SDH E1時(shí)隙可配幀格式及數(shù)據(jù)編碼的 設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù)

池飛,武建鋒,何在民

(1.中國科學(xué)院 國家授時(shí)中心,西安 710600；2.中國科學(xué)院 精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600;3.中國科學(xué)院 時(shí)間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710600;4.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院,北京 101048;5.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

隨著通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步,時(shí)間統(tǒng)一技術(shù)在SDH(synchronous digital hierarchy)光纖網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越廣泛,但網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元設(shè)備內(nèi)部晶振的精度較低,網(wǎng)元守時(shí)能力差,SDH光纖網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和新業(yè)務(wù)亟需實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步,以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的高度統(tǒng)一。E1通道可靠性、穩(wěn)定性高,可應(yīng)用于SDH光纖網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。E1是國際電聯(lián)(ITU-T)制定并由歐洲郵政與電信協(xié)會(huì)(CEPT)命名的數(shù)字傳輸系統(tǒng)一次群(即PCM30)標(biāo)準(zhǔn),E1通道的物理及電氣特性符合CCITT(國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì))的ITU-G.703標(biāo)準(zhǔn),我國也采用E1標(biāo)準(zhǔn)作為PCM系統(tǒng)和N-ISDN的基群[1-4]。E1通道在國防、電力、通信、交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,本文立足于用戶實(shí)際需求,基于FPGA(field programmable gate array)工具,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了時(shí)隙可配的SDH E1幀格式及HDB3(high density bipolar)數(shù)據(jù)編碼技術(shù),通過實(shí)驗(yàn),仿真驗(yàn)證其功能正確性[5-6]。

1 SDH E1時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SDH E1時(shí)間同步系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,FPGA集成相應(yīng)的通信模塊,與時(shí)間溯源模塊進(jìn)行通信,獲取時(shí)碼信息和1 PPS脈沖信號(hào),同時(shí)外接10 MHz頻率源作為外頻標(biāo)參考以驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。FPGA系統(tǒng)用7位巴克碼信息作為幀頭來表示1 PPS以填充到對(duì)應(yīng)時(shí)隙中,將其與時(shí)碼信息進(jìn)行組合,并配置成E1通道所規(guī)定的幀格式,利用HDB3編碼模塊將二元碼變成適合在線路中傳輸?shù)碾p極性碼,最后通過E1通道將信息發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn),SDH網(wǎng)絡(luò)中另一端接收E1幀格式信號(hào),經(jīng)過HDB3解碼,而后進(jìn)行E1幀格式解析,從7位巴克碼幀頭中恢復(fù)1 PPS脈沖信號(hào),即可在對(duì)端實(shí)現(xiàn)同步[7]。文中主要是設(shè)計(jì)并采用FPGA實(shí)現(xiàn)SDH E1線路中的幀格式生成和數(shù)據(jù)HDB3編碼兩個(gè)關(guān)鍵模塊,采用Modelsim和Signal Tap II仿真工具,驗(yàn)證數(shù)據(jù)編碼和幀格式生成的正確性。

圖1 E1總體框圖

2 E1幀格式及HDB3編碼原理

E1線路是一條基于時(shí)分復(fù)用的數(shù)字鏈路,它的數(shù)據(jù)傳輸速率為2.048 Mbit/s,整個(gè)線路由8 000個(gè)E1幀構(gòu)成,每個(gè)E1數(shù)據(jù)幀由256 bit數(shù)據(jù)位構(gòu)成,這256 bit的數(shù)據(jù)位又分為32個(gè)時(shí)隙(TS),每個(gè)時(shí)隙又包含8 bit的數(shù)據(jù),即：8 bit×32×8 000=2.048 Mbit/s,這樣,構(gòu)成了整個(gè)E1線路[8-10]。我國和歐洲均采用2.048 Mbit/s的E1信號(hào)。

表1 E1幀格式

實(shí)際SDH網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸一般采用成幀格式或成復(fù)幀格式[11-13]。進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間同步時(shí),時(shí)碼信息傳輸可根據(jù)用戶需求,在TS1～TS31 31時(shí)隙中的任意一個(gè)時(shí)隙靈活配置,幀格式如圖2所示。

圖2 E1幀格式

E1系統(tǒng)中,當(dāng)輸入信息被配置成規(guī)定的幀格式后,需要通過相應(yīng)的編碼才能更好的在整個(gè)系統(tǒng)中傳輸。根據(jù)CCITT的建議,E1線路中采用HDB3編碼[14]。由于該編碼方式不含直流分量,低頻分量較少,同時(shí)含有定時(shí)信息。并且它改進(jìn)了AMI碼中出現(xiàn)過長的連“0”串造成信號(hào)電平長時(shí)間不跳變引起提取定時(shí)信息困難的問題。

HDB3編碼規(guī)則如下：

①將二元碼中的“1”進(jìn)行極性交替,即完成“+1”和“-1”交替出現(xiàn),變成AMI碼；

②檢查碼中“0”的個(gè)數(shù),當(dāng)連“0”個(gè)數(shù)小于等于3時(shí),HDB3碼與AMI碼一樣,+1與-1交替；

③當(dāng)連“0”個(gè)數(shù)超過3時(shí),將每4個(gè)連“0”化作一小節(jié),定義為B00V,成為破壞節(jié),其中V成為破壞脈沖,而B成為調(diào)節(jié)脈沖；

④V與前一個(gè)相鄰的非“0”脈沖的極性相同(這破壞了極性交替的規(guī)律,所以V成為破壞脈沖),并且相鄰V碼之間極性必須交替。V的取值為+1或-1；

《模擬電子技術(shù)》課程歷年來大多數(shù)的學(xué)生覺得學(xué)習(xí)難度大，一些概念與原理比較難懂，為了提高該門課程的教學(xué)效果，在教學(xué)過程中積極探索了基于“雨課堂+互聯(lián)網(wǎng)+PowerPoint”的在線混合式教學(xué)改革方法，不僅有利于了解學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況，也可以提高課堂的教學(xué)效果，大大改善了以往課堂教學(xué)沉悶的現(xiàn)象，還便于學(xué)生課后的復(fù)習(xí)，這種混合式的教學(xué)方法給予學(xué)生課前、課中、課后每個(gè)環(huán)節(jié)都有新的不同的體會(huì)與感受，并且充分的利用了智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)，讓它更好地服務(wù)教學(xué)的方法，獲得了廣大學(xué)生的好評(píng)。

⑤B的可能取值可選0,+1或-1,以使V同時(shí)滿足④中的兩個(gè)要求；

⑥V碼后面的傳號(hào)碼極性要交替。

依據(jù)HDB3編碼規(guī)則,對(duì)二元碼“1000010000110000000011”進(jìn)行編碼,其對(duì)應(yīng)過程序列及最終HDB3編碼結(jié)果如表2所示。

表2 HDB3編碼結(jié)果

總體來說,對(duì)于HDB3編碼部分,可分為3個(gè)部分進(jìn)行,包括：加“V”操作、加“B”操作、極性變換操作,其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 HDB3編碼碼型對(duì)應(yīng)

在加“V”操作中,主要是檢測(cè)二元碼中“0”的個(gè)數(shù),一旦“0”的個(gè)數(shù)達(dá)到4個(gè),就將第4個(gè)“0”變成破壞節(jié)“V”,具體的操作流程圖如圖3所示。

圖3 HDB3編碼加“V”操作流程圖

接下來就是加“B”操作,主要是檢測(cè)相鄰兩個(gè)“V”之間有奇數(shù)個(gè)非“0”還是偶數(shù)個(gè)非“0”碼,當(dāng)非“0”碼個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí),將“V”前面的第3個(gè)“0”變?yōu)椤癇”,具體流程圖如圖4所示。

最后一部分為單雙極性變換,整體思想是滿足“V”的極性是正負(fù)交替的,同時(shí)滿足“1”和“B”構(gòu)成的整體也是正負(fù)交替的,流程圖如圖5所示。

圖4 HDB3編碼加“B”操作流程圖

圖5 HDB3編碼極性變換流程圖

3 E1幀格式實(shí)現(xiàn)

本文采用成幀的方式,即第0時(shí)隙用來傳輸幀同步信息,其他31個(gè)時(shí)隙傳輸有效信息。此處的幀同步信息是由7位巴克碼“1110010”來表示,由1 PPS脈沖信號(hào)上升沿觸發(fā)巴克碼第1個(gè)碼片的產(chǎn)生,由于此處用100 MHz作為時(shí)鐘,故兩者同步偏差在10 ns以內(nèi)。由于巴克碼是一種具有特殊規(guī)律的碼組,有尖銳的自相關(guān)函數(shù),與隨機(jī)數(shù)字信息相區(qū)別,易于識(shí)別,故用巴克碼作為幀頭[15-18]。

本工程采用Altera公司的EP2C8T144I8芯片,工作時(shí)鐘由本地晶振(10 MHz)通過片內(nèi)的PLL倍頻、再經(jīng)DDS模塊分頻產(chǎn)生,為SDH E1規(guī)定的2.048 MHz,對(duì)于幀格式生成部分,具體使用的邏輯資源以及片內(nèi)資源使用情況如圖6所示。

圖6 幀格式生成所占用片內(nèi)資源情況

為了增強(qiáng)時(shí)隙利用的靈活性,本設(shè)計(jì)給用戶提供了一個(gè)接口信號(hào)(時(shí)隙選擇信號(hào))i_Ts_Sel,讓用戶根據(jù)自身需求以及時(shí)隙的利用情況去靈活分配1～31中任一時(shí)隙為所用。使用中,只需給i_Ts_Sel賦上1～31中任一值,系統(tǒng)就會(huì)按照要求將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)填充到指定時(shí)隙。當(dāng)用戶通過指令配置生效后,系統(tǒng)能夠很好將巴克碼作為幀頭填充到第0時(shí)隙,將輸入數(shù)據(jù)填充到用戶指令配置的時(shí)隙,以達(dá)到靈活配置的目的。o_Data為輸入信號(hào),SlotCnt信號(hào)為時(shí)隙計(jì)數(shù)器,用來直觀辨別時(shí)隙的占用情況,o_Frame_Data為最終的E1時(shí)隙填充信號(hào),展示完整的32個(gè)時(shí)隙。下面通過選擇第1時(shí)隙、第5時(shí)隙和第18時(shí)隙為例,利用FPGA的開發(fā)環(huán)境Quartus II軟件自帶的邏輯分析儀Signal Tap II進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖7和圖8為E1可配時(shí)隙幀格式。由圖7可以看到,當(dāng)給時(shí)隙選擇信號(hào)i_Ts_Sel賦值為1,即選擇第1時(shí)隙時(shí),根據(jù)時(shí)隙計(jì)數(shù)器SlotCnt可以清晰看到,輸出信號(hào)o_Frame_Data第1時(shí)隙的位置填充了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖7 E1可配時(shí)隙幀格式(填充時(shí)隙1)

由圖8可以看到,當(dāng)給時(shí)隙選擇信號(hào)i_Ts_Sel賦值為5,即選擇第5時(shí)隙時(shí),輸出信號(hào)o_Frame_Data第5時(shí)隙的位置填充了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖8 E1可配時(shí)隙幀格式(填充時(shí)隙5)

同理,當(dāng)給時(shí)隙選擇信號(hào)i_Ts_Sel賦值為18,即選擇第18時(shí)隙時(shí),輸出信號(hào)o_Frame_Data第18時(shí)隙的位置填充了相應(yīng)的數(shù)據(jù),如圖9所示。

圖9 E1可配時(shí)隙幀格式(填充時(shí)隙18)

4 HDB3編碼實(shí)現(xiàn)

由總體框圖的設(shè)計(jì)流程可知,數(shù)據(jù)經(jīng)過E1幀格式的生成以后,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,本系統(tǒng)采用的是HDB3的編碼方式。

由于數(shù)字電路中只有“0”和“1”,無法傳輸“V”,“B”等字符,因此對(duì)編碼過程中出現(xiàn)的“V”,“B”,“+1”,“-1”進(jìn)行事先標(biāo)識(shí),以便后期的處理與識(shí)別。HDB3編碼模塊主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)二元碼進(jìn)行加“V”、加“B”和極性變化操作。本文將編碼模塊分成3步進(jìn)行,在加“V”和加“B”兩步中,以“00”表示“0”,“10”表示“B”,“11”表示“V”,在極性變換中,以“10”表示“+1”,“01”表示“-1”,“00”表示“0”。以“100001100000000 110000111 0000111100000000111000100000100000011”為測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,數(shù)據(jù)中包含多種長連“0”出現(xiàn)的情況,具有普適性。

對(duì)于HDB3編碼部分,具體使用的邏輯資源以及片內(nèi)資源使用情況如圖10所示。

圖10 HDB3編碼所占用片內(nèi)資源情況

編碼的RTL流程圖如圖11所示,主要包含3個(gè)部分,其中,vInst為加“V”模塊,bInst為加“B”模塊,tranInst為極性變換模塊。

圖11 HDB3編碼RTL視圖

具體的仿真見圖12,此圖為Modelsim的后仿真截圖,由于時(shí)序裕量充足,未做時(shí)序約束。i_SerData為輸入信號(hào),o_DataV,o_DataB和o_HDB3 Code分別為加“V”,加“B”,極性變換后的信號(hào)。根據(jù)編碼規(guī)則以及前面約定的標(biāo)識(shí),輸入的二元碼經(jīng)過HDB3轉(zhuǎn)換后應(yīng)該為“01 00 00 00 01 10 01 10 00 00 10 01 00 00 01 10 01 10 00 00 10 01 10 01 00 00 00 01 10 01 10 01 10…”,圖12仿真結(jié)果與之前理論推導(dǎo)結(jié)果一致,表明該編碼方式實(shí)現(xiàn)正確。

圖12 HDB3編碼仿真圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

通過各模塊的仿真驗(yàn)證無誤后,對(duì)整個(gè)E1時(shí)間同步設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,將主端設(shè)備連接上GNSS定時(shí)模塊輸出的1 PPS信號(hào),同時(shí)連接上UTC(NTSC)輸出的10 MHz參考頻率,經(jīng)過主端設(shè)備的處理后,生成滿足E1幀格式協(xié)議的信號(hào)[19-21]。該信號(hào)通過E1線路進(jìn)行傳輸,當(dāng)從端收到該信號(hào)后,對(duì)該信號(hào)進(jìn)行解幀和解碼操作,進(jìn)而復(fù)現(xiàn)出1 PPS信號(hào)。最后,將最開始主端源頭處的1 PPS和從端復(fù)現(xiàn)出來的1 PPS同時(shí)連接到SR620時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器上進(jìn)行測(cè)試(SR620時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器的外參考頻標(biāo)是UTC(NTSC)輸出的10 MHZ信號(hào)),從而測(cè)試出兩者的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)。

圖13 測(cè)試流程圖

本次試驗(yàn)測(cè)試,通過分時(shí)段采集了兩次數(shù)據(jù)。第1次的測(cè)試數(shù)據(jù)是從北京時(shí)間2018-01-19 20:37:57到2018-01-20 10:49:09,共采集了51 070個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；第2次的測(cè)試時(shí)間從北京時(shí)間2018-01-20 18:25:08到2018-01-21 11:16:41,共采集了60 694個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖14是第1段測(cè)試采集到原始數(shù)據(jù)的繪圖,經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析,計(jì)算得出均值為15.11 ns,標(biāo)準(zhǔn)差是0.24 ns。

圖14 測(cè)試結(jié)果圖1

圖15是第2段測(cè)試采集到原始數(shù)據(jù)的繪圖,同理,經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析,計(jì)算得出均值為34.094 6 ns,方差為0.120 6 ns。

圖15 測(cè)試結(jié)果圖2

通過在兩個(gè)不同的時(shí)間段對(duì)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)機(jī)試驗(yàn),得出以上兩個(gè)測(cè)試結(jié)果。鑒于E1的數(shù)據(jù)速率為2.048 Mbit/s,所以從端在檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)的時(shí)候,會(huì)存在(1/2.048)s的不確定度,大約為488 ns。因此在每次開關(guān)機(jī)的過程中(即每次上電的時(shí)候),會(huì)存在488 ns的不確定度。以上兩次的數(shù)據(jù)結(jié)果在該范圍內(nèi),說明設(shè)備功能健全。

6 結(jié)語

基于幀格式生成和HDB3編碼原理,設(shè)計(jì)時(shí)隙可配的SDH E1幀格式及數(shù)據(jù)編碼方案,并在FPGA上進(jìn)行實(shí)現(xiàn),通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證其功能?；诒疚脑O(shè)計(jì)結(jié)果,SDH光纖網(wǎng)絡(luò)用戶在保證其語音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸核心業(yè)務(wù)的同時(shí),可根據(jù)信道特性和自身需求,通過軟件對(duì)E1幀格式中的時(shí)隙進(jìn)行配置,使得時(shí)碼信息可占用E1幀格式31個(gè)時(shí)隙中的任意一個(gè)時(shí)隙,經(jīng)過HDB3編碼實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步信息在SDH光纖網(wǎng)絡(luò)中的傳輸,提高SDH光纖網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步信息傳輸?shù)撵`活性,為SDH光纖網(wǎng)絡(luò)通信性能的提升提供支撐,SDH光纖網(wǎng)絡(luò)E1通道時(shí)間同步具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。