FPGA實現(xiàn)復接與分接系統(tǒng)

引言

　　近年來可編程器件的應用日益廣泛，使用較多的是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)。FPGA器件性能優(yōu)越，使用方便，成本低廉，投資風險小，使用FPGA設計可以完全根據(jù)設計者需要開發(fā)ASIC芯片，可方便地反復編寫和修改程序，即使制成PCB后仍能進行功能修改。本文將著重介紹運用FPGA技術實現(xiàn)基群與二次群之間復接與分接系統(tǒng)的總體設計方案。
 

　　數(shù)字復接基本原理及系統(tǒng)構成

　　二次群幀結(jié)構及其復接子幀結(jié)構按ITU-TG.742協(xié)議，工作在8448kbit/s的采用正碼速調(diào)整的二次群復接設備幀結(jié)構如圖1所示，一幀共有848bit，前12位幀碼組包括幀同步碼10位，碼型為1111010000;失步對告碼，同步為“0”，失步為“1”;國內(nèi)通信備用碼。Cj1、Cj2、Cj3(j=1，2，3，4)為插入標志碼，Vj(j=1，2，3，4)為碼速調(diào)整插入比特，其作用是調(diào)整基群碼速。二次群由四支路的子幀構成，子幀結(jié)構如圖2所示，一子幀有212bit，1、2、3位碼為幀碼組，記Fj;插入標志碼用Cj表示;碼速調(diào)整插入比特用Vj表示。

　　復接系統(tǒng)構成

　　復接系統(tǒng)構成的框圖如圖3。復接時序信號發(fā)生器產(chǎn)生碼速調(diào)整需要的時序信號，四路基群信號先各自經(jīng)正碼速調(diào)整，變?yōu)?.112Mbit/s的同步碼流。合路器順序循環(huán)讀取四路碼流，并在每幀開頭插入幀定位信號，輸出8.448Mbit/s的標準二次群。

　　在接收端，合路碼流先進行幀定位捕獲，判定系統(tǒng)處于同步態(tài)、失步態(tài)還是過渡態(tài)。一旦捕獲到幀定位信號，便驅(qū)動分接時序信號發(fā)生器工作，產(chǎn)生分路和碼速恢復需要的時序信號，同時分路器工作，把幀定位信號拋掉，順序循環(huán)分別送入4個碼速恢復單元，扣除插入碼元，恢復成四路2.048Mbit/s的基群信號。

　　數(shù)字復接系統(tǒng)的FPGA設計

　　本次FPGA設計采用分層設計，頂層為整個系統(tǒng)的原理框圖(見圖3)，用一些符號表示功能塊，然后把每個功能塊分成若干子模塊，各模塊獨立設計。下面就各模塊的設計思想進行詳細介紹。

　　復接電路設計

　　復接電路如圖4所示，它由復接時序發(fā)生器、緩存器、碼速調(diào)整控制電路、插入碼控制電路、幀定位信號發(fā)生器和合路器6個模塊構成。圖中只畫了第一條支路參與復接的實現(xiàn)過程，因為四條支路的過程完全相同，因而略去其余3個支路的電路。

　　(1)復接時序發(fā)生器模塊

　　輸入為2.112MHz頻率的均勻時鐘，通過該模塊產(chǎn)生插入碼控制電路所需的插入標志時隙脈沖SZ、調(diào)整插入時隙脈沖SV、頻率為2.112MHz的非均勻時鐘f(從輸入的均勻時鐘扣除了時隙SZ和SF)和幀定位信號發(fā)生器所需的時隙脈沖SF。

　　(2)緩存器模塊

　　基群信號以2.048MHz的均勻時鐘clk_wr寫入緩存器，同時以2.112MHz的非均勻時鐘clk_rd讀出，clk_rd由插入碼控制電路產(chǎn)生。該模塊還需輸出每次寫入和讀出一幀數(shù)據(jù)時第一個clk_wr脈沖P1和clk_rd脈沖P2，送給碼速調(diào)整控制電路模塊。在該模塊的設計中，應注意每一幀信息碼的位數(shù)不是固定的，必須通過碼速調(diào)整控制電路模塊的反饋信號Fn來確定，當反饋信號表明本幀需要調(diào)整，則位數(shù)為205;反之，位數(shù)為206。

　　(3)碼速調(diào)整控制電路模塊

　　緩存器的寫入脈沖超前于讀出脈沖的時間量稱為讀寫時差，讀寫時差的大小總隨時間不斷變化著。該電路中緩存器的寫入速率低于讀出速率，隨著時間的推移，緩存器中所存信息碼數(shù)目越來越少，最后導致“取空”而造成錯誤的數(shù)據(jù)傳輸。因此，我們必須設定一門限，當信碼數(shù)降到門限值時，就進行碼速調(diào)整。

　　通過對各時刻讀寫時差的聯(lián)系以及趨向最終狀態(tài)變化的分析得出，讀寫時差的最低點總是發(fā)生在一幀末尾，而在幀首通過兩脈沖相位差就能判斷本幀是否需要碼速調(diào)整。具體地說，P1和P2輸入進行鑒相判決得到幀首的讀寫時差T0，與調(diào)整門限值TS進行比較，若T0>TS則本幀不需要調(diào)整，反之若T0≤TS，則需要調(diào)整。這時模塊輸出反饋信號Fn給緩存器，和調(diào)整控制負脈沖Gate給輸入碼控制電路模塊。

(4)插入碼控制電路模塊

　　該模塊的功能是對緩存器的讀出信息進行插入碼控制，輸出2.112MHz的非均勻時鐘clk_rd和參與合路的支路碼流。為了標志是否在時隙SZ有插入調(diào)整比特，就必須引入插入標志碼。通常在一幀中規(guī)定一個特定時隙SV，提供一次碼速調(diào)整的機會。如果某支路需要進行調(diào)整，就在該時隙插入一比特脈沖，如不需要調(diào)整則該時隙仍傳支路信息。為確?？煽啃裕ǔ２捎?位碼作為插入標志碼。如果某支路有插入調(diào)整，用標志碼為111來表示，否則用000表示。[!--empirenews.page--](5)幀定位信號發(fā)生器模塊

　　該模塊產(chǎn)生幀同步信號和告警指示碼，幀定位信號可以集中插入，也可以分散到各支路插入，考慮到設備和延遲問題，我們選擇集中插入。

　　(6)合路器模塊

　　根據(jù)每個時間間隔傳送碼字的多少，有3種排列方式：按位復接、按字復接和按幀復接。其中按位復接要求緩存器容量較小，較易實現(xiàn)，而且二次群幀結(jié)構是由4個支路子幀按位復接而成，所以一般采用按位復接，本文采用的也是該方式。該模塊按位順序循環(huán)讀取四路碼速調(diào)整后的碼流，在對應SF時隙插入幀定位信號“111101000000”，得到二次群信號，即完成整個復接部分。

　　分接電路設計

　　分接過程如圖5所示，它是由幀定位捕獲電路、同步時鐘提取電路、分路器、分接時序信號發(fā)生器、插入碼扣除控制電路、時鐘平滑電路和碼速恢復控制電路7個模塊構成。由于四路分接電路基本相同，所以略去其余三路電路。

　　(1)幀定位捕獲電路模塊

　　該模塊通過捕獲幀定位信號分辨幀首位置，并判定系統(tǒng)的狀態(tài)。當連續(xù)3次捕獲到幀定位信號，則判定系統(tǒng)處于同步態(tài);之后若連續(xù)4次沒捕獲到幀定位信號，則判定系統(tǒng)進入失步態(tài)，并關閉分接時序信號發(fā)生器，也不再接收數(shù)據(jù);一旦捕獲到幀定位信號，便驅(qū)動分接時序信號發(fā)生器工作，并開始接收數(shù)據(jù)。這里要求模塊在系統(tǒng)失步后能重新進入同步，如果傳輸中幀同步碼組連續(xù)丟失了幾幀，而系統(tǒng)又沒有自恢復能力，那么整個系統(tǒng)將無法再正常工作。

　　(2)同步時鐘提取模塊

　　數(shù)據(jù)流的接收需要與之速率相同的時鐘，這就需要對二次群碼流進行位同步時鐘提取，得到與之速率一致的均勻時鐘給分路器。

　　(3)分路器模塊

　　一旦捕獲到幀定位信號，分接器便開始工作，把幀定位信號拋掉，其余在8.448MHz的位同步時鐘下按位順序循環(huán)進行同步分離，分別送入4個碼速恢復單元。

　　(4)分接時序信號發(fā)生器模塊

　　該模塊設計思想基本同于復接時序信號發(fā)生器，其基準時鐘由位同步時鐘分頻得到。幀定位捕獲電路驅(qū)動它工作，產(chǎn)生幀定位時隙脈沖SF，插入標志時隙脈沖SZ，調(diào)整插入時隙脈沖SV和2.112MHz的非均勻時鐘f，送給插入碼扣除控制電路。

　　(5)插入碼扣除控制電路模塊

　　該模塊的功能是扣除復接時插入碼流的碼字，輸出作為碼速恢復電路的寫入時鐘clk_wr’，在接收端對收到的SZ時隙的標志碼進行擇多判決，即標志碼中有2個以上為1，判為有插入調(diào)整，分接時應將SV時隙內(nèi)容扣除;否則判為無插入調(diào)整，分接時無需扣除SV時隙內(nèi)容。如果輸入碼流對應SZ時隙出現(xiàn)“1”的個數(shù)比“0”的個數(shù)多，f中對應SV的一個節(jié)拍被扣除;如果對應SZ時隙“0”的個數(shù)比“1”的個數(shù)多，則f中對應SV的節(jié)拍仍起作用。

　　(6)時鐘平滑電路模塊

　　該模塊對非均勻時鐘clk_wr’進行平滑均勻，提取2.048MHz的均勻時鐘clk_rd’作為碼速恢復電路的讀出時鐘。這里可用VHDL語言來實現(xiàn)，也可以用一般的二階鎖相環(huán)。

　　(7)碼速恢復電路模塊

　　從分路器輸出的支路碼流以2.112MHz的非均勻時鐘clk_wr’寫入該模塊，同時以2.048MHz的均勻時鐘clk_rd’讀出，即還原出基群信號，完成整個分接過程。

　　結(jié)束語

　　系統(tǒng)仿真波形良好，除了允許范圍內(nèi)的信號延遲外，能準確實現(xiàn)數(shù)字信號的復接和分接。誤碼率小于0.1%，系統(tǒng)信號平均時延小于4.5μs，去抖效果良好。而且本設計便于擴展，只需修改FPGA中相應控制參數(shù)，就可以實現(xiàn)高次群的復接與分接。該系統(tǒng)作為IP核應用于信號傳輸電路，對數(shù)字信號，或經(jīng)PCM編碼調(diào)制后的語音信號進行處理，可提高信道的利用率和傳輸質(zhì)量，也可以進行光電轉(zhuǎn)換后用于光纖通信或大氣激光通信中。