基于FPGA的多路數字信號復分接器的設計

1 多信號數字復分接器的設計要求

復分接器需要完成對以下信號的復分接：

(1)4路8 kB語音（符合G.729A標準）及線路信令；

(2)1路4.8 kB低速同步數據；

(3)2路最高為2.4 kB的異步數據。

形成速率為64 kb/s的群路碼流。功能框圖見圖1。

2 復分接器的設計與實現

2.1 復分接器的設計

2.1.1 復分接器的幀結構設計

本方案采用時分復用技術，幀結構見表1。

根據表1可以計算出：

每幀的幀長L=1 280 bit

當群路碼速率fS=64 kb/s時：

由幀結構設計結果可對信道容量估算如下：

4路話音壓縮成23×8×4×50=36.8 kb/s，低速異步數據2路為128×2×50=12.8 kb/s，低速同步數據1路為4.8 kb/s，總開銷為54.4 kb/s。

時分復用的分割方式是用時隙實現的，每一支路信號分配一路時隙，幀同步碼和其他業(yè)務信號、信令信號再分配一個或兩個時隙，這種按時隙分配的重復性圖案就是幀結構。設計的多路信號復接器，就是按幀結構將各種信息規(guī)律性地相互交插匯總成64 kb/s的群路碼流。

PCM基群[3]的復接是在時隙信號控制下進行的。以30/32路PCM基群為例，在一個完整的幀周期中，定時系統均勻地產生32個時隙信號，所有時隙信號均和系統時鐘同步。在每幀的開始，第一個時隙信號有效，此時在系統時鐘作用下，復接器讀取第一支路的數據信息(8 bit)；接著，第二個時隙信號有效，復接器讀取第二支路的數據信息，直至依次讀取完所有32個支路信息，如此周而復始進行。這種復接方式以字節(jié)為單位進行。

從設計要求可知，復接器要復接的各個支路數據量差別較大，既有8 kB語音信號(該數據由語音壓縮電路提供)，還有4.8 kB的同步數據及2.4 kB的異步數據。如果按字節(jié)方式復接，不僅會造成在不同的時隙中需要復接的有效數據差別很大(如對每一個語音支路、同步數據、異步數據而言，其有效數據分別為184 bit、103 bit、128 bit，而幀對告只需1 bit)，而且會浪費較多的系統資源。基于以上分析，本設計采用按位復接。

具體復接過程如下：首先設計一個計數器，該計數器計數速率為64 kb/s，計數范圍為0～1 280，與一幀數據的長度正好相同。計數時鐘從系統時鐘中得到，因而它們是完全同步的。計數器從復位開始計數時，即是每一幀數據的開始。當計數器計數為1時，復接器讀取幀的第1位，即幀頭的第1位；當計數為2時，復接器讀取第2位，即幀頭的第2位……，在計數為1 280時，復接器則讀取幀的最后一位數據。若按復接支路劃分，則有如表2所示的對應關系。

綜上所述，可以得出以下結論：復接器應讀取的數據位在數值上等于計數器計數值。需要說明的是：CRC采用ITU-T建議的CRC-4方案，其生成多項式為x4+x+1。在計數器值每次變化即復接器每讀取一位數據后，立即把該數據發(fā)送到群路碼流中而不需要進行保存，發(fā)送的同時進行CRC校驗計算。待需要復接CRC數據時，正好得到其計算結果，不會影響到復接結果。

2.1.2 復分接器的硬件設計

復分接器基于一片FPGA來實現，模塊化硬件框圖見圖2。

2.2 復分接器的設計實現

2.2.1 同步設計

一個時分復用系統必須收、發(fā)同步才能正常工作，這個同步包括位同步(時鐘同步)和幀同步。位同步是最基本的同步，是實現幀同步的前提。

位同步的基本含義是收、發(fā)兩端的時鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個碼元。為此，一般應在傳輸的群路碼流中含有發(fā)送端的時鐘頻率成分。這樣，接收端從接收到的碼流中可提取出發(fā)端時鐘頻率，通過鎖相技術就可做到位同步。

幀同步是為了保證收、發(fā)各對應的支路在時間上保持一致，這樣接收端就能正確分接出各支路信號。為了建立幀同步，需要在每一幀的固定位置插入具有特定碼型的幀同步碼。這樣，只要接收端能正確識別出這些幀同步碼，就能正確辨別出每一幀的首尾，從而能正確區(qū)分出發(fā)送端送來的各路信號。

常用的幀同步碼插入方式有分散插入和集中插入兩種方式。分散插入采用把多位同步碼分散地插入到信息碼流中，最大特點是同步碼不占用信息時隙，但同步引入時間長；集中插入則將多位同步碼以集中的形式插入到信息碼流中，顯然，幀同步碼需占用信息時隙，但縮短了同步引入時間。

本設計采用幀同步碼（1B）集中插入方式。同步捕捉模塊框圖見圖3。

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2.2.2 準同步復接

同步復接是指參與復接的支路數字信號與復接時鐘嚴格同步；準同步復分接則是把標稱速率相同、而實際速率略有差異、但均在規(guī)定的容差范圍內的多路數字信號進行復接分接的技術。

在設計中，由于同步數據時鐘和系統時鐘不同源，因此，該部分復分接屬準同步復分接。碼率調整及碼速恢復技術是該部分的設計要點，即先把參與復接的各準同步支路碼流調整成為同步碼流，然后再對這些同步碼流進行同步復接；在接收端，則先實施同步分接，得到同步支路碼流后，再經過碼速恢復裝置，把同步支路碼流還原成原來的準同步支路碼流。碼速調整示意圖如圖4所示。

被復接的碼速fL與其標稱碼速fm之間有三種關系：fLm，fL=fm，fL>fm。當瞬間fL>fm時，采用負碼速調整；當瞬間fLm時，采用正碼速調整。

在設計的幀結構中，該部分復接后占用的幀長度是固定的，它包含的信息和相應位置如表3。

“插入標志”用來表示采用碼速調整的方式，很明顯，使用2 bit即可代表三種碼速調整方式，在此用6 bit來指示三種碼速調整方式,將該6 bit分為3組，對3組數據采用大數判決，可較好解決由于該插入標志誤碼造成分接時的碼流恢復錯誤。插入碼則表示對應的調整碼。在分接端，通過讀取插入標志即可正確判斷和分離出插入碼，從而還原成為原來的準同步支路碼流。

下面對碼速調整率進行估算：

其物理意義為：對速率為4.8 kb/s的同步數據，允許的速率變化范圍是(4.8-4.8×1 %) kb/s～(4.8+4.8×1 %) kb/s，在此范圍內均可完全正確地進行復分接。

2.2.3 語音數據和異步數據的采樣

結合圖1可知，話音經抽樣壓縮為8 kb/s，在MCU的控制下，實時寫入語音通道的FIFO中，等待參與復接。

異步數據的最高速率限制為2 400 b/s。根據采樣定理，FPGA以6.4 kb/s的速率對低速異步數據過采樣，使之成為一個同步碼流，即可參加復接。

2.2.4 芯片選型

數字復接時,緩存器是必不可少的部件，因為復接過程中，各個支路信號均為連續(xù)傳輸。當復接某一支路信碼時，其他支路信碼仍在傳送，但暫時尚未輪到復接它們，因此需要將這些數據緩存起來，以免丟失。

FPGA既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點，又克服了ASIC設計的周期長、投資大、靈活性差的缺點。結合性能、成本等要求，設計選用了Xilinx公司的 XC2S300E-6，該FPGA為30萬門大規(guī)模可編程邏輯器件，基于查找表、觸發(fā)器結構。查找表可等效為16×1 RAM或移位寄存器，提高邏輯利用率，內置專用雙端口BlockRAM，方便了系統開發(fā)。

3 設計中需要注意的問題

系統中其他相關設備對群路碼流的速率容差要求較為嚴格，為±50 ppm，因此在選擇全局時鐘源時應慎重考慮,避免由于時鐘源造成的碼速抖動和漂移。設計中應多采用同步時序電路來實現各個進程模塊的功能，以免電路中產生毛刺。接口數字信號5 V TTL，內部芯片工作電壓3.3 V LVTTL，需要進行電平轉換。

本設計選用Xilinx公司的ISE6.1作為硬件開發(fā)平臺，并采用VHDL編程語言。程序已通過了綜合實驗，并使用ModelSim軟件進行了功能仿真和時序仿真，仿真結果正確。在硬件實現與調試過程中，將程序下載到Xilinx公司的SPARTANⅡE系列的XC2S300E-6芯片，經過整體調試，最終實現了對多路數字復分接器的設計。該方法不僅具有通用性、實用性，而且具有靈活性和程序可移植性，相信在很多行業(yè)都會得到廣泛應用。