多速率異步復(fù)接技術(shù)在寬帶數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用?

侯昌磊

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

多速率異步復(fù)接技術(shù)在寬帶數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用?

侯昌磊

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)寬帶數(shù)據(jù)鏈多業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，提出了一種多速率異步復(fù)接技術(shù)，能有效地將視頻、音頻以及網(wǎng)絡(luò)等不同速率數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接。描述了多速率異步復(fù)接技術(shù)的層次結(jié)構(gòu)，介紹了采用FPGA的實(shí)現(xiàn)方法，分析了采用此方案的實(shí)現(xiàn)效率，最后給出了仿真結(jié)果。該技術(shù)已在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用，滿(mǎn)足寬帶數(shù)據(jù)鏈的使用要求，實(shí)現(xiàn)效率達(dá)97.2%以上。

寬帶數(shù)據(jù)鏈；多速率異步復(fù)接；視頻數(shù)據(jù)；語(yǔ)音數(shù)據(jù)

1 引言

隨著寬帶數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展，通信的帶寬越來(lái)越寬，帶寬資源越來(lái)越寶貴，在同一信道上能傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類(lèi)也越來(lái)越多。美軍裝備的通用寬帶數(shù)據(jù)鏈（TCDL）最高傳輸速率可達(dá)274 Mbit／s，傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)包括視頻、語(yǔ)音以及異步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等，其中視頻數(shù)據(jù)速率是固定的，異步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是突發(fā)隨機(jī)產(chǎn)生的，語(yǔ)音數(shù)據(jù)速率是固定的但產(chǎn)生時(shí)機(jī)卻是突發(fā)的，且視頻、語(yǔ)音、異步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)速率相差較大。如果沒(méi)有有效的機(jī)制，視頻信號(hào)的傳輸就會(huì)被語(yǔ)音信號(hào)阻斷，語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)延也會(huì)令人無(wú)法忍受，同時(shí)信道資源也會(huì)產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。

復(fù)接技術(shù)是解決多業(yè)務(wù)在同一信道傳輸?shù)挠行緩健鹘y(tǒng)的復(fù)接技術(shù)可以分為同步復(fù)接技術(shù)和異步復(fù)接技術(shù)兩類(lèi)。同步復(fù)接效率不高，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于數(shù)據(jù)速率相同的應(yīng)用；異步復(fù)接的效率較高，但實(shí)現(xiàn)難度較大，適用于數(shù)據(jù)速率相差較大的應(yīng)用。本文根據(jù)寬帶數(shù)據(jù)鏈的典型應(yīng)用，為能最有效地利用信道帶寬，提高通信效率，提出了多速率異步復(fù)接技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)鏈多業(yè)務(wù)的傳輸。

2 寬帶數(shù)據(jù)鏈特點(diǎn)和應(yīng)用需求

寬帶數(shù)據(jù)鏈多用于情報(bào)偵察與監(jiān)視系統(tǒng)，具備上下行兩條鏈路，下行鏈路為高速鏈路，將空中平臺(tái)偵察到的SAR圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻以及語(yǔ)音等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?；上行鏈路為低速高可靠鏈路，主要傳輸?shù)孛嬷缚孛钜约罢Z(yǔ)音信息。由于下行鏈路所要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)較多，因此需要寬帶、高速通道，外軍TCDL上行鏈路傳輸速率為200 bit／s，下行鏈路傳輸速率為10.71～274 Mbit／s。對(duì)于10.71 Mbit／s帶寬來(lái)說(shuō)，可以傳輸一路8 Mbit／s高清晰視頻、兩路32 kbit／s語(yǔ)音數(shù)據(jù)以及一路異步突發(fā)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3 多速率異步復(fù)接技術(shù)

從業(yè)務(wù)上來(lái)分，復(fù)接業(yè)務(wù)可劃分為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)兩類(lèi)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)通信時(shí)延有較高的要求，通常允許在傳輸中存在一定的誤碼，例如視頻和音頻；非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)傳輸延時(shí)的要求較低，但是通常要求無(wú)誤碼傳輸，如以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。從實(shí)現(xiàn)來(lái)分，復(fù)接可以分為變長(zhǎng)幀和定長(zhǎng)幀兩類(lèi)，變長(zhǎng)幀能對(duì)多種業(yè)務(wù)流進(jìn)行靈活復(fù)接，具有較高的復(fù)接效率，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；定長(zhǎng)幀也能對(duì)多種業(yè)務(wù)流進(jìn)行復(fù)接，相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)接效率稍低，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。針對(duì)寬帶數(shù)據(jù)鏈的特定應(yīng)用，視頻數(shù)據(jù)傳輸為主要業(yè)務(wù)，且數(shù)據(jù)量較大，因此采用定幀長(zhǎng)復(fù)接更合適，且復(fù)接效率相對(duì)變幀長(zhǎng)復(fù)接來(lái)說(shuō)也幾乎沒(méi)有差別。

多速率異步復(fù)接的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。適配層接收來(lái)自上層的數(shù)據(jù)，稱(chēng)為適配層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（AL-SDU），在適配層，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)內(nèi)容和要求，對(duì)AL-SDU分別進(jìn)行處理，對(duì)于要求無(wú)誤碼傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)增加校驗(yàn)字節(jié)（CRC）等控制信息；對(duì)于視頻數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，適配層不做處理；上述兩類(lèi)數(shù)據(jù)生成適配層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（AL-PDU）送入復(fù)接層。AL-PDU被送到復(fù)接層，稱(chēng)為復(fù)接層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MUX-SDU），在復(fù)接層，MUX-SDU按照復(fù)接控制字合成數(shù)據(jù)幀，并加入同步標(biāo)記成為復(fù)接層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MUX-PDU）。復(fù)接層協(xié)議數(shù)據(jù)單元被序貫地發(fā)送到物理層，物理層加上幀同步頭標(biāo)示后，經(jīng)寬帶數(shù)據(jù)鏈路向外發(fā)送。

圖1 復(fù)接層次結(jié)構(gòu)Fig.1Multiplexing hiberarchy

3.1 適配層處理

適配層根據(jù)數(shù)據(jù)的非實(shí)時(shí)性和實(shí)時(shí)性，也分為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)適配層處理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)適配層處理。非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)于通信的延遲要求不大，但對(duì)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，因此需要進(jìn)行CRC校驗(yàn)，形成ALPDU，格式如圖2所示。

圖2 非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)AL-PDU格式Fig.2 Formatof nonrealtime data AL-PDU

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)于通信延遲要求較高，對(duì)允許傳輸中存在誤碼，因此對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)不需要進(jìn)行ARQ處理，只是簡(jiǎn)單進(jìn)行分段即可，形成固定大小ALPDU（N字節(jié)）。

3.2 復(fù)接層

復(fù)接層主要功能是標(biāo)明復(fù)接幀中各路數(shù)據(jù)的來(lái)源情況，便于解復(fù)接時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)，在復(fù)接層要生成復(fù)接表，如圖3所示，長(zhǎng)為m字節(jié)，實(shí)際長(zhǎng)度根據(jù)組包大小調(diào)整，復(fù)接表需要可靠傳輸，因此需要CRC校驗(yàn)。

圖3 復(fù)接表格式Fig.3 Format ofmultiplexing table

表中各字段值用于說(shuō)明形成的復(fù)接幀（MUXPDU）中各路數(shù)據(jù)（MUX-SDU）的來(lái)源：“0001”表示數(shù)據(jù)來(lái)源于音頻數(shù)據(jù)1；“0010”表示數(shù)據(jù)來(lái)源于音頻數(shù)據(jù)2；“0011”表示數(shù)據(jù)來(lái)源于視頻數(shù)據(jù)；“0100”表示數(shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；“0000”表示該數(shù)據(jù)為填充數(shù)據(jù)。

3.3 復(fù)接物理層

復(fù)接后的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示，幀頭標(biāo)志“1ACFFC1D”用于表示復(fù)接幀的開(kāi)始。消息數(shù)據(jù)是復(fù)接后的視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或填充數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度為n個(gè)MUX-SDU。若復(fù)接后的數(shù)據(jù)不足，則剩余數(shù)據(jù)在SDU域以‘0’進(jìn)行填充，并在復(fù)接表中進(jìn)行標(biāo)示。

圖4 復(fù)接物理幀格式Fig.4 Formatofmultiplexing physical frame

4 復(fù)接的FPGA實(shí)現(xiàn)及效率分析

4.1 復(fù)接的FPGA實(shí)現(xiàn)

復(fù)接采用大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)，如圖5所示，由于視頻、音頻及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)速率是有差別的，因此在進(jìn)行復(fù)接時(shí)先要對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和速率匹配。FPGA的內(nèi)置FIFO完全可以滿(mǎn)足該要求，每路數(shù)據(jù)輸入對(duì)應(yīng)一個(gè)深度為2N字節(jié)的FIFO。在復(fù)接時(shí)，如果某個(gè)FIFO中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度至少達(dá)到一個(gè)AL-PDU的大小，則發(fā)出讀請(qǐng)求信號(hào)，F(xiàn)IFO讀控制模塊根據(jù)接收到的請(qǐng)求信號(hào)的優(yōu)先級(jí)，并按控制字的要求從FIFO中讀取數(shù)據(jù)，并將其存入雙口RAM中進(jìn)行組幀；如果沒(méi)有任何請(qǐng)求信號(hào)，則等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；如果需要復(fù)接的PDU總長(zhǎng)超過(guò)復(fù)接幀的最大長(zhǎng)度（n個(gè)PDU長(zhǎng)度），則按照規(guī)定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行復(fù)接，復(fù)接的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：音頻數(shù)據(jù)1、音頻數(shù)據(jù)2、視頻數(shù)據(jù)、異步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。另外，在只有音頻數(shù)據(jù)沒(méi)有其它數(shù)據(jù)的情況下，為保證語(yǔ)音的延時(shí)不大于t（聽(tīng)力容忍范圍），音頻數(shù)據(jù)在等待小于t時(shí)就要及時(shí)傳輸，此時(shí)音頻的數(shù)據(jù)量若不能填滿(mǎn)MUX-PDU包，則采用填充數(shù)據(jù)將MUX-PDU包填滿(mǎn)。復(fù)接過(guò)程中為最大程度地減小處理延時(shí)，將讀取FIFO、適配層處理、組偵處理等采用80 MHz高速時(shí)鐘，這樣相對(duì)于數(shù)據(jù)緩存來(lái)說(shuō)，處理延時(shí)幾乎可以忽略，保證了視頻、音頻數(shù)據(jù)流的暢通。

圖5 復(fù)接FPGA實(shí)現(xiàn)Fig.5 Realization ofmultiplexing by FPGA

4.2 復(fù)接效率分析

影響多速率異步復(fù)接效率的主要因素是ALPDU長(zhǎng)度N、MUX-PDU的長(zhǎng)度N×n、視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)的速率以及語(yǔ)音最大延時(shí)t。正常情況下，視頻數(shù)據(jù)為8 Mbit／s的連續(xù)信號(hào)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)為兩路32 kbit／s的突發(fā)信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)則是突發(fā)隨機(jī)的。一般情況下，人的聽(tīng)覺(jué)能容忍的最大延時(shí)為50ms，考慮到傳輸延時(shí)0.7ms（200 km通信距離），以及其它處理延時(shí)8ms，取t=44.3ms。在44.3ms內(nèi)假設(shè)語(yǔ)音以1∶1的比例產(chǎn)生，則每路語(yǔ)音能累計(jì)的數(shù)據(jù)量約為88 byte，視頻數(shù)據(jù)為44 300 byte?？扇。篘= 88，n=50，由此可推算m=30，整個(gè)物理復(fù)接幀長(zhǎng)度為4 434 byte。復(fù)接效率可用以下公式表示：

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)來(lái)源情況，可以按照下面3種典型狀態(tài)分析。

（1）只有兩路音頻，沒(méi)有其它數(shù)據(jù)，此時(shí)為保證音頻數(shù)據(jù)的暢通無(wú)延時(shí)，有效數(shù)據(jù)將只有兩個(gè)音頻的AL-PDU包，其它全為填充無(wú)效數(shù)據(jù)，則：

（2）只有兩路音頻和以太網(wǎng)突發(fā)數(shù)據(jù)包，沒(méi)有視頻數(shù)據(jù)，此時(shí)復(fù)接效率的大小完全取決于以太網(wǎng)的吞吐量和數(shù)據(jù)包的大小，按照百兆以太網(wǎng)速率90 Mbit／s的速率，每包3 800 byte，則：

（3）只有一路音頻數(shù)據(jù)，以及視頻和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，此時(shí)數(shù)據(jù)基本為滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，數(shù)據(jù)將以視頻流為主，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)則在視頻流的空檔進(jìn)行傳輸，則：

上述第一種情況為極端情況并不常用，復(fù)接效率最低，但保證了音頻數(shù)據(jù)的低延時(shí)；第三種情況為正常使用狀態(tài)，此時(shí)復(fù)接效率達(dá)到約97.2%，若兩路音頻都有數(shù)據(jù)，則復(fù)接效率更高。這幾種情況均經(jīng)過(guò)實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證，既保證了語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性，又保證了視頻的連續(xù)性，同時(shí)還保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且達(dá)到了信道的最高利用率。

4.3 復(fù)接仿真

FPGA實(shí)現(xiàn)代碼采用ISE10.1，仿真采用ISE10.1本身附帶工具Test Bench Wavform實(shí)現(xiàn)。參數(shù)設(shè)置為4.2節(jié)分析后的結(jié)果，即取N=88，n=50，m= 30。復(fù)接仿真圖如圖6所示，其中muxclk為復(fù)接主時(shí)鐘；rest為復(fù)位信號(hào)，高復(fù)位，低有效；etd為輸入以太網(wǎng)數(shù)據(jù)；vid為輸入視頻數(shù)據(jù)；voc1為輸入語(yǔ)音數(shù)據(jù)1；voc2為輸入語(yǔ)音數(shù)據(jù)2；muxdd為輸出復(fù)接后數(shù)據(jù)。圖6模擬兩路語(yǔ)音數(shù)據(jù)、一路視頻數(shù)據(jù)以及一路以太網(wǎng)數(shù)據(jù)全狀態(tài)工作時(shí)的情況，由圖可以看出該方法可以有效地將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接，且復(fù)接效率約為98.1%。

圖6 復(fù)接仿真Fig.6 Simulation ofmultiplexing

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，在解調(diào)端采用FPGA實(shí)現(xiàn)了解復(fù)接，并進(jìn)行仿真，如圖7所示，其中demxclk為解復(fù)接主時(shí)鐘；rest為復(fù)位信號(hào)，高復(fù)位，低有效；demuxd為模擬輸入數(shù)據(jù)，為能檢驗(yàn)解復(fù)接有效性，將數(shù)據(jù)設(shè)為與圖6復(fù)接數(shù)據(jù)muxdd一樣；etd為輸出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)；vid為輸出視頻數(shù)據(jù)；voc1為輸出語(yǔ)音數(shù)據(jù)1；voc2為輸出語(yǔ)音數(shù)據(jù)2。由圖7可以看出，解復(fù)接后的幾路數(shù)據(jù)完全與調(diào)制端復(fù)接前數(shù)據(jù)一致，從而驗(yàn)證了復(fù)接和解復(fù)接的正確性。

圖7 解復(fù)接仿真Fig.7 Simulation of demultiplexing

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了寬帶數(shù)據(jù)鏈的典型應(yīng)用，并根據(jù)其傳輸業(yè)務(wù)的需求提出了多速率異步復(fù)接技術(shù)方案。文中詳細(xì)描述了采用FPGA實(shí)現(xiàn)的方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)效率進(jìn)行了分析，并給出了仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明該方法能有效實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)的復(fù)接和解復(fù)接，且實(shí)現(xiàn)效率與實(shí)際分析結(jié)果一致。該技術(shù)已在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用，能滿(mǎn)足寬帶數(shù)據(jù)鏈的使用要求，且實(shí)現(xiàn)效率高達(dá)97.2%以上，值得推廣應(yīng)用。

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Application of M ulti-rate Asynchronous M ultiplexing Technology in Broad Band Datalink

HOU Chang-lei
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A multi-rate asynchronousmultiplexing technology is proposed tomeet the demand ofmixed-service transmission of broad band datalink.With the technology，video，voice and other network datawith different rate can bemultiplexed efficiently.The hierarchy ofmulti-rate asynchronousmultiplexing is described in detail，realization with FPGA is introduced，and the efficiency of this scheme is analysed.Finally，the simulation result is illustrated.Thismethod has been successfully applied in engineering and meets the requirement of broad band datalink.Themultiplexing efficiency is over 97.2%.

broad band datalink；multi-rate asynchronousmultiplexing；video data；audio data

TN919.5

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.09.017

侯昌磊（1977—），男，安徽臨泉人，碩士，工程師，主要從事通信數(shù)據(jù)鏈領(lǐng)域信號(hào)處理工作。

1001-893X（2011）09-0083-04

2011-06-03；

2011-08-27

HOU Chang-lei was born in Linquan，Anhui Province，in 1977.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns signal processing for communication datalink.

Email：china-hcl＠sina.com