CN112073151A - 一种基于fpga的遥测pcm解码和帧同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测试技术领域，涉及遥测PCM解码帧同步方法。一种基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，包括：对PCM‑BPSK‑PM/FM制式遥测信号解调后的数据流根据码型进行解码；对解码后的数据进行帧同步，并输出有效信息数据。本发明的方法中，对BIΦ‑L、BIΦ‑M和BIΦ‑S码型的解码利用其编码的固有特性即每个码元都对应一个“1”和“0”跳变，从而运算判断出待解码的数据流中每个码元对应的前半位码元和后半位码元的位置，具有极好的准确率和效率；在帧同步方法中，使用对比判断出BPSK副载波解调后码元中“0”和“1”是否同时翻转的问题，能有效的进行信息数据的正确提取。

Description

一种基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及遥测PCM解码帧同步方法。
背景技术
在航空测试领域，PCM-BPSK-PM/FM体制广泛应用于遥测遥控系统，适应于遥测信号的远距离传输，使通信具有高可靠性和保密性。PCM-BPSK-PM/FM调制格式的原理是通过两次调制实现，将有效信息数据添加同步帧和空闲码后进行PCM编码，首先通过副载波进行BPSK调制(第一次调制)，然后将调制后的副载波作为信号源对主载波进行PM或FM调制(第二次调制)，通过信号调理通道后输出遥测中频信号，原理示意如图1所示。
对于遥测中频信号同理需要经过两次解调，原理示意图如图2所示，两次解调后经过位同步输出待解码的数据流。
PCM解码帧同步算法主要是实现对遥测信号(PCM-BPSK-PM/FM)解调后的码元数据进行解码并提取其中有效的数据信息。
根据PCM编码的码型进行解码后输出带同步帧的数据码，最后通过帧同步从而提取出其中的信息数据。
PCM有六种码型：NRZ-L、NRZ-M、NRZ-S、BIΦ-L、BIΦ-M和BIΦ-S。
目前对BIΦ-L、BIΦ-M和BIΦ-S三种码型进行解码使用多路同时检测法，用来解决前半位码和本半位码不确定的问题，需要对三种码型的每种情况都进行一路设计；
BPSK解调后会发生码元“1”和“0”可能同时翻转，在帧同步阶段常用的方法是两路同时检测，通过判断是否帧同步上来取其中一路数据；
帧同步后要判断有效信息数据的起始和结束即提取有效信息数据，常用的方法有根据编码发射时约定的起始判断识别码或者每帧数据的字节长度，将串行数据转成并行字节数据进行存储，然后软件进行读取：
1)多路并行解码方法：PCM解码时处理的是解调后的原始串行数据，首先需要针对六种码型进行分别处理和解码，然后根据解码结果分别和已知的帧同步码对比来判断那一路为有效数据，虽然减少了逻辑判断上的复杂度，但是增加了功耗和占用较多硬件资源；
2)帧同步滑动法：对解码后的数据流进行移位，并同时和同步帧进行比对，来判断是否检测有效数据的开始。在进行一帧数据是否结束时有多种方式：一是通过设定一个特定的帧结束码或者使用下一帧的同步码，来判定这一帧有效数据的结束，二是设定一帧数据的长度，在帧同步后计数有效数据的个数，来判断这一帧有效数据的结束。该方法也是主流的方法，在遇到干扰出现误码时容易漏同步，从而丢失开始的多帧数据。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的PCM解码和帧同步方法存在的上述问题，提供一种基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，包括：对PCM-BPSK-PM/FM制式遥测信号解调后的数据流根据码型进行解码；对解码后的数据进行帧同步，并输出数据；其中，根据码型进行解码包括：对于码型为NRZ-L、NRZ-M或NRZ-S编码的数据流，根据编码规则直接解码；对于码型为BIΦ-L、BIΦ-M或BIΦ-S编码的数据流，先判断出待解码的数据流中每个码元对应的前半位码元和后半位码元的位置，实现码元同步，然后根据编码规则进行解码。
作为本发明的一种优选方式，所述码元同步方法为：
(1)首先将待解码的码元数据流根据输入串转并为data_code[2n:0]，n为正整数；
(2)对待解码的半位码元有效脉冲处理得到奇数脉冲和偶数脉冲，用于后续确认第n个码元对应的前半位码元和后半位码；
(3)将data_code[2n:0]和2n’b01……0101(或者2n’b10……1010)进行按位异或运算，来判断前半位码元是否位于data_code[2n:0]的最高位，从而确定下一个半位码元即前半位码元；
(4)根据先出现的是奇数脉冲或者偶数脉冲，确定其对应的data_in即前半位码元，完成从data_in中确定前半位码元和后半位码元的位置。
作为本发明的一种优选方式，所述的帧同步方法包括：
将解码后的数据流码元和有效脉冲串行数据转换成8位数据，根据设定的同步帧字节数，拼接成相同的字节数；将拼接后的数据和同步帧字节进行按位异或运算，根据异或结果是全“0”或“1”，实现帧同步。
进一步优选地，若运算的结果全是“0”，直接提取数据；若全是“1”，对提取的数据进行取反。
作为本发明的一种优选方式，对提取的帧同步数据进行空闲码的排除，获得有效信息数据。
本发明的基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，具有以下有益效果：
(1)利用编码固有特性检测前后两个半位码元的位置，算法简捷有效，准确度高，设计复杂度相对较低；
(2)利用已知同步帧数据和解码后数据进行运算，判定码元是否翻转来进行数据校正，在实现帧同步的过程中保障了数据的准确性；
(3)帧同步后进行数据提取，由于在有效信息数据的前后都插入已知空闲码，排除前后的空闲码，可以十分准确地得到有效信息数据。
附图说明
图1为遥测调制原理示意图；
图2为遥测解调原理示意图；
图3为PCM六种编码类型示意图；
图4为本发明实施例中BIΦ-S码型码元同步示意图；
图5为本发明实施例中前半位码元位置的判断方法示意图；
图6为本发明实施例中帧同步数据示意图；
图7为本发明实施例中帧同步过程示意图；
图8为本发明实施例中空闲码排除原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实例提供的遥测PCM解码和帧同步方法，在FPGA中实现，FPGA包括解码模块、帧同步模块、数据输出模块等，具体步骤包括：
1、对PCM-BPSK-PM/FM制式遥测信号解调后的数据流根据码型进行解码
PCM六种码型数据(即编码数据)，如图3所示，在解调后经过位同步后的每个bit数据都有一个对应的有效脉冲。
PCM六种码型中的NRZ-L、NRZ-M和NRZ-S编码是非归零调制码，1个码元(“1”或“0”)解码后对应1个码元，根据编码规则直接解码即可。
BIΦ-L、BIΦ-M和BIΦ-S编码是双相编码，使用“1”和“0”在每个码元的开始、结束以及码元正中间时刻发生变化，每个码元都会对应两个码元“10”或“01”。在对BIΦ-L、BIΦ-M和BIΦ-S进行解码时需要判定“10”中的“1”是对应n-1码元编码的后半位码还是n码元对应的前半位码，这是解码前必须解决的问题。
如图4所示，以BIΦ-S码型为例进行双相编码的解调码元同步的方法。图中CLK为时钟信号，data_in为待解码的码元数据流，data_pulse为待解码的半位码元有效脉冲，码元同步方法如下：
(1)首先将data_in根据输入串转并即图中data_code[2n:0]，n为正整数，可根据设计调整；
(2)对data_pulse处理得到奇数脉冲和偶数脉冲，分别为data_pulse1和data_pulse2，用于后续确认第n个码元对应的前半位码元和后半位码；
(3)由于双相编码的特性，即每个码元总数会编码成“10”或“01”，所以将data_code[2n:0]和2n’b01……0101(或者2n’b10……1010)进行按位异或运算，运算结果为data_code_01[2n:0],再将分别将data_code_01[2n]和data_code_01[2n-1]异或运算，即：将data_code_01[2n:0]中的[2n]和[2n-1]、……[3]和[2]、[1]和[0]),运算结果为data_code_01or10[n:0]。如果data_code_01or10[n:0]等于n’b0……0，如图5所示，则判定前半位码元是位于data_code[2n:0]的最高位，从而确定下一个半位码元即前半位码元。
然后，可以根据data_pulse1和data_pulse2哪一个先出现，其对应的data_in即前半位码元，完成从data_in中确定前半位码元和后半位码元的位置，即实现码元同步，进而根据编码规则进行解码。
2、对解码后的数据进行帧同步，并输出数据
帧同步主要是为了对解码后的数据去除同步帧数据和无效数据，从而提取从有效的信息数据。由于BPSK解调时可能会产生持续的码元“1”和“0”同时翻转，这对后续的数据提取造成了一定的麻烦；为了更好的实现数据的有效传输和排除干扰错误，在有效数据PCM编码前的成帧阶段会使用已知的空闲码先进行数据的发生传输，有效数据传输完毕后会继续使用空闲码代替有效数据进行编码传输。
帧同步的具体方法如下：
(1)如图6所示，解码后的数据流码元和有效脉冲进入帧同步处理流程，首先将串行数据转换成8位(1Byte)数据(同步帧一般以字节为单位)，根据设计的同步帧字节数，进行拼接成相同的字节数。将拼接的数据和同步帧字节进行按位异或运算，根据异或结果是全“0”或“1”(可以设置一定的容错率)从而实现帧同步。
(2)如图7所示，若运算的结果全是“0”，即BPSK解调时的“1”和“0”是正确的，后续直接进行有效信息数据提取；若全是“1”，即BPSK解调时的“1”和“0”是全部翻转的，后续提取的数据进行取反，输出正确的数据。根据设定的每帧数据中有效数据的字节数据进行判断本帧数据是否输出完成，从而重新进入帧同步状态继续进行同步判断。
(3)如图8所示，通过上述步骤提取的数据data_Byte[7:0](即去除同步帧后的数据，以字节为单位)，在检测空闲码状态与设定的n1(可设)个空闲码(8’hXX)对比，当比对成功后进入检测数据状态，当检测到n2(可设)个字节非空闲码(即)出现，即进入数据输出状态，同时输出有效信号数据(非空闲码数据)infor_data_Byte[7:0]进行存储，当再次检测到n3(可设)个空闲码，即进入信息数据输出结束状态，同时发出数据接收完成信号。
这里为了排除空闲码出错后被识别为有效数据产生的干扰，进而可设定合适的n1(n1为正整数)个字节的数据拼接后和空闲码比对，排除无关的数据；设置合理的n2，从而判断有效信息数据的开始，同理可以设置合适的n3判断有效信息数据的结束，最终实现全部有效数据的提取任务。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，包括：对PCM-BPSK-PM/FM制式遥测信号解调后的数据流根据码型进行解码；对解码后的数据进行帧同步，并输出有效信息数据；其特征在于，根据码型进行解码包括：对于码型为NRZ-L、NRZ-M或NRZ-S编码的数据流，根据编码规则直接解码；对于码型为BIΦ-L、BIΦ-M或BIΦ-S编码的数据流，先判断出待解码的数据流中每个码元对应的前半位码元和后半位码元的位置，实现码元同步，然后根据编码规则进行解码。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，其特征在于，所述码元同步方法为：
(1)首先将待解码的码元数据流根据输入串转并为data_code[2n:0]，n为正整数；
(2)对待解码的半位码元有效脉冲处理得到奇数脉冲和偶数脉冲，用于后续确认第n个码元对应的前半位码元和后半位码；
(3)将data_code[2n:0]和2n’b01……0101(或者2n’b10……1010)进行按位异或运算，来判断前半位码元是否位于data_code[2n:0]的最高位，从而确定下一个半位码元即前半位码元；
(4)根据先出现的是奇数脉冲或者偶数脉冲，确定其对应的data_in即前半位码元，完成从data_in中确定前半位码元和后半位码元的位置。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，其特征在于，所述的帧同步方法包括：
将解码后的数据流码元和有效脉冲串行数据转换成8位数据，根据设定的同步帧字节数，拼接成相同的字节数；将拼接后的数据和同步帧字节进行按位异或运算，根据异或结果是全“0”或“1”，实现帧同步。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，其特征在于，若运算的结果全是“0”，直接提取数据；若全是“1”，对提取的数据进行取反。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的遥测PCM解码和帧同步方法，其特征在于，对提取的帧同步数据进行空闲码的排除，获得有效信息数据。
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