同步^[3]是通信系統的一個重要環節，通常包括載波同步、位同步和幀同步。幀同步系統的基本設計思想^[1]是在系統發送端數據幀中適當的位置處插入同步字碼組，在接收端設計一個大的數據緩沖區，能夠將所有同步字節恰好覆蓋，并在數據幀緩沖區的適當位置處提取同步字碼組，同時將提取到的同步字碼組送入漢明距累加器計算漢明距并與檢測門限進行比較；同步控制狀態機根據比較結果為接收系統提供同步控制信息，從而實現同步。當數據幀較大時，由于數據緩沖器較長，隨著數據速率" title="數據速率">數據速率的提高，同步字碼組很難穩定地從數據緩沖區中提取出來，同時由于同步判斷時間過短而又影響同步系統的穩定性和魯棒性。為解決這一問題，本文給出了一種并行同步的設計方法。
1 并行同步的基本原理
　　當通信系統的接收機收到一路初始位置隨機的高速數碼流時，為能穩定地提取同步字碼組而實現同步，可將串行數據轉換為并行，從而降低數據率。經串并轉換" title="串并轉換">串并轉換后的并行數碼流中，同步字節中各個比特的位置可存在幾種不同的情況。現在以一路到兩路的串并轉換為例進行說明。假設圖1是一段包括一個同步字節的串行數碼流，其中A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0為同步字節中的八個比特，高位在前，箭頭表示數據傳輸方向。該數碼流在經過一路到兩路的串并轉換后，由于數據起始比特的隨機性，同步字節各個比特的位置可能是圖2或圖3所示的情況。圖2中同步字節的奇數位和偶數位在兩路中恰好對稱分開，高位A7在上邊一路中。圖3中的同步字節沒有對稱分開，高位A7在下邊一路。同步過程中可以對這兩種同步字相位情況進行搜索提取，計算漢明距。這樣同步系統的工作數據率就降為輸入數據率的一半，使得同步系統的性能穩定可靠。

　　同理，串行數據經一路到三路串并轉換后，同步字節在三路數據中的相位有三種情況，經四路轉換有四種相位情況，…，可以推得，串行數據經一路到N(N≤8)路串并轉換后，就有N種同步字相位情況，同步時建立N路的同步字碼組搜索系統。這樣數據速率就降為輸入數據速率的N分之一，從而改善了同步系統的性能，即多路并行同步。
2 兩路并行幀同步系統的設計與仿真
　　考慮到成本等具體情況，設計中采用了Altera公司Flex10K系列FPGA芯片EPF10K30RC240-3，需要設計的同步緩沖器是一個緩沖長度可調、深度可變、嵌有4個位置可變的同步字節數據緩沖區，在第一、第二個同步字間和第三、第四個同步字間采用移位寄存器，其長度可調；在第二、第三個同步字間由于要緩沖的數據較長，為節省資源采用FIFO仿真移位寄存器，其深度可變。設計中先將串行數據進行一路到兩路轉換，再分別對兩種同步字相位進行搜索提取同步字碼組，計算漢明距，經同步狀態控制機給出同步控制信號和同步指示信號。該同步系統的設計原理框圖如圖4所示。

　　其中5A、0F、BE、66是十六進制的四個同步字節；I_d和D_i是交織器的兩個參數；32比特進位保留流水加法陣列用于計算漢明距；兩路漢明距發生器均采用華萊士樹流水累加計算方式，分別對不同相位所提取的同步字碼組進行漢明距計算，并將結果送同步狀態控制機，進行同步搜索、同步監視和同步保護等。
　　設計中的同步狀態控制采用IESS308標準^[2]建議的同步捕獲判斷2次(檢測門限為漢明距不超過1)、失步" title="失步">失步保護判斷4次(檢測門限是漢明距超過6)的設計方案。同步字碼組提取采用兩路全節能搜索提取方式。同步系統的狀態轉換原理圖如圖5所示。系統剛開始處于失步狀態時，兩路搜索同時工作，當第一路檢測到同步字碼組，就令第二路停止工作并給出第一路工作標志(如果第一路未檢測到同步字碼組而第二路檢測到同步字碼組，就令第一路停止工作并給出第二路工作標志)，同時系統轉入按幀判斷方式，到下一幀該位置處判斷是否還是同步字碼組，是，系統進入同步狀態；不是，系統則轉回到兩路搜索捕獲狀態。當系統完成首次漢明距不超過1的同步判斷后(包括同步監視和同步保護狀態)，同步系統兩路漢明距發生器轉入僅在每幀的同步字碼組處中的一路工作幾個時鐘周期(設計中工作7個時鐘周期，因為漢明距發生器加了7級流水)的工作方式，從而使得同步系統的能量消耗降為最小。進入同步狀態后，當系統在一幀的同步字碼組處檢測到的結果不滿足漢明距門限值時，則系統轉入同步保護一次狀態；系統繼續在下一幀的同步字碼組處進行檢測，當再次檢測到結果不滿足漢明距門限值時，則系統轉入同步保護兩次狀態；以此類推，當同步系統連續四次判斷漢明距不滿足門限要求時，則系統轉入失步狀態，同時令兩路同步搜索系統同時開始搜索，系統進入并行同步捕獲狀態。注意：在捕獲過程中第一路搜索優先于第二路。

　　為了測試同步系統，在模擬發送端數據幀結構中設計了一個模擬同步信號源。該信號源僅在數據幀的同步字碼組處插入同步字碼組，在其它位置上均輸出255。采用該模擬同步信號源測試兩路并行同步系統，在MaxplusII中進行了仿真，仿真波形如圖6所示。圖6中Clk44832是輸入的基帶數據時鐘(時鐘周期20ns)；SynIndication是同步指示信號，當該信號變高時，表示系統進入同步狀態，變低時，則表示系統處于失步狀態；InitDeI、InitRSDeCoder和Flag是同步系統的控制信號；SynStateMachine[2..0]是同步控制狀態機的狀態信息，0狀態和1狀態是失步狀態，2狀態是同步監視狀態，3、4、5狀態是同步保護狀態。Syn1Code1[7..0]、Syn1Code2[7..0]、Syn1Code3[7..0]和Syn1Code4[7..0]是第一路同步系統的4個同步字節緩沖器；Syn2Code1[7..0]、Syn2Code2[7..0]、Syn2Code3[7..0]和Syn2Code4[7..0]是第二路同步系統的4個同步字節緩沖器，分別用于提取第一路、第二路同步系統的同步字碼組。Hamming_D1[5..0]、Hamming_D2[5..0]分別是第一路和第二路漢明距發生器計算所得到的漢明距。模擬同步信號源設計成從第一路同步到失步，從第二路同步到失步，再從第一路同步搜索轉換到第二路同步搜索、第二路同步的過程。從圖6中可清楚地看到同步系統各個狀態之間的轉換過程。證明同步系統工作正常。

3 兩路并行幀同步系統的測試與應用
　　在正常情況下，系統初始化結束后，同步指示燈應該變亮，此時表明同步系統已經同步，電路已經正常工作。測試過程中，首先按下復位鍵，讓同步指示燈熄滅，然后松開復位鍵，使得系統開始一次新的同步搜索；當同步指示燈再次變亮時，說明系統已經重新建立同步，根據系統測試控制開關的位置和測試端口的數據，可以讀出同步計數器的數值，從而計算出同步捕獲時間。計算公式為：
　　同步捕獲時間=(高4位×65536+中8位×256+低8位)×40×10^-9s?????????? (1)
　　其中，高4位、中8位和低8位分別表示同步計數器的高4位、中8位和低8位二進制結果。
　　在沒有誤碼的理想情況下，本系統同步捕獲時間tc應滿足：
　　(19968+7)×40×10^-9s≤t_c≤(19968×2+6)×40×10^-9s
　　即：799μs≤t_c≤1597.68μs????????????????????????????????????????? (2)
　　在有誤碼的情況下，系統漏掉一次同步字碼組的同步捕獲時間t_c應該滿足：
　　 (19968×2+7)×40×10^-9s≤t_c≤(19968×3+6)×40×10^-9s
　　即：1597.72μs≤t_c≤2396.40μs????????????????????????????????????? (3)
　　在誤碼率很高、系統連續漏掉n次同步字碼組的同步捕獲時間tc應該滿足：
　　[19968×(n-1)+7]×40×10^-9s≤t_c≤(19968×n+6)×40×10^-9s?????????? (4)
　　實際測量中，采用偽隨機序列模擬噪聲干擾。在誤比特率為10^-4情況下，對實際電路進行了一系列的測量，表1是其中具有代表性的結果。

　　表1中的測量結果是根據公式(1)計算得出的，其中有5次結果滿足(2)式，說明此時同步系統沒有漏掉同步字碼組，達到了同步的期望效果；有一次結果超過1.59768ms了，但滿足(3)式，說明同步系統在該誤碼率情況下，漏掉了一個同步字碼組。在實際的大量測量過程中，這種情況出現的次數很少，說明這是小概率事件。
　　在本設計中，每幀數據為39936比特，采用兩路并行同步，每幀每路漢明距發生器要工作19968個時鐘。設計中采用的全節能設計是指系統在失步時，兩路同步搜索系統同時工作，在同步監視和同步保護狀態時，同步系統僅在每幀的同步字碼組位置處其中的一路工作7個時鐘周期，其它時刻兩路均不工作。半節能設計是指系統在失步時，兩路同步搜索系統同時工作，在同步監視和同步保護狀態時，只有其中的一路工作。在同步監視和同步保護狀態時，全節能設計從每幀工作39936個時鐘降為7個時鐘，半節能設計從每幀工作39936個時鐘降為19968個時鐘。這樣，全節能設計與半節能設計相比，每幀數據同步系統少工作19961個時鐘。經測試，采用全節能同步設計方案，接收板工作電流約為700mA，采用半節能同步設計方案，接收板工作電流約為780mA，因此全節能同步設計比半節能同步設計節省功耗約為(780-700)×5×10^-3=0.4W。可見，節能效果明顯。
　　兩路并行同步設計方法設計的幀同步系統在實際的某衛星數據通信系統抗干擾編解碼部分中工作穩定、可靠，達到了理想的預期效果。該設計的應用簡圖如圖7所示。

4 多路并行幀同步系統
　　當數據速率進一步提高，兩路并行同步也不能穩定提取同步字碼組時，可以采用更多路的并行同步。實現方法是將輸入的串行高速數據進行串并轉換，再根據串并轉換后同步字可能存在的幾種不同相位進行同步搜索，提取同步字碼組，計算漢明距，為同步狀態控制機提供同步信息。同步系統在開始時進行多路并行同步搜索，當其中一路捕獲到同步字碼組后，其它各路就停止工作,系統僅按一路同步系統工作。設計中可以設成同步捕獲優先級從小到大，即第一路優先于第二路，第二路優先于第三路……。這樣有利于同步系統各個狀態之間的正常轉換。設計中要采用多路全節能設計方式，當系統處于同步捕獲狀態時，多路同步搜索系統同時工作；當系統處于同步監視和同步保護狀態時，同步系統僅在每幀數據的同步字碼組位置處工作幾個時鐘。實際通信中，由于系統大部分時間處于同步監視狀態，因而全節能設計方案可以使得同步系統的功耗降為最小。由于兩路并行同步可以將數據速率降為輸入數據速率的二分之一，三路并行同步可以降為三分之一，…。當采用N路并行同步時，可以將數據速率降為輸入數據速率的N分之一。設N為8，由于一路同步搜索系統至少可以穩定可靠地工作于25Mbps上，則該同步系統可以穩定工作的最高數據速率至少可以達到25×8=200Mbps?？梢姡嗦凡⑿袔皆O計方案對于高速數據幀同步系統的設計是有意義的。