一種被覆線傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

亢潤東 白小燕

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

無論在民用或軍用領(lǐng)域中，被覆線都獲得了廣泛的應(yīng)用。在民用方面如搶險救災(zāi)等應(yīng)急任務(wù)中，在軍用方面如野戰(zhàn)通信網(wǎng)的被覆線傳輸設(shè)備中。被覆線的這些應(yīng)用源于其輕便、強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、利于鋪設(shè)的特點(diǎn)，可快速建立通信，贏得寶貴的時間。所以開發(fā)用在被覆線上的遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備具有重要意義。被覆線傳輸設(shè)備將本地的數(shù)字業(yè)務(wù)信息復(fù)接、編碼并調(diào)制成適于被覆線傳輸?shù)哪M信號，其中關(guān)鍵的部分稱為傳輸模塊。M28945與M28927是美國Mindspeed公司開發(fā)的傳輸組件，支持PCM接口及最新的G.SHDSL標(biāo)準(zhǔn)。介紹了該傳輸芯片組的性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基于其的傳輸模塊軟硬件的實(shí)現(xiàn)。

2 被覆線

傳統(tǒng)銅線造價較高，重量大，鋪設(shè)不靈活、難度大。信號在雙絞銅線做傳輸媒介傳輸時高頻部分衰減較大，易失真[1]。在低頻部分相頻特性呈非線性，會產(chǎn)生群時延失真，造成碼間串?dāng)_。另外，傳統(tǒng)銅線較長距離內(nèi)2根線路是緊貼在一起的，線路之間易產(chǎn)生串音。

被覆線以鍍錫或鍍鋅鋼線混絞線為導(dǎo)體，外包聚乙烯或聚氯乙烯來絕緣，經(jīng)雙絞成型（所用被覆線單根線徑0.25 mm）。輕便抗拉、抗老化。2根導(dǎo)線互絞可提高信號抗干擾能力，將串?dāng)_減至最小或加以消除。鍍錫或鍍鋅可提高雙絞線的抗電磁干擾能力。無屏蔽外套，直徑小，節(jié)省空間，獨(dú)立靈活方便鋪設(shè)。由于采用了最新的G.SHDSL標(biāo)準(zhǔn)中的TC-PAM作為線路傳輸碼，壓縮了傳輸頻譜，抗噪聲性能提高[2]。被覆線傳輸性能基本等同于雙絞線，但雙絞線遠(yuǎn)不如被覆線抗干擾、抗拉、抗腐蝕性強(qiáng)。另外，被覆線收放使用還很方便，所以設(shè)計(jì)選用了被覆線來作為傳輸介質(zhì)。

3 傳輸芯片組

G.SHDSL即單對高比特率數(shù)字用戶線，是ITU推薦的在雙絞線上對稱雙向傳輸寬帶數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，它兼容了迄今為止以往所有DSL技術(shù)功能特點(diǎn)，傳輸容量192 kbps～2 312 kbps，8 kbps步進(jìn)，可以用于話音、數(shù)據(jù)、視頻等多種傳輸業(yè)務(wù)[3]。M28945和M28927是美國敏訊公司開發(fā)的支持G.SHDSL傳輸協(xié)議的芯片組，分別負(fù)責(zé)數(shù)字信號收發(fā)、AFE（模擬前端）及線路驅(qū)動。

數(shù)字信號收發(fā)芯片M28945主要由8051內(nèi)核、ATM與物理層接口信號處理、DSL成幀器、DSP處理器等功能模塊組成。設(shè)計(jì)主要通過PCM接口接收來自復(fù)分接器的碼流，對與外部物理層設(shè)備的UTOPIA接口沒有應(yīng)用。模擬前端芯片M28927主要由DAC、ADC、信號濾波、增益控制、線路驅(qū)動等功能模塊組成，完成數(shù)字信號與DSL線路信號的轉(zhuǎn)換。對外提供數(shù)字接口和模擬接口。數(shù)字接口即與M 28945的AFE串行數(shù)據(jù)接口（與內(nèi)部DSP模塊相連）。模擬接口即與被覆線的線路驅(qū)動接口。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)架構(gòu)簡圖如圖1所示，設(shè)計(jì)方案分軟硬件2部分來說明。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件實(shí)現(xiàn)按功能可分為M28945初始化自啟動和主控制CPU（W77E58）處理2部分。軟件工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程圖

(1)M28945自啟動

由圖2，M28945芯片內(nèi)的ROM固化有初始化啟動程序。當(dāng)系統(tǒng)加電時，程序啟動并完成初始化，完成對各個功能寄存器進(jìn)行默認(rèn)值的寫入等操作。

(2)主控制CPU處理

M28945數(shù)字信號收發(fā)芯片的內(nèi)部沒有為G.SHDSL底層操作碼留有存儲空間，只能通過每次上電時將外部存儲器（FLASH）內(nèi)的G.SHDSL底層操作碼由主控制CPU（W77E58）引導(dǎo)進(jìn)RAM。然后，主控制CPU通過串口收發(fā)API（應(yīng)用數(shù)據(jù)編程接口）指令與M28945進(jìn)行通信，M28945內(nèi)部的8051內(nèi)核完成解析API命令的功能，隨后送給相應(yīng)的管理器執(zhí)行來完成系統(tǒng)功能。特別指出，編寫主控制CPU對M28945的配置程序時應(yīng)遵守API消息格式[4]，格式如表1和表2所示。

表1 輸入API消息格式[5]

表2 輸出API消息格式[5]

4.2 硬件設(shè)計(jì)

由圖1的系統(tǒng)架構(gòu)圖，單片機(jī)系統(tǒng)與芯片組具體信號連接關(guān)系如圖3所示。系統(tǒng)上電后,M28945的8051微處理器內(nèi)核執(zhí)行其內(nèi)部程序ROM(2KB，不可編程)的初始化啟動程序。初始化完成后，M28945通過串口（P31_TXD0）給主控制CPU（W77E58）串口（RXD）中斷,主控制CPU響應(yīng)后，主程序轉(zhuǎn)向下載子程序,通過RS232接口，引導(dǎo)外部FLASH（AT29C010A）內(nèi)的G.SHDSL底層操作碼進(jìn)入M28945內(nèi)的RAM中。引導(dǎo)完成后，主控制CPU通過API消息對系統(tǒng)進(jìn)行配置和狀態(tài)信息讀取。

圖3 單片機(jī)系統(tǒng)與芯片組的信號連接

當(dāng)芯片組被配置完后正常工作時，來自復(fù)分接器的鐘碼先通過PCM接口（TPCLK、TPDAT）送予M28945。接著鐘碼進(jìn)入DSL模塊，輸入數(shù)據(jù)封裝成DSL鏈路幀。成幀后進(jìn)入DSP模塊的發(fā)送器，進(jìn)行柵格編碼、成形濾波，再通過AFE串行口將數(shù)字信號傳給M28927，經(jīng)片上線路驅(qū)動放大后以差分信號形式（LDOP,LDON）送到被覆線。

接收信息時，M28927將被覆線上的模擬差分信號（VXP,VXN）進(jìn)行放大，濾波，模數(shù)變換，再通過AFE串口將數(shù)據(jù)送到M28945內(nèi)的DSP模塊接收器中。因?yàn)榫€路是全雙工通信，在差分信號VXP,VXN中既存在對端發(fā)來的有用信號又存在本端發(fā)送信號時耦合到自身的干擾回波信號。如圖4所示，平衡混合電路對傳輸線建立數(shù)學(xué)模型，發(fā)送信號通過其后產(chǎn)生一階近似回波，此回波（由差分信號VHP,VHN表示）傳送回M28927內(nèi)部與線路收到的差分信號VXP,VXN作減法，即得到真正由對端發(fā)來的信號。盡管DSP模塊接收器內(nèi)部有數(shù)字抵消器，混合電路還是非常有存在的必要。因?yàn)閷28927內(nèi)的ADC來說，首先在片外減去一階回波信號可有效降低輸入信號電平，這樣就防止了溢出現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)越的數(shù)字信號處理性能[6]。

圖4 線路接口示意圖

DSP模塊既接收AFE串行數(shù)字信號（混有殘余回波）又收到DSL模塊發(fā)來的經(jīng)預(yù)編碼的數(shù)字信號，將這些符號送到數(shù)字回波抵消器進(jìn)行評估，從接收到的AFE串行信號中減去殘余回波響應(yīng)即得到真正由對端發(fā)來的信號，然后輸出給線路均衡器、柵格譯碼后恢復(fù)出信息比特。最終經(jīng)PCM接 口 （RPCLK、RPDAT）送給分接器。線路驅(qū)動外圍電路是設(shè)計(jì)中的重要部分，電路圖如5所示。

圖5 線路驅(qū)動外圍電路

其中R12,R14,C7和R13,R15,C8各組成一個低通濾波器，模型如圖 5所示。網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)

，

令R12=R14,得。則截止頻率，目的是消除鏡像頻譜。

另外，根據(jù)SHDSL標(biāo)準(zhǔn)，線路標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗135歐姆。根據(jù)公式 ，可確定線路阻抗匹配電阻R12～R15，其中n為變壓器匝數(shù)比（M28927廠家手冊中規(guī)定為了獲得足夠的線路驅(qū)動電壓，匝數(shù)比定為2）。C1,C9,C13跨接在差分信號之間用于抑制差模干擾，防止單條線路受到外界干擾。R5與C3串聯(lián)后接在輸入端VHP對芯片內(nèi)部電路起到隔直限流的保護(hù)作用，R6與C4、R16與C11、R17與C12的串聯(lián)作用與之相同。

阻容網(wǎng)絡(luò) C2，C5，C6，R7～R11構(gòu)成平衡混合電路，發(fā)端耦合信號通過它后產(chǎn)生發(fā)端信號的近似回波。在進(jìn)行關(guān)鍵的PCB布線時，建議要做到下面3點(diǎn)：①差分對信號VXP、VXN與VHP、VHN均要盡可能做到等長度布線，盡可能靠近，盡可能布線要短；②個阻容網(wǎng)絡(luò)C1,C3,C4,R5,R6和C11,C12,C13,R16,R17在元器件布置時均要盡可能靠近M28927，避免寄生電容等干擾情況出現(xiàn)；③M28927的兩組線路信號LD_ML、LD_MH和LD_PL、LD_PH之間需要電容補(bǔ)償，這2個電容要盡量靠近M28927放置。

5 結(jié)束語

基于M28945和M28927芯片組實(shí)現(xiàn)了將數(shù)字信號通過被覆線進(jìn)行遠(yuǎn)傳的功能模塊。經(jīng)測試，當(dāng)數(shù)字信號速率為2 048 kbps時，傳輸距離可達(dá)4 km。能夠滿足大部分的有線傳輸需求。另外，設(shè)計(jì)中外置的FLASH存儲器（AT29C010A）雖然成本較低，但封裝體積較大，印制板面積利用率較低，外圍電路接線較繁，不利于小型化設(shè)計(jì)。下一步計(jì)劃采用內(nèi)部具有較大容量FLASH的嵌入式處理器（如ARM）來替換，提高設(shè)備集成度。

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