一种基于FPGA的数字复接系统的设计与实现

　　引言

　　数字通信网中，为扩大传输容量和提高传输效率，常运用数字复接技术，将若干低速码流合并成高速码流，通过高速信道传送。而以往的PDH数字复接系统大多采用模拟电路或传统ASIC设计，电路复杂庞大且受器件限制，灵活性和稳定性都很低，系统的调试修改难度也很大。近年来可编程器件的应用日益广泛，使用较多的是现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。FPGA器件性能优越，使用方便，成本低廉，投资风险小，使用FPGA设计可以完全根据设计者需要开发ASIC芯片，可方便地反复编写和修改程序，即使制成PCB后仍能进行功能修改。本文将着重介绍运用FPGA技术实现基群与二次群之间复接与分接系统的总体设计方案。

　　数字复接基本原理及系统构成

　　二次群帧结构及其复接子帧结构

　　按ITU-TG.742协议，工作在8448kbit/s的采用正码速调整的二次群复接设备帧结构如图1所示，一帧共有848bit，前12位帧码组包括帧同步码10位，码型为1111010000；失步对告码，同步为“0”，失步为“1”；国内通信备用码。Cj1、Cj2、Cj3(j=1，2，3，4)为插入标志码，Vj(j=1，2，3，4)为码速调整插入比特，其作用是调整基群码速。二次群由四支路的子帧构成，子帧结构如图2所示，一子帧有212bit，1、2、3位码为帧码组，记Fj；插入标志码用Cj表示；码速调整插入比特用Vj表示。

图1　二次群帧结构

图2　复接子帧结构(以第一条支路为例)

　　复接系统构成

　　复接系统构成的框图如图3。复接时序信号发生器产生码速调整需要的时序信号，四路基群信号先各自经正码速调整，变为2.112Mbit/s的同步码流。合路器顺序循环读取四路码流，并在每帧开头插入帧定位信号，输出8.448Mbit/s的标准二次群。

图3　复接的系统构成框图

　　在接收端，合路码流先进行帧定位捕获，判定系统处于同步态、失步态还是过渡态。一旦捕获到帧定位信号，便驱动分接时序信号发生器工作，产生分路和码速恢复需要的时序信号，同时分路器工作，把帧定位信号抛掉，顺序循环分别送入4个码速恢复单元，扣除插入码元，恢复成四路2.048Mbit/s的基群信号。[page]

　　数字复接系统的FPGA设计

　　本次FPGA设计采用分层设计，顶层为整个系统的原理框图(见图3)，用一些符号表示功能块，然后把每个功能块分成若干子模块，各模块独立设计。下面就各模块的设计思想进行详细介绍。

　　复接电路设计

　　复接电路如图4所示，它由复接时序发生器、缓存器、码速调整控制电路、插入码控制电路、帧定位信号发生器和合路器6个模块构成。图中只画了第一条支路参与复接的实现过程，因为四条支路的过程完全相同，因而略去其余3个支路的电路。

图4　复接电路框图

　　(1)复接时序发生器模块

　　输入为2.112MHz频率的均匀时钟，通过该模块产生插入码控制电路所需的插入标志时隙脉冲SZ、调整插入时隙脉冲SV、频率为2.112MHz的非均匀时钟f(从输入的均匀时钟扣除了时隙SZ和SF)和帧定位信号发生器所需的时隙脉冲SF。

　　(2)缓存器模块

　　基群信号以2.048MHz的均匀时钟clk_wr写入缓存器，同时以2.112MHz的非均匀时钟clk_rd读出，clk_rd由插入码控制电路产生。该模块还需输出每次写入和读出一帧数据时第一个clk_wr脉冲P1和clk_rd脉冲P2，送给码速调整控制电路模块。在该模块的设计中，应注意每一帧信息码的位数不是固定的，必须通过码速调整控制电路模块的反馈信号Fn来确定，当反馈信号表明本帧需要调整，则位数为205；反之，位数为206。

　　(3)码速调整控制电路模块

　　缓存器的写入脉冲超前于读出脉冲的时间量称为读写时差，读写时差的大小总随时间不断变化着。该电路中缓存器的写入速率低于读出速率，随着时间的推移，缓存器中所存信息码数目越来越少，最后导致“取空”而造成错误的数据传输。因此，我们必须设定一门限，当信码数降到门限值时，就进行码速调整。

　　通过对各时刻读写时差的联系以及趋向最终状态变化的分析得出，读写时差的最低点总是发生在一帧末尾，而在帧首通过两脉冲相位差就能判断本帧是否需要码速调整。具体地说，P1和P2输入进行鉴相判决得到帧首的读写时差T0，与调整门限值TS进行比较，若T0>TS则本帧不需要调整，反之若T0≤TS，则需要调整。这时模块输出反馈信号Fn给缓存器，和调整控制负脉冲Gate给输入码控制电路模块。

　　(4)插入码控制电路模块

　　该模块的功能是对缓存器的读出信息进行插入码控制，输出2.112MHz的非均匀时钟clk_rd和参与合路的支路码流。为了标志是否在时隙SZ有插入调整比特，就必须引入插入标志码。通常在一帧中规定一个特定时隙SV，提供一次码速调整的机会。如果某支路需要进行调整，就在该时隙插入一比特脉冲，如不需要调整则该时隙仍传支路信息。为确保可靠性，通常采用3位码作为插入标志码。如果某支路有插入调整，用标志码为111来表示，否则用000表示。

　　(5)帧定位信号发生器模块

　　该模块产生帧同步信号和告警指示码，帧定位信号可以集中插入，也可以分散到各支路插入，考虑到设备和延迟问题，我们选择集中插入。

　　(6)合路器模块

　　根据每个时间间隔传送码字的多少，有3种排列方式：按位复接、按字复接和按帧复接。其中按位复接要求缓存器容量较小，较易实现，而且二次群帧结构是由4个支路子帧按位复接而成，所以一般采用按位复接，本文采用的也是该方式。该模块按位顺序循环读取四路码速调整后的码流，在对应SF时隙插入帧定位信号“111101000000”，得到二次群信号，即完成整个复接部分。[page]

　　分接电路设计

　　分接过程如图5所示，它是由帧定位捕获电路、同步时钟提取电路、分路器、分接时序信号发生器、插入码扣除控制电路、时钟平滑电路和码速恢复控制电路7个模块构成。由于四路分接电路基本相同，所以略去其余三路电路。

图5　分接电路框图

　　(1)帧定位捕获电路模块

　　该模块通过捕获帧定位信号分辨帧首位置，并判定系统的状态。当连续3次捕获到帧定位信号，则判定系统处于同步态；之后若连续4次没捕获到帧定位信号，则判定系统进入失步态，并关闭分接时序信号发生器，也不再接收数据；一旦捕获到帧定位信号，便驱动分接时序信号发生器工作，并开始接收数据。这里要求模块在系统失步后能重新进入同步，如果传输中帧同步码组连续丢失了几帧，而系统又没有自恢复能力，那么整个系统将无法再正常工作。

　　(2)同步时钟提取模块

　　数据流的接收需要与之速率相同的时钟，这就需要对二次群码流进行位同步时钟提取，得到与之速率一致的均匀时钟给分路器。

　　(3)分路器模块

　　一旦捕获到帧定位信号，分接器便开始工作，把帧定位信号抛掉，其余在8.448MHz的位同步时钟下按位顺序循环进行同步分离，分别送入4个码速恢复单元。

　　(4)分接时序信号发生器模块

　　该模块设计思想基本同于复接时序信号发生器，其基准时钟由位同步时钟分频得到。帧定位捕获电路驱动它工作，产生帧定位时隙脉冲SF，插入标志时隙脉冲SZ，调整插入时隙脉冲SV和2.112MHz的非均匀时钟f，送给插入码扣除控制电路。

　　(5)插入码扣除控制电路模块

　　该模块的功能是扣除复接时插入码流的码字，输出作为码速恢复电路的写入时钟clk_wr’，在接收端对收到的SZ时隙的标志码进行择多判决，即标志码中有2个以上为1，判为有插入调整，分接时应将SV时隙内容扣除；否则判为无插入调整，分接时无需扣除SV时隙内容。如果输入码流对应SZ时隙出现“1”的个数比“0”的个数多，f中对应SV的一个节拍被扣除；如果对应SZ时隙“0”的个数比“1”的个数多，则f中对应SV的节拍仍起作用。

　　(6)时钟平滑电路模块

　　该模块对非均匀时钟clk_wr’进行平滑均匀，提取2.048MHz的均匀时钟clk_rd’作为码速恢复电路的读出时钟。这里可用VHDL语言来实现，也可以用一般的二阶锁相环。

　　(7)码速恢复电路模块

　　从分路器输出的支路码流以2.112MHz的非均匀时钟clk_wr’写入该模块，同时以2.048MHz的均匀时钟clk_rd’读出，即还原出基群信号，完成整个分接过程。

　　结束语

　　系统仿真波形良好，除了允许范围内的信号延迟外，能准确实现数字信号的复接和分接。本系统采用芯片EPF10K20TC144实现，通过对硬件电路实际测试表明，误码率小于0.1%，系统信号平均时延小于4.5μs，去抖效果良好。而且本设计便于扩展，只需修改FPGA中相应控制参数，就可以实现高次群的复接与分接。该系统作为IP核应用于信号传输电路，对数字信号，或经PCM编码调制后的语音信号进行处理，可提高信道的利用率和传输质量，也可以进行光电转换后用于光纤通信或大气激光通信中。