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标题: 基于FPGA的多路数字信号复分接器的设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 17:16
标题: 基于FPGA的多路数字信号复分接器的设计
在现代数字通信中，对数据传输容量和传输效率的要求越来越高，因此经常依据时分复用[1]的原理通过数字复接与分接(简称数字复接技术)将不同速度和不同类型数据进行合并与分离，以充分发挥和利用传输能力。实现此功能的设备称为数字复接系统，它由数字复接器和数字分接器两部分组成(简称复接器和分接器)。数字复接系统设计方法多种多样，本文介绍了一种基于FPGA特点、对多信号数字复分接器的设计方法。
1 多信号数字复分接器的设计要求
复分接器需要完成对以下信号的复分接：
(1)4路8 kB语音（符合G.729A标准）及线路信令；
(2)1路4.8 kB低速同步数据；
(3)2路最高为2.4 kB的异步数据。
形成速率为64 kb/s的群路码流。功能框图见图1。

2 复分接器的设计与实现
2.1 复分接器的设计
2.1.1 复分接器的帧结构设计
本方案采用时分复用技术，帧结构见表1。

根据表1可以计算出：
每帧的帧长L=1 280 bit
当群路码速率fS=64 kb/s时：

由帧结构设计结果可对信道容量估算如下：
4路话音压缩成23×8×4×50=36.8 kb/s，低速异步数据2路为128×2×50=12.8 kb/s，低速同步数据1路为4.8 kb/s，总开销为54.4 kb/s。
时分复用的分割方式是用时隙实现的，每一支路信号分配一路时隙，帧同步码和其他业务信号、信令信号再分配一个或两个时隙，这种按时隙分配的重复性图案就是帧结构。设计的多路信号复接器，就是按帧结构将各种信息规律性地相互交插汇总成64 kb/s的群路码流。
PCM基群[3]的复接是在时隙信号控制下进行的。以30/32路PCM基群为例，在一个完整的帧周期中，定时系统均匀地产生32个时隙信号，所有时隙信号均和系统时钟同步。在每帧的开始，第一个时隙信号有效，此时在系统时钟作用下，复接器读取第一支路的数据信息(8 bit)；接着，第二个时隙信号有效，复接器读取第二支路的数据信息，直至依次读取完所有32个支路信息，如此周而复始进行。这种复接方式以字节为单位进行。
从设计要求可知，复接器要复接的各个支路数据量差别较大，既有8 kB语音信号(该数据由语音压缩电路提供)，还有4.8 kB的同步数据及2.4 kB的异步数据。如果按字节方式复接，不仅会造成在不同的时隙中需要复接的有效数据差别很大(如对每一个语音支路、同步数据、异步数据而言，其有效数据分别为184 bit、103 bit、128 bit，而帧对告只需1 bit)，而且会浪费较多的系统资源。基于以上分析，本设计采用按位复接。
具体复接过程如下：首先设计一个计数器，该计数器计数速率为64 kb/s，计数范围为0～1 280，与一帧数据的长度正好相同。计数时钟从系统时钟中得到，因而它们是完全同步的。计数器从复位开始计数时，即是每一帧数据的开始。当计数器计数为1时，复接器读取帧的第1位，即帧头的第1位；当计数为2时，复接器读取第2位，即帧头的第2位……，在计数为1 280时，复接器则读取帧的最后一位数据。若按复接支路划分，则有如表2所示的对应关系。

综上所述，可以得出以下结论：复接器应读取的数据位在数值上等于计数器计数值。需要说明的是：CRC采用ITU-T建议的CRC-4方案，其生成多项式为x4+x+1。在计数器值每次变化即复接器每读取一位数据后，立即把该数据发送到群路码流中而不需要进行保存，发送的同时进行CRC校验计算。待需要复接CRC数据时，正好得到其计算结果，不会影响到复接结果。
2.1.2 复分接器的硬件设计
复分接器基于一片FPGA来实现，模块化硬件框图见图2。

2.2 复分接器的设计实现
2.2.1 同步设计
一个时分复用系统必须收、发同步才能正常工作，这个同步包括位同步(时钟同步)和帧同步。位同步是最基本的同步，是实现帧同步的前提。
位同步的基本含义是收、发两端的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元。为此，一般应在传输的群路码流中含有发送端的时钟频率成分。这样，接收端从接收到的码流中可提取出发端时钟频率，通过锁相技术就可做到位同步。
帧同步是为了保证收、发各对应的支路在时间上保持一致，这样接收端就能正确分接出各支路信号。为了建立帧同步，需要在每一帧的固定位置插入具有特定码型的帧同步码。这样，只要接收端能正确识别出这些帧同步码，就能正确辨别出每一帧的首尾，从而能正确区分出发送端送来的各路信号。
常用的帧同步码插入方式有分散插入和集中插入两种方式。分散插入采用把多位同步码分散地插入到信息码流中，最大特点是同步码不占用信息时隙，但同步引入时间长；集中插入则将多位同步码以集中的形式插入到信息码流中，显然，帧同步码需占用信息时隙，但缩短了同步引入时间。
本设计采用帧同步码（1B）集中插入方式。同步捕捉模块框图见图3。

2.2.2 准同步复接
同步复接是指参与复接的支路数字信号与复接时钟严格同步；准同步复分接则是把标称速率相同、而实际速率略有差异、但均在规定的容差范围内的多路数字信号进行复接分接的技术。
在设计中，由于同步数据时钟和系统时钟不同源，因此，该部分复分接属准同步复分接。码率调整及码速恢复技术是该部分的设计要点，即先把参与复接的各准同步支路码流调整成为同步码流，然后再对这些同步码流进行同步复接；在接收端，则先实施同步分接，得到同步支路码流后，再经过码速恢复装置，把同步支路码流还原成原来的准同步支路码流。码速调整示意图如图4所示。

被复接的码速fL与其标称码速fm之间有三种关系：fLm，fL=fm，fL>fm。当瞬间fL>fm时，采用负码速调整；当瞬间fLm时，采用正码速调整。
在设计的帧结构中，该部分复接后占用的帧长度是固定的，它包含的信息和相应位置如表3。

“插入标志”用来表示采用码速调整的方式，很明显，使用2 bit即可代表三种码速调整方式，在此用6 bit来指示三种码速调整方式,将该6 bit分为3组，对3组数据采用大数判决，可较好解决由于该插入标志误码造成分接时的码流恢复错误。插入码则表示对应的调整码。在分接端，通过读取插入标志即可正确判断和分离出插入码，从而还原成为原来的准同步支路码流。
下面对码速调整率进行估算：

其物理意义为：对速率为4.8 kb/s的同步数据，允许的速率变化范围是(4.8-4.8×1 %) kb/s～(4.8+4.8×1 %) kb/s，在此范围内均可完全正确地进行复分接。
2.2.3 语音数据和异步数据的采样
结合图1可知，话音经抽样压缩为8 kb/s，在MCU的控制下，实时写入语音通道的FIFO中，等待参与复接。
异步数据的最高速率限制为2 400 b/s。根据采样定理，FPGA以6.4 kb/s的速率对低速异步数据过采样，使之成为一个同步码流，即可参加复接。
2.2.4 芯片选型
数字复接时,缓存器是必不可少的部件，因为复接过程中，各个支路信号均为连续传输。当复接某一支路信码时，其他支路信码仍在传送，但暂时尚未轮到复接它们，因此需要将这些数据缓存起来，以免丢失。
FPGA既继承了ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了ASIC设计的周期长、投资大、灵活性差的缺点。结合性能、成本等要求，设计选用了Xilinx公司的 XC2S300E-6，该FPGA为30万门大规模可编程逻辑器件，基于查找表、触发器结构。查找表可等效为16×1 RAM或移位寄存器，提高逻辑利用率，内置专用双端口BlockRAM，方便了系统开发。
3 设计中需要注意的问题
系统中其他相关设备对群路码流的速率容差要求较为严格，为±50 ppm，因此在选择全局时钟源时应慎重考虑,避免由于时钟源造成的码速抖动和漂移。设计中应多采用同步时序电路来实现各个进程模块的功能，以免电路中产生毛刺。接口数字信号5 V TTL，内部芯片工作电压3.3 V LVTTL，需要进行电平转换。
本设计选用Xilinx公司的ISE6.1作为硬件开发平台，并采用VHDL编程语言。程序已通过了综合实验，并使用ModelSim软件进行了功能仿真和时序仿真，仿真结果正确。在硬件实现与调试过程中，将程序下载到Xilinx公司的SPARTANⅡE系列的XC2S300E-6芯片，经过整体调试，最终实现了对多路数字复分接器的设计。该方法不仅具有通用性、实用性，而且具有灵活性和程序可移植性，相信在很多行业都会得到广泛应用。

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