巫忠躍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

多用途K接口用戶線路中繼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

巫忠躍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川成都610041)

針對K接口用戶遠(yuǎn)端長距離接入的需要,并結(jié)合對K接口數(shù)字基帶通信信道誤碼產(chǎn)生特性的分析,采用數(shù)字信號處理器(DSP)、大規(guī)模集成電路及復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD),設(shè)計(jì)了一款多用途K接口用戶線路中繼器。該中繼器不僅能實(shí)現(xiàn)K接口用戶超長距離的可靠穩(wěn)定接入,還能實(shí)現(xiàn)對K接口信道數(shù)字傳輸中的誤碼模擬,以有效輔助用戶實(shí)施對各種K接口通信設(shè)備的超遠(yuǎn)距離接入應(yīng)用和抗誤碼性能測試。

K接口 中繼器 信道誤碼

0 引 言

K接口是一種單路有線數(shù)字接口,具有16 kb/s、32 kb/s、64 kb/s、128 kb/s等多種工作速率,傳輸過程使用平衡線對以基帶全雙工方式傳輸,信號調(diào)制方式采用二相差分編碼。K接口具有接入方式靈活、抗干擾能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)功能多和維護(hù)使用便捷等優(yōu)點(diǎn)。

但K接口受調(diào)制方式的限制,其線路兩端最大通信距離不能超過8 km。當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急通信和單個用戶延長通信距離等需求時,用戶終端和系統(tǒng)主機(jī)之間的通信距離將大大超過設(shè)計(jì)保障范圍。如采用增加系統(tǒng)主機(jī)聯(lián)網(wǎng)或光纖傳輸?shù)冉鉀Q方式,又將增加用戶應(yīng)用成本。而同時在K接口通信設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)試時,需對設(shè)備的抗誤碼性能指標(biāo)進(jìn)行測試驗(yàn)證,在驗(yàn)證過程中急需一種具備模擬K接口通信信道實(shí)際線路誤碼特性的裝置輔助技術(shù)人員實(shí)施高效、可靠的測試。因此文中提出并設(shè)計(jì)了一種多用途K接口用戶線路中繼器,既可以擴(kuò)大了通信距離以滿足遠(yuǎn)端用戶的接入需求[1],又可以輔助技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)K接口通信線路的誤碼模擬仿真。

1 應(yīng)用配置

多用途K接口用戶線路中繼器為保證用戶接入方式簡便、維護(hù)使用快捷,在設(shè)計(jì)上采用了輕便易攜,即插即用的使用模式。用戶在使用過程中只需將中繼器與市電接通,并將其系統(tǒng)端和用戶端的K接口通過用戶線路與對應(yīng)設(shè)備配接即可。如需配置中繼器相關(guān)工作參數(shù),可用計(jì)算機(jī)通過RS-232C異步通信串口完成對中繼的工作參數(shù)配置。中繼器應(yīng)用連接框圖如圖1所示。

圖1 應(yīng)用連接框Fig.1 Application configuration diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

中繼器硬件設(shè)計(jì)部分包括CPU、CPLD、K接口模塊、鎖相環(huán)、RS-232C接口模塊和看門狗復(fù)位電路等幾個部分。CPU作為控制處理中心,控制著中繼器的有序運(yùn)行、實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控和誤碼模擬仿真計(jì)算等,設(shè)計(jì)中采用了TI公司的5000系列定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5416擔(dān)任中央處理器,并選配一款大容量的FLASH ROM存儲器,以方便后期的設(shè)計(jì)功能擴(kuò)展。CPLD用于配合CPU芯片完成控制信號切變,硬件模塊初始化配置、通信數(shù)據(jù)流幀同步信號產(chǎn)生和RS-232接口數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換等。RS-232C接口模塊用于RS-232C電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換,方便用戶通過常用的RS-232C異步通信串口應(yīng)用軟件并配合設(shè)計(jì)提供的AT信令集,對中繼器的工作自檢、K接口工作速率和誤碼率參數(shù)等常用內(nèi)部配置信息進(jìn)行設(shè)置修改。中繼器的硬件設(shè)計(jì)整體框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 K接口設(shè)計(jì)

K接口設(shè)計(jì)選用Zarlink半導(dǎo)體公司的MT9172芯片。該芯片是一種用于數(shù)字用戶線路接口的專用芯片,具有定時信息豐富、便于不停業(yè)務(wù)誤碼測試的優(yōu)點(diǎn)。

MT9172有多種工作方式,可以通過方式選擇引腳MS0～MS2進(jìn)行設(shè)定?！癕ODEM”和“數(shù)字網(wǎng)絡(luò)”(簡稱“DN”)是兩種主要的工作方式。在DN方式下,線路輸出ISDN的2B+D數(shù)據(jù),此時,DV口和CD口是標(biāo)準(zhǔn)的ST-BUS;而在MODEM方式下,D信道和兩個B信道都不在存在[2],DV口和CD口是透明的串行數(shù)據(jù)流。另外,其工作方式還有主/從以及單/雙口之分。主方芯片的時間基準(zhǔn)信號和幀同步時鐘由外部高穩(wěn)定度的時鐘源提供,而從方則直接從線路上提取。在一個數(shù)據(jù)傳輸鏈上,必須一端工作在主方式,而另一端工作在從方式。

根據(jù)MT9172的工作特性,及其提供的多類型配置選擇,在中繼器的設(shè)計(jì)中采用MT9172芯片的MODEM工作方式,并針對系統(tǒng)端和用戶端K接口工作特性作了時鐘同步主/從模式配置。系統(tǒng)端K接口電路中MT9172設(shè)置為MOD4,即DN、單口、從模式;而用戶端K接口電路中MT9172設(shè)置為MOD0,即DN、單口、主模式。

此外,位同步電路是數(shù)字通信中同步的關(guān)鍵技術(shù)[3],因而為保證在通信線路接入中繼器后系統(tǒng)端與用戶端的幀同步時鐘依然能保持有效同步,特在設(shè)計(jì)中選用了鎖相環(huán)電路以確保K接口用戶線路兩端收發(fā)工作時鐘穩(wěn)定、無漂移。

2.2 數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)

DSP芯片豐富的內(nèi)部外設(shè)接口,為實(shí)現(xiàn)中繼器通信兩端的數(shù)據(jù)可靠交換提供多種解決方式。設(shè)計(jì)之初,通過測試觀察K接口調(diào)制信道的串行數(shù)據(jù)流和時鐘特性,在結(jié)合DSP芯片內(nèi)部豐富的外設(shè)接口,設(shè)計(jì)選擇了應(yīng)用DSP芯片的MCBSP接口實(shí)現(xiàn)K接口串行數(shù)據(jù)交換。

MCBSP接口可實(shí)現(xiàn)全雙工通信,其靈活的數(shù)據(jù)長度范圍選擇、獨(dú)立的中斷向量設(shè)置,以及幀同步和時鐘信號極性編程等特點(diǎn),能較為方便的實(shí)現(xiàn)中繼器對通信兩端的數(shù)據(jù)獲取和交換。

3 隨機(jī)誤碼模擬

通信設(shè)備的抗誤碼干擾能力是設(shè)備自身一項(xiàng)重要的通信性能指標(biāo),其可靠性和技術(shù)狀態(tài)一致性在通信設(shè)備設(shè)計(jì)及生產(chǎn)等過程都需要詳盡的測試驗(yàn)證。有鑒于此,在中繼器的設(shè)計(jì)中為了方便用戶對K接口類型通信設(shè)備的線路抗誤碼能力展開及時有效的驗(yàn)證測試工作,并拓展中繼器的應(yīng)用范圍和功能,因而在中繼器的設(shè)計(jì)過程中提出了隨機(jī)誤碼模擬這一重要的功能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)。

3.1 隨機(jī)碼生成

隨機(jī)誤碼是數(shù)字信道通信一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo),要實(shí)現(xiàn)誤碼插入的隨機(jī)性需要依托可靠的隨機(jī)數(shù)生成器。在中繼器的設(shè)計(jì)中選用了m序列生成,作為隨機(jī)數(shù)生成器。m序列是有線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的二進(jìn)制數(shù)字序列,具備較好的均衡性、隨機(jī)性、自相關(guān)性和互相關(guān)性。m序?qū)崿F(xiàn)方法主要有門電路實(shí)現(xiàn)、軟件編程實(shí)現(xiàn)和可編程邏輯門電路實(shí)現(xiàn)等。而在中繼器的設(shè)計(jì)中,根據(jù)K接口的傳輸速率(16 kb/s、32 kb/s、64 kb/s、128 kb/s),以及硬件電路的資源(DSP芯片工作時鐘100M)選用了DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)方式。

隨機(jī)數(shù)在設(shè)計(jì)需求上要求無論碼長有多大都不會出現(xiàn)循環(huán)的現(xiàn)象,m序列生成的偽隨機(jī)碼的碼長達(dá)到一定程度時會出現(xiàn)循環(huán)。因而必須選擇大位數(shù)的m序列生成隨機(jī)碼,如42位的偽隨機(jī)碼,重復(fù)的可能性為4.4萬億分之一。為進(jìn)一步增強(qiáng)誤碼產(chǎn)生的隨機(jī)性,在中繼器的設(shè)計(jì)中通過軟件編程實(shí)現(xiàn)128位偽隨機(jī)碼,其本源多項(xiàng)式為X128+X+1[4],并通過Matlab仿真軟件驗(yàn)證了該m序列工作原理的正確性。

3.2 隨機(jī)誤碼插入

在實(shí)現(xiàn)隨機(jī)誤碼插入時,DSP芯片內(nèi)程序?qū)⒏鶕?jù)用戶設(shè)置的誤碼量級計(jì)算得到單位數(shù)據(jù)流內(nèi)誤碼插入個數(shù),然后由m序列產(chǎn)生器生成誤差插入隨機(jī)位并排序,最后再將K接口數(shù)據(jù)流計(jì)數(shù)器與隨機(jī)位比較,并根據(jù)比較結(jié)果和隨機(jī)位相同的計(jì)數(shù)點(diǎn)對信道數(shù)據(jù)實(shí)施取反操作,從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)誤碼的插入。如:用戶設(shè)置隨機(jī)誤碼為5×10-3,即每連續(xù)的1 000個Bit數(shù)據(jù)流中插入5個誤碼。DSP芯片內(nèi)程序就會在獲取誤碼設(shè)置參數(shù)的同時,開始計(jì)數(shù)操作并生成5個誤碼隨機(jī)地址位,并在指定計(jì)數(shù)點(diǎn)對數(shù)據(jù)位取反。

隨機(jī)誤碼仿真設(shè)計(jì)原理框圖見圖3。

DSP芯片的高速運(yùn)算能力及其MCBSP接口的靈活配置選擇,為采用DSP軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)K接口信道的隨機(jī)誤碼模擬提供了有力的支撐。驗(yàn)證測試表明隨機(jī)誤碼模擬的編程設(shè)計(jì)能滿足用戶在3×10-1～1×10-9范圍內(nèi)多種誤碼量級的應(yīng)用需求。

圖3 隨機(jī)誤碼仿真設(shè)計(jì)原理框Fig.3 Simulation design block diagram of random error

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),程序結(jié)構(gòu)清晰,調(diào)試簡便。程序主要包括主循環(huán)程序、MCBSP控制程序和串行通信數(shù)據(jù)封裝解析等組成。在無外部事件觸發(fā)時,DSP處于等待狀態(tài),如遇新事件觸發(fā),則運(yùn)行響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的服務(wù)程序,該設(shè)計(jì)能充分利用DSP的資源,實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理。

4.1 MCBSP控制程序

通信兩端的數(shù)據(jù)通過MCBSP接口輸入DSP芯片后,程序?qū)⒏鶕?jù)數(shù)據(jù)來源端口將數(shù)據(jù)裝入通信對端所對應(yīng)的MCBSP接口。同時當(dāng)用戶選擇了隨機(jī)誤碼插入后,程序?qū)⒏鶕?jù)誤碼量級并節(jié)后K接口工作速率調(diào)整MCBSP接口的工作參數(shù)(單位幀長、通道幀數(shù)),以滿足不同運(yùn)行條件下的系統(tǒng)運(yùn)行速率需求。

4.2 串行通信數(shù)據(jù)解析封裝

經(jīng)CPLD串/并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀入DSP芯片后,串行通信數(shù)據(jù)封裝解析程序?qū)⒏鶕?jù)設(shè)計(jì)采用的AT信令協(xié)議集對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、解析,并根據(jù)解析后命令內(nèi)的操作字符和配置參數(shù)控制中繼器執(zhí)行本機(jī)自檢操作、K接口通信速率設(shè)置和隨機(jī)誤碼工作參數(shù)設(shè)置等操作。在上述相關(guān)操作完成后,主程序?qū)⒎庋b一幀AT信令應(yīng)答數(shù)據(jù)由串行通信數(shù)據(jù)封裝解析程序封裝后寫入CPLD的并/串轉(zhuǎn)換單元,最后經(jīng)RS-232C接口反饋給用戶。

5 測試驗(yàn)證

通過在K接口不同工作速率、不同線徑等條件下的無誤碼測試驗(yàn)證結(jié)果,表明了中繼器能滿足設(shè)計(jì)需求。測試結(jié)果見表1。

表1 中繼器多速率測試Table 1 Multi-rate test table of repeater

6 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)依托DSP、CPLD等芯片豐富的硬件資源,采用高效的軟件編程設(shè)計(jì),不僅能實(shí)現(xiàn)用戶對K接口通信終端的通信距離延伸,而且能為用戶提供高效簡便的抗誤碼性能指標(biāo)驗(yàn)證測試環(huán)境,改變了以往類似產(chǎn)品較為單一的使用功能,提高了應(yīng)用擴(kuò)展面,是一套具備低成本、高便捷性、強(qiáng)擴(kuò)展性的多用途K接口用戶線路中繼器解決方案。同時經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證測試,確認(rèn)該中繼器工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠,具備較強(qiáng)的二次開發(fā)后臺支撐能力。

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巫忠躍(1979—),男,學(xué)士,工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)。

WU Zhong-yue(1979-),male,B.Sci.,engineer,majoring in communications technology.

Design and Implementation of Multi-use K-interface Subscriber Line Repeater

WU Zhong-yue
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Aiming at the requirements of K-interface user remote access,based on analysis of the characteristics of K-interface digital baseband communication channel error,and with DSP(digital signal processer),large-scale IC and CPLD(complex programmable logic device),a multi-use K-interface subscriber line repeater is proposed and designed.The repeater can achieve stable,reliable and long-distance access by K-interface user and realize the error simulation of K-interface channel in digital transmission,thus to effectively support users in their implementing the remote access application and anti-error performance test of K-interface communication equipment anti-error.

K-interface;repeater;channel error

TN919.71

A

1002-0802(2014)01-0115-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.023