基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)PDH通信二次群復(fù)接器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1 引 言

數(shù)字復(fù)接就是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的支路數(shù)字信號(hào)按時(shí)分復(fù)接方式合并成單一的合路數(shù)字信號(hào)。按照各低次群時(shí)鐘的情況，復(fù)接有3種方式：如果各輸入支路數(shù)字信號(hào)相互同步，且與本機(jī)定時(shí)信號(hào)也同步，那么調(diào)整單元只需調(diào)整相位，這就是同步復(fù)接；如果輸入支路數(shù)字信號(hào)不同步且與本機(jī)定時(shí)信號(hào)也異步，那么調(diào)整單元就要對(duì)各支路信號(hào)進(jìn)行頻率和相位的調(diào)整，使之成為同步信號(hào)，這就是異步復(fù)接；如果輸入支路數(shù)字信號(hào)的生效瞬間相對(duì)于本機(jī)對(duì)應(yīng)的定時(shí)信號(hào)是以同一標(biāo)稱(chēng)速度出現(xiàn)，而速度的任何變化都限制在規(guī)定的容差范圍內(nèi)，這種就是準(zhǔn)同步（PDH）復(fù)接，本文研究的就是基于CPLD的PDH通信二次群復(fù)接器。

2 二次群復(fù)接的基本原理

二次群復(fù)接就是把4個(gè)2 048 kb／s的信號(hào)復(fù)接成1個(gè)8 448 kb／s的二次群數(shù)字信號(hào)，其原理圖如圖1所示。

復(fù)接器由緩沖存儲(chǔ)器、插入控制電路、時(shí)鐘發(fā)生器、分頻器和復(fù)接器組成。時(shí)鐘產(chǎn)生器提供8 448 kHz時(shí)鐘；分頻器對(duì)8 448 kHz進(jìn)行4分頻，以獲得2 112 kHz的讀出時(shí)鐘；緩沖存儲(chǔ)器和插入控制電路用來(lái)進(jìn)行碼速調(diào)整，把標(biāo)稱(chēng)速度相同實(shí)際有容差的4個(gè)2 048 kb／s的支路都調(diào)整到2 112 kb／s上，使他們同步；復(fù)接器是將4個(gè)已經(jīng)同步的支路信號(hào)復(fù)接成1個(gè)8 448 kb／s的二次群信號(hào)。

2.1 數(shù)字復(fù)接方法

數(shù)字復(fù)接方法有3種：按位復(fù)接、按碼字復(fù)接、按幀復(fù)接。由于后兩者所需緩沖存儲(chǔ)器的容量較大，目前應(yīng)用的很少。故本文采用按位復(fù)接，其示意圖如圖2所示。

圖中，a，b，c，d是4個(gè)支路信號(hào)，e是復(fù)接后的二次群信號(hào)。復(fù)接過(guò)程如下：首先輪流取4個(gè)基群的第1位碼，之后再輪流取第2位碼，依此類(lèi)推?？梢钥闯?，復(fù)接后每位碼的寬度只是原來(lái)支路每位碼寬度的1／4，即容量增加了4倍，基群話(huà)路信號(hào)的容量為30個(gè)話(huà)路，復(fù)接后為120路。這種方法簡(jiǎn)單易行，所需緩存器的容量最小，現(xiàn)有的復(fù)用設(shè)備多采用這種方式。緩沖存儲(chǔ)器的容量由式（1）決定：

式中u為復(fù)接單位的比特?cái)?shù)，m為被復(fù)接的基群數(shù)，這里，u=1，m=4，1 b是先寫(xiě)進(jìn)去以便讀出的存儲(chǔ)起始量，由此可得：

可見(jiàn)，緩沖存儲(chǔ)器的容量取2 b就夠了。

2.2 碼速調(diào)整幀結(jié)構(gòu)

由ITU-T建議G.724推薦的準(zhǔn)同步復(fù)接二次群幀結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

二次群幀長(zhǎng)為848 b，一幀分為4組，每組為212 b，這212 b的分配，4個(gè)基群相似，以第l基群為例，幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。將212 b分為4組，每組53 b。第Ⅰ組的1，2，3三個(gè)碼位，供插入復(fù)接器幀同步碼用，以F表示；然后是50 b的信息碼；Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ組的第1位碼用作標(biāo)志信號(hào)，用C表示；第Ⅳ組的第2個(gè)碼位就是碼速調(diào)整的碼位，用V表示，需要插入時(shí)，就在這個(gè)位置上插入一個(gè)不帶信息的脈沖，不需要插入時(shí)，這個(gè)碼位仍傳信息碼；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組的其他位置都是信息碼。4個(gè)基群的第1～3個(gè)碼位復(fù)接在一起，共12位，其中前10位作為復(fù)接器的幀同步碼，第ll位為告警指示，第12位作為備用。4個(gè)基群的插入標(biāo)志信號(hào)碼和碼速調(diào)整比特，復(fù)接后又分別連在一起。具體復(fù)接幀結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。復(fù)幀包含的比特內(nèi)容如下［1］：

（1） 幀定位10 b，表示為F11F12～F13F23，碼型為1111010000；

（2） 公務(wù)2 b，其中1 b（11位）用來(lái)向?qū)Χ税l(fā)出告警指示；另外1 b（12位）留作國(guó)內(nèi)使用；

（3） 支路信息820 b，第Ⅰ組為200 b（13～212），第Ⅱ組為208 b（217～424），第Ⅲ組為208 b（429～636），第Ⅳ組為204b（645～848）；

（4） 碼速調(diào)整4 b，表示為V1，V2，V3，V4（641～644位），各基群l b，共4 b；

（5） 插入標(biāo)志12 b，以C表示，填充脈沖4 b。為了使接收端能知道是否有插入及插在何處，在復(fù)接發(fā)端發(fā)出插入指令的同時(shí)需要發(fā)出插入標(biāo)志信號(hào)，以告知分接器有插入?，F(xiàn)在常用的辦法是定位插入。在這里規(guī)定：第1基群第1位插入標(biāo)志C11在213位插入，第1基群第2位插入標(biāo)志C12在425位插入，第1基群第3位插入標(biāo)志C13在637位插入。由此可知：

C11C21C31C41 （213—216）是第l位插入標(biāo)志；

C12C22C32C42 （425—428）是第2位插入標(biāo)志；

Cl3C23C33C43 （637—640）是第3位插入標(biāo)志；

插入標(biāo)志信號(hào)是3位，采用3位碼來(lái)組成插入標(biāo)志信號(hào)，可提高標(biāo)志信號(hào)的可靠性。用“111”表示有插入，用“000”表示無(wú)插入。當(dāng)C11C12C13為“111”時(shí)，表示在641時(shí)隙的脈沖是插入脈沖；當(dāng)C11C12C13為“000“時(shí)，表示在641時(shí)隙的脈沖是信息碼［1］。

3 數(shù)字復(fù)接電路VHDL程序設(shè)計(jì)及仿真

基于以上的原理介紹，可以知道PDH數(shù)字復(fù)接器一般由分頻器、緩沖存儲(chǔ)、插入控制、合路器等幾部分組成，這里我們使用VHDL進(jìn)行模塊化編程，把整個(gè)復(fù)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)成3部分：分頻器、碼速調(diào)整控制器（實(shí)現(xiàn)緩沖存儲(chǔ)以及碼速相位的調(diào)整插入）、合路器。原理框圖如圖5所示。

3.1 分頻部分仿真波形

分頻器是將8 448 kHz的時(shí)鐘4分頻得到2 112 kHz的時(shí)鐘，給碼速調(diào)整提供讀出時(shí)鐘。其時(shí)序仿真波形如圖6所示。

3.2 碼速調(diào)整部分程序設(shè)計(jì)及仿真波形

正碼速調(diào)整就是將被復(fù)接的低次群的碼速都提高，使其同步到某一規(guī)定的較高的碼速上。以二次群復(fù)接為例，二次群由4個(gè)一次群合成，一次群碼率為2 048 kb／s，二次群的碼率為8 448 kb／s，因此，可以根據(jù)復(fù)接幀的要求，插人相應(yīng)的脈沖數(shù)目，將基群速率調(diào)整為2 112 kb／s，然后將4個(gè)支路合并，就可以得到1路碼元速率為8 448 kb／s的二次群。采用脈沖插入同步的正碼速調(diào)整的原理示意圖如圖7所示。

基群輸入速率為2 048 kb／s的數(shù)字信號(hào)到一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器，讀出時(shí)鐘頻率則是碼速調(diào)整后的速率2 112 kb／s，所以存儲(chǔ)器處于“快讀慢寫(xiě)”的狀態(tài)。從圖7（a）和圖7（b）可以看出，第一個(gè)脈沖經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后讀出，第二個(gè)脈沖的讀出所經(jīng)過(guò)的時(shí)間比前者要短，因讀出速度比寫(xiě)入速度快，以后的寫(xiě)入與讀出時(shí)間差，即相位差越來(lái)越小，當(dāng)相位差小到一定程度時(shí)，由相位比較器（緩沖存儲(chǔ)器中）發(fā)出插入請(qǐng)求，要求插入脈沖控制電路發(fā)出一個(gè)插入指令，停止一次讀出，同時(shí)插入一個(gè)脈沖，如圖中虛線(xiàn)位置所示。插人脈沖不攜帶信息，在接收端應(yīng)把他去掉，為此，發(fā)送端在插入脈沖的同時(shí)，必須發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)告知接收端哪些是插入脈沖，以便把他去掉以恢復(fù)原始信號(hào)。

接收端收到發(fā)送端的標(biāo)志信號(hào)后，他連同信號(hào)一起經(jīng)過(guò)一個(gè)標(biāo)志信號(hào)檢出電路而被檢出，因而產(chǎn)生一個(gè)“消插信號(hào)”，把寫(xiě)入脈沖禁掉一個(gè)，如圖7（c）所示。這時(shí)，數(shù)碼與原來(lái)的數(shù)碼次序一樣，但時(shí)間間隔是不均勻的，因此在接收端必須從圖7（c）中提取時(shí)鐘，通過(guò)鎖相環(huán)的環(huán)路作用來(lái)將已去掉插入脈沖的數(shù)碼流均勻化。4個(gè)基群支路的速率都調(diào)整到2 112 kb／s后，再?gòu)?fù)接成二次群［1］。碼速調(diào)整生成器件及其時(shí)序仿真波形如圖8所示。

3.3 復(fù)接（合路）部分程序設(shè)計(jì)及仿真波形

圖中d1，d2，d3，d4依次為輸入的低次群支路信號(hào)，quik8448為復(fù)接后的二次群輸出信號(hào)，在8 448 kHz讀出時(shí)鐘的下降沿觸發(fā)。在4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)依次讀取輸入信號(hào)d1，d2，d3，d4為“1100‘’，下一個(gè)為“1001”，依次類(lèi)推，最終的輸出為“1100 0110 1001 1111…”。

3.4 綜合電路

綜合以上的各個(gè)模塊，可以得到綜合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)二次群復(fù)接功能，具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖10所示。

時(shí)序仿真波形如圖11所示。圖中，IN1，IN2，IN3，IN4分別是4路2 048 kb／s的支路信號(hào)，0UT為復(fù)合后輸出的8 448 kb／s二次群復(fù)接信號(hào)。輸出信號(hào)前面10位為幀定位比特（1111010000），11、12位是公務(wù)比特，這里設(shè)為“00”，從13位開(kāi)始為信息比特，根據(jù)2 048 kHz時(shí)鐘依次讀人輸入信號(hào)，根據(jù)讀出時(shí)鐘8 448 kHz讀出復(fù)合后二次群信號(hào)為“1010 1110 1110 1111…”。由仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真與理論預(yù)測(cè)相符。

4 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字復(fù)接技術(shù)不僅僅是與信源編碼、數(shù)字傳輸、數(shù)字交換相并列的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，而且還是網(wǎng)同步中的幀調(diào)整，線(xiàn)路集中器中的線(xiàn)路復(fù)用以及數(shù)字交換中的時(shí)分接續(xù)等技術(shù)的基礎(chǔ)，因此，數(shù)字復(fù)用技術(shù)是數(shù)字通信中的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。

以往的PDH復(fù)接電路中，系統(tǒng)的許多部分采用的是模擬電路，因此有很大的局限性。而本文實(shí)現(xiàn)的基于CPLD技術(shù)的PDH復(fù)接器就打破了這些局限性，具有設(shè)計(jì)周期短、修改方便、不受現(xiàn)有專(zhuān)用芯片功能的限制、可靠性和集成度高等優(yōu)點(diǎn)，是目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)者們的優(yōu)先選擇。隨著可編程邏輯器件性能不斷提高，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)不斷完善，可編程邏輯器件在電予工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用必定越來(lái)越廣泛。