如图１所示。
本文介绍一种基于现场可编程门阵列（ｆｐｇａ）的同步方案。ｆｐｇａ是与传统ｐｌｄ不同的一类可编程ａｓｉｃ，它是将门阵列的通用结构与ｐｌｄ的现场可编程特性结合于一体的新型器件，最早由美国ｘｉｌｉｎｘ公司于１９８５年推出。ｆｐｇａ具有集成度高、通用性好、设计灵活、开发周期短、编程方便、产品上市快捷等特点，它的门数可达１００万门以上。近年来，ｆｐｇａ在系统的硬件设计方面得到了广泛的应用。
１ 同步序列码
本文介绍的帧同步提取是在每一帧的前面加扩频码，该扩频码必须具有良好的自相关性和互相关特性。表１是ｍ序列码和ｇｏｌｄ系列码的性能比较，从表中可以看出，ｍ序列码的自相关性和互相关特性要比ｇｏｌｄ系列码好得多，ｍ序列码作为同步头具有较强的抗干扰能力和较低的截获概率，而且长的ｍ序列更容易在一定的强噪声中被提取，这样就能够充分保证数据的正常通信。因此相对于ｇｏｌｄ系列码来说，ｍ序列码更适合于作为同步头。本文的同步序列码指的是ｍ序列码，ｍ序列码是由ｍ序列码得到的，即在相应的ｍ序列码后补零，用以实现ｐｎ码的相等匹配，因为对应ｍ序列码来说，１的个数总是比０的个数多一个。 利用相关法，在同步头没有来临之时，其相关峰比较低；如果数据中的同步头和本地同步头完全对齐，那么就能够出现大的相关峰值，但这个峰值可能不会达到理论值，这是因为在数据传输中，数据流包括同步头都要受到噪声的干扰。因此，同步提取还要看同步是在一个什么样的噪声环境中才能良好工作。本文介绍的是长度为１２８的ｍ序列码作为同步头的同步提取方法。之所以取长度为１２８的ｐｎ码作为同步信息，一方面是考虑到同步提取的复杂性要求同步信息不能太长，另一方面是要满足相关峰值尽可能的大，长度为１２８的ｐｎ码可以提供２１ｄｂ的处理增益，这使得在一定的噪声背景下仍然可以提取到相关峰值。 图２是在信噪比为０ｄｂ下的相关情况。可以看出在０ｄｂ下长度为１２８的ｍ序列码作为同步头的相关特性是良好的。图３是在信噪比为－７ｄｂ的情况下做的仿真。可以发现，由噪声所产生的相关峰增高，有超过最高相关峰的趋势。经过实验，信噪比继续降低时，真正的相关峰就会被噪声所产生的相关峰淹没，这样就不能提取出相关峰。因此，同步提取要考虑噪声的影响。
２ 同步提取原理
本文介绍的帧同步提取是在每一帧的前面加上长度为１２８位的ｐｎ码作为帧头数据（如图４所示），然后根据这些帧头数据的相关性提取相关峰值，帧头数据必须具有良好的自相关性和互相关性，当和本地码完全相同时其相关峰最大。
假设ｐｎ码为ｐ（ｎ），经ａ／ｄ采样后第ｎ个采样点的数据是ｄａｔａ（ｎ），噪声是ｎ（ｎ），那么ｄａｔａ（ｎ）和ｐｎ码之间的循环互相关函数为：
ｒdp（ｋ）＝ｄａｔａ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ） （１）
式中，ｌ是ｐｎ码的长度。当ｄａｔａ（ｎ）正好与ｐｎ码对齐，即ｄａｔａ（ｎ）＝ｐ（ｎ）＋ｎ（ｎ）时，有：
ｒdp（ｋ）＝σ[ｐ（ｎ）＋ｎ（ｎ）]·ｐ（ｋ＋ｎ）
＝σｎ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ）＋σｐ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ）（２）
由于ｎ（ｎ）与ｐｎ是互不相关的，因此（２）式的前半部分相关值很小；而对于（２）式的后半部分，当其与本地的ｐｎ码完全对应，即ｐ（ｎ）＝ｐ（ｋ＋ｎ）时，ｒdp（ｋ）将得到最大相关值。对于ｌ＝１２８的ｐｎ码，将会有一个２１ｄｂ增益的相关峰，因此可以提取到明显的相关峰。
由以上分析可以看出，在同步相关提取的实现当中要用到反向器和乘法器，电路复杂，用ｆｐｇａ设计必然会占很大的资源。经过研究分析并参考其它文献资料，这里采用补码配对相减匹配滤波法，仅利用减法器和加
在可靠的通信系统中，要保证接收端能正确解调出信息，必须要有一个同步系统，以实现发送端和接收端的同步，因此同步提取在通信系统中是至关重要的。一个简单的接收系统框图如图１所示。
本文介绍一种基于现场可编程门阵列（ｆｐｇａ）的同步方案。ｆｐｇａ是与传统ｐｌｄ不同的一类可编程ａｓｉｃ，它是将门阵列的通用结构与ｐｌｄ的现场可编程特性结合于一体的新型器件，最早由美国ｘｉｌｉｎｘ公司于１９８５年推出。ｆｐｇａ具有集成度高、通用性好、设计灵活、开发周期短、编程方便、产品上市快捷等特点，它的门数可达１００万门以上。近年来，ｆｐｇａ在系统的硬件设计方面得到了广泛的应用。
１ 同步序列码
本文介绍的帧同步提取是在每一帧的前面加扩频码，该扩频码必须具有良好的自相关性和互相关特性。表１是ｍ序列码和ｇｏｌｄ系列码的性能比较，从表中可以看出，ｍ序列码的自相关性和互相关特性要比ｇｏｌｄ系列码好得多，ｍ序列码作为同步头具有较强的抗干扰能力和较低的截获概率，而且长的ｍ序列更容易在一定的强噪声中被提取，这样就能够充分保证数据的正常通信。因此相对于ｇｏｌｄ系列码来说，ｍ序列码更适合于作为同步头。本文的同步序列码指的是ｍ序列码，ｍ序列码是由ｍ序列码得到的，即在相应的ｍ序列码后补零，用以实现ｐｎ码的相等匹配，因为对应ｍ序列码来说，１的个数总是比０的个数多一个。 利用相关法，在同步头没有来临之时，其相关峰比较低；如果数据中的同步头和本地同步头完全对齐，那么就能够出现大的相关峰值，但这个峰值可能不会达到理论值，这是因为在数据传输中，数据流包括同步头都要受到噪声的干扰。因此，同步提取还要看同步是在一个什么样的噪声环境中才能良好工作。本文介绍的是长度为１２８的ｍ序列码作为同步头的同步提取方法。之所以取长度为１２８的ｐｎ码作为同步信息，一方面是考虑到同步提取的复杂性要求同步信息不能太长，另一方面是要满足相关峰值尽可能的大，长度为１２８的ｐｎ码可以提供２１ｄｂ的处理增益，这使得在一定的噪声背景下仍然可以提取到相关峰值。 图２是在信噪比为０ｄｂ下的相关情况。可以看出在０ｄｂ下长度为１２８的ｍ序列码作为同步头的相关特性是良好的。图３是在信噪比为－７ｄｂ的情况下做的仿真。可以发现，由噪声所产生的相关峰增高，有超过最高相关峰的趋势。经过实验，信噪比继续降低时，真正的相关峰就会被噪声所产生的相关峰淹没，这样就不能提取出相关峰。因此，同步提取要考虑噪声的影响。
２ 同步提取原理
本文介绍的帧同步提取是在每一帧的前面加上长度为１２８位的ｐｎ码作为帧头数据（如图４所示），然后根据这些帧头数据的相关性提取相关峰值，帧头数据必须具有良好的自相关性和互相关性，当和本地码完全相同时其相关峰最大。
假设ｐｎ码为ｐ（ｎ），经ａ／ｄ采样后第ｎ个采样点的数据是ｄａｔａ（ｎ），噪声是ｎ（ｎ），那么ｄａｔａ（ｎ）和ｐｎ码之间的循环互相关函数为：
ｒdp（ｋ）＝ｄａｔａ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ） （１）
式中，ｌ是ｐｎ码的长度。当ｄａｔａ（ｎ）正好与ｐｎ码对齐，即ｄａｔａ（ｎ）＝ｐ（ｎ）＋ｎ（ｎ）时，有：
ｒdp（ｋ）＝σ[ｐ（ｎ）＋ｎ（ｎ）]·ｐ（ｋ＋ｎ）
＝σｎ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ）＋σｐ（ｎ）·ｐ（ｋ＋ｎ）（２）
由于ｎ（ｎ）与ｐｎ是互不相关的，因此（２）式的前半部分相关值很小；而对于（２）式的后半部分，当其与本地的ｐｎ码完全对应，即ｐ（ｎ）＝ｐ（ｋ＋ｎ）时，ｒdp（ｋ）将得到最大相关值。对于ｌ＝１２８的ｐｎ码，将会有一个２１ｄｂ增益的相关峰，因此可以提取到明显的相关峰。
由以上分析可以看出，在同步相关提取的实现当中要用到反向器和乘法器，电路复杂，用ｆｐｇａ设计必然会占很大的资源。经过研究分析并参考其它文献资料，这里采用补码配对相减匹配滤波法，仅利用减法器和加
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