FPGA實(shí)現(xiàn)復(fù)接與分接系統(tǒng)

引言

　　近年來可編程器件的應(yīng)用日益廣泛，使用較多的是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)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(fēng)險(xiǎn)小，使用FPGA設(shè)計(jì)可以完全根據(jù)設(shè)計(jì)者需要開發(fā)ASIC芯片，可方便地反復(fù)編寫和修改程序，即使制成PCB后仍能進(jìn)行功能修改。本文將著重介紹運(yùn)用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)基群與二次群之間復(fù)接與分接系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

　　數(shù)字復(fù)接基本原理及系統(tǒng)構(gòu)成

　　二次群幀結(jié)構(gòu)及其復(fù)接子幀結(jié)構(gòu)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(fù)接設(shè)備幀結(jié)構(gòu)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(duì)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(biāo)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(gòu)成，子幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，一子幀有212bit，1、2、3位碼為幀碼組，記Fj;插入標(biāo)志碼用Cj表示;碼速調(diào)整插入比特用Vj表示。

　　復(fù)接系統(tǒng)構(gòu)成

　　復(fù)接系統(tǒng)構(gòu)成的框圖如圖3。復(fù)接時(shí)序信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生碼速調(diào)整需要的時(shí)序信號(hào)，四路基群信號(hào)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(hào)，輸出8.448Mbit/s的標(biāo)準(zhǔn)二次群。

　　在接收端，合路碼流先進(jìn)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(hào)，便驅(qū)動(dòng)分接時(shí)序信號(hào)發(fā)生器工作，產(chǎn)生分路和碼速恢復(fù)需要的時(shí)序信號(hào)，同時(shí)分路器工作，把幀定位信號(hào)拋掉，順序循環(huán)分別送入4個(gè)碼速恢復(fù)單元，扣除插入碼元，恢復(fù)成四路2.048Mbit/s的基群信號(hào)。

　　數(shù)字復(fù)接系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)

　　本次FPGA設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)，頂層為整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖(見圖3)，用一些符號(hào)表示功能塊，然后把每個(gè)功能塊分成若干子模塊，各模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)。下面就各模塊的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　復(fù)接電路設(shè)計(jì)

　　復(fù)接電路如圖4所示，它由復(fù)接時(shí)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(hào)發(fā)生器和合路器6個(gè)模塊構(gòu)成。圖中只畫了第一條支路參與復(fù)接的實(shí)現(xiàn)過程，因?yàn)樗臈l支路的過程完全相同，因而略去其余3個(gè)支路的電路。

　　(1)復(fù)接時(shí)序發(fā)生器模塊

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

　　(2)緩存器模塊

　　基群信號(hào)以2.048MHz的均勻時(shí)鐘clk_wr寫入緩存器，同時(shí)以2.112MHz的非均勻時(shí)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(shí)第一個(gè)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(shè)計(jì)中，應(yīng)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(hào)Fn來確定，當(dāng)反饋信號(hào)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(shí)間量稱為讀寫時(shí)差，讀寫時(shí)差的大小總隨時(shí)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(shí)間的推移，緩存器中所存信息碼數(shù)目越來越少，最后導(dǎo)致“取空”而造成錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸。因此，我們必須設(shè)定一門限，當(dāng)信碼數(shù)降到門限值時(shí)，就進(jìn)行碼速調(diào)整。

　　通過對(duì)各時(shí)刻讀寫時(shí)差的聯(lián)系以及趨向最終狀態(tài)變化的分析得出，讀寫時(shí)差的最低點(diǎn)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(jìn)行鑒相判決得到幀首的讀寫時(shí)差T0，與調(diào)整門限值TS進(jìn)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(shí)模塊輸出反饋信號(hào)Fn給緩存器，和調(diào)整控制負(fù)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(duì)緩存器的讀出信息進(jìn)行插入碼控制，輸出2.112MHz的非均勻時(shí)鐘clk_rd和參與合路的支路碼流。為了標(biāo)志是否在時(shí)隙SZ有插入調(diào)整比特，就必須引入插入標(biāo)志碼。通常在一幀中規(guī)定一個(gè)特定時(shí)隙SV，提供一次碼速調(diào)整的機(jī)會(huì)。如果某支路需要進(jìn)行調(diào)整，就在該時(shí)隙插入一比特脈沖，如不需要調(diào)整則該時(shí)隙仍傳支路信息。為確?？煽啃?，通常采用3位碼作為插入標(biāo)志碼。如果某支路有插入調(diào)整，用標(biāo)志碼為111來表示，否則用000表示。