多用途K接口用户线路中继器的设计与实现

巫忠跃

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

多用途K接口用户线路中继器的设计与实现

巫忠跃

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

针对K接口用户远端长距离接入的需要,并结合对K接口数字基带通信信道误码产生特性的分析,采用数字信号处理器(DSP)、大规模集成电路及复杂可编程逻辑器件(CPLD),设计了一款多用途K接口用户线路中继器。该中继器不仅能实现K接口用户超长距离的可靠稳定接入,还能实现对K接口信道数字传输中的误码模拟,以有效辅助用户实施对各种K接口通信设备的超远距离接入应用和抗误码性能测试。

K接口 中继器 信道误码

0 引 言

K接口是一种单路有线数字接口,具有16 kb/s、32 kb/s、64 kb/s、128 kb/s等多种工作速率,传输过程使用平衡线对以基带全双工方式传输,信号调制方式采用二相差分编码。K接口具有接入方式灵活、抗干扰能力强、业务功能多和维护使用便捷等优点。

但K接口受调制方式的限制,其线路两端最大通信距离不能超过8 km。当出现应急通信和单个用户延长通信距离等需求时,用户终端和系统主机之间的通信距离将大大超过设计保障范围。如采用增加系统主机联网或光纤传输等解决方式,又将增加用户应用成本。而同时在K接口通信设备开发设计、生产调试时,需对设备的抗误码性能指标进行测试验证,在验证过程中急需一种具备模拟K接口通信信道实际线路误码特性的装置辅助技术人员实施高效、可靠的测试。因此文中提出并设计了一种多用途K接口用户线路中继器,既可以扩大了通信距离以满足远端用户的接入需求[1],又可以辅助技术人员实现K接口通信线路的误码模拟仿真。

1 应用配置

多用途K接口用户线路中继器为保证用户接入方式简便、维护使用快捷,在设计上采用了轻便易携,即插即用的使用模式。用户在使用过程中只需将中继器与市电接通,并将其系统端和用户端的K接口通过用户线路与对应设备配接即可。如需配置中继器相关工作参数,可用计算机通过RS-232C异步通信串口完成对中继的工作参数配置。中继器应用连接框图如图1所示。

图1 应用连接框Fig.1 Application configuration diagram

2 硬件设计

中继器硬件设计部分包括CPU、CPLD、K接口模块、锁相环、RS-232C接口模块和看门狗复位电路等几个部分。CPU作为控制处理中心,控制着中继器的有序运行、实时状态监控和误码模拟仿真计算等,设计中采用了TI公司的5000系列定点DSP芯片TMS320VC5416担任中央处理器,并选配一款大容量的FLASH ROM存储器,以方便后期的设计功能扩展。CPLD用于配合CPU芯片完成控制信号切变,硬件模块初始化配置、通信数据流帧同步信号产生和RS-232接口数据串并转换等。RS-232C接口模块用于RS-232C电平与TTL电平的转换,方便用户通过常用的RS-232C异步通信串口应用软件并配合设计提供的AT信令集,对中继器的工作自检、K接口工作速率和误码率参数等常用内部配置信息进行设置修改。中继器的硬件设计整体框图如图2所示。

图2 硬件设计框Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 K接口设计

K接口设计选用Zarlink半导体公司的MT9172芯片。该芯片是一种用于数字用户线路接口的专用芯片,具有定时信息丰富、便于不停业务误码测试的优点。

MT9172有多种工作方式,可以通过方式选择引脚MS0～MS2进行设定。“MODEM”和“数字网络”(简称“DN”)是两种主要的工作方式。在DN方式下,线路输出ISDN的2B+D数据,此时,DV口和CD口是标准的ST-BUS;而在MODEM方式下,D信道和两个B信道都不在存在[2],DV口和CD口是透明的串行数据流。另外,其工作方式还有主/从以及单/双口之分。主方芯片的时间基准信号和帧同步时钟由外部高稳定度的时钟源提供,而从方则直接从线路上提取。在一个数据传输链上,必须一端工作在主方式,而另一端工作在从方式。

根据MT9172的工作特性,及其提供的多类型配置选择,在中继器的设计中采用MT9172芯片的MODEM工作方式,并针对系统端和用户端K接口工作特性作了时钟同步主/从模式配置。系统端K接口电路中MT9172设置为MOD4,即DN、单口、从模式;而用户端K接口电路中MT9172设置为MOD0,即DN、单口、主模式。

此外,位同步电路是数字通信中同步的关键技术[3],因而为保证在通信线路接入中继器后系统端与用户端的帧同步时钟依然能保持有效同步,特在设计中选用了锁相环电路以确保K接口用户线路两端收发工作时钟稳定、无漂移。

2.2 数据交换设计

DSP芯片丰富的内部外设接口,为实现中继器通信两端的数据可靠交换提供多种解决方式。设计之初,通过测试观察K接口调制信道的串行数据流和时钟特性,在结合DSP芯片内部丰富的外设接口,设计选择了应用DSP芯片的MCBSP接口实现K接口串行数据交换。

MCBSP接口可实现全双工通信,其灵活的数据长度范围选择、独立的中断向量设置,以及帧同步和时钟信号极性编程等特点,能较为方便的实现中继器对通信两端的数据获取和交换。

3 随机误码模拟

通信设备的抗误码干扰能力是设备自身一项重要的通信性能指标,其可靠性和技术状态一致性在通信设备设计及生产等过程都需要详尽的测试验证。有鉴于此,在中继器的设计中为了方便用户对K接口类型通信设备的线路抗误码能力展开及时有效的验证测试工作,并拓展中继器的应用范围和功能,因而在中继器的设计过程中提出了随机误码模拟这一重要的功能实现项。

3.1 随机码生成

随机误码是数字信道通信一项关键的技术指标,要实现误码插入的随机性需要依托可靠的随机数生成器。在中继器的设计中选用了m序列生成,作为随机数生成器。m序列是有线性反馈移位寄存器产生的周期最长的二进制数字序列,具备较好的均衡性、随机性、自相关性和互相关性。m序实现方法主要有门电路实现、软件编程实现和可编程逻辑门电路实现等。而在中继器的设计中,根据K接口的传输速率(16 kb/s、32 kb/s、64 kb/s、128 kb/s),以及硬件电路的资源(DSP芯片工作时钟100M)选用了DSP软件编程实现方式。

随机数在设计需求上要求无论码长有多大都不会出现循环的现象,m序列生成的伪随机码的码长达到一定程度时会出现循环。因而必须选择大位数的m序列生成随机码,如42位的伪随机码,重复的可能性为4.4万亿分之一。为进一步增强误码产生的随机性,在中继器的设计中通过软件编程实现128位伪随机码,其本源多项式为X128+X+1[4],并通过Matlab仿真软件验证了该m序列工作原理的正确性。

3.2 随机误码插入

在实现随机误码插入时,DSP芯片内程序将根据用户设置的误码量级计算得到单位数据流内误码插入个数,然后由m序列产生器生成误差插入随机位并排序,最后再将K接口数据流计数器与随机位比较,并根据比较结果和随机位相同的计数点对信道数据实施取反操作,从而实现随机误码的插入。如:用户设置随机误码为5×10-3,即每连续的1 000个Bit数据流中插入5个误码。DSP芯片内程序就会在获取误码设置参数的同时,开始计数操作并生成5个误码随机地址位,并在指定计数点对数据位取反。

随机误码仿真设计原理框图见图3。

DSP芯片的高速运算能力及其MCBSP接口的灵活配置选择,为采用DSP软件编程的方式实现K接口信道的随机误码模拟提供了有力的支撑。验证测试表明随机误码模拟的编程设计能满足用户在3×10-1～1×10-9范围内多种误码量级的应用需求。

图3 随机误码仿真设计原理框Fig.3 Simulation design block diagram of random error

4 软件设计

软件部分的设计采用模块化设计,程序结构清晰,调试简便。程序主要包括主循环程序、MCBSP控制程序和串行通信数据封装解析等组成。在无外部事件触发时,DSP处于等待状态,如遇新事件触发,则运行响应相关联的服务程序,该设计能充分利用DSP的资源,实现实时处理。

4.1 MCBSP控制程序

通信两端的数据通过MCBSP接口输入DSP芯片后,程序将根据数据来源端口将数据装入通信对端所对应的MCBSP接口。同时当用户选择了随机误码插入后,程序将根据误码量级并节后K接口工作速率调整MCBSP接口的工作参数(单位帧长、通道帧数),以满足不同运行条件下的系统运行速率需求。

4.2 串行通信数据解析封装

经CPLD串/并转换后的数据读入DSP芯片后,串行通信数据封装解析程序将根据设计采用的AT信令协议集对串行数据进行验证、解析,并根据解析后命令内的操作字符和配置参数控制中继器执行本机自检操作、K接口通信速率设置和随机误码工作参数设置等操作。在上述相关操作完成后,主程序将封装一帧AT信令应答数据由串行通信数据封装解析程序封装后写入CPLD的并/串转换单元,最后经RS-232C接口反馈给用户。

5 测试验证

通过在K接口不同工作速率、不同线径等条件下的无误码测试验证结果,表明了中继器能满足设计需求。测试结果见表1。

表1 中继器多速率测试Table 1 Multi-rate test table of repeater

6 结 语

本设计依托DSP、CPLD等芯片丰富的硬件资源,采用高效的软件编程设计,不仅能实现用户对K接口通信终端的通信距离延伸,而且能为用户提供高效简便的抗误码性能指标验证测试环境,改变了以往类似产品较为单一的使用功能,提高了应用扩展面,是一套具备低成本、高便捷性、强扩展性的多用途K接口用户线路中继器解决方案。同时经现场实际验证测试,确认该中继器工作稳定、运行可靠,具备较强的二次开发后台支撑能力。

[1]邹继军,饶运涛.CAN中继器设计及其应用[J].电子技术应用,2003,29(08):39-41.

ZOU Ji-jun,RAO Yun-tao.Design and Application of CAN Repeater[J].Application of Electronic Technique, 2003,29(08):39-41.

[2]司朝良.MT9172及其在基带调制解调器中的应用[J].世界电子元器件,2003(09):57-60.

SI Chao-liang.Application of MT9172 in Baseband Modem[J].Global Electronics China,2003(09):57-60.

[3]李庆坤,全厚德,李庆回.数字锁相环在位同步中的应用与实现[J].通信技术,2009,45(09):29-32.

LI Qing-kun,QUAN Hou-de,LI Qing-hui.Application and Implementation of Digital Phase-Locked Loop in Bit Synchronization[J].Communications Technology,2009, 45(09):29-32.

[4]李庭胜,李康辉,刘义铭.一种改进的任意指标随机误码产生办法[J].信息安全与通信保密,2009(01):89-90.

LI Ting-sheng,LI Kang-hui,LIU Yi-ming.Creation of Enhanced Accurate Error Code[J].Information Security and Communications Privacy,2009(01):89-90.

巫忠跃(1979—),男,学士,工程师,主要研究方向为通信技术。

WU Zhong-yue(1979-),male,B.Sci.,engineer,majoring in communications technology.

Design and Implementation of Multi-use K-interface Subscriber Line Repeater

WU Zhong-yue
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Aiming at the requirements of K-interface user remote access,based on analysis of the characteristics of K-interface digital baseband communication channel error,and with DSP(digital signal processer),large-scale IC and CPLD(complex programmable logic device),a multi-use K-interface subscriber line repeater is proposed and designed.The repeater can achieve stable,reliable and long-distance access by K-interface user and realize the error simulation of K-interface channel in digital transmission,thus to effectively support users in their implementing the remote access application and anti-error performance test of K-interface communication equipment anti-error.

K-interface;repeater;channel error

TN919.71

A

1002-0802(2014)01-0115-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.01.023