一款基于芯片RC7017設(shè)計的PDH光端機(jī)和芯片故障排查

潘福初，秦莫萍

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引 言

PDH 光端機(jī)設(shè)備在作為一種點對點傳輸設(shè)備，具有統(tǒng)一的比特率，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為不同廠家設(shè)備間的互聯(lián)提供了可能，網(wǎng)絡(luò)管理能力大大加強(qiáng)。同時采用字節(jié)復(fù)接技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)中上下支路十分簡單，使用操作簡單，在很多場合適用和具有優(yōu)勢?；谛酒琑C7017 設(shè)計的這款PDH 光端機(jī)具備了常用的E1 接口、話音接口和以太網(wǎng)接口，實用性強(qiáng)，性價比高；芯片RC7017 實際使用設(shè)計和其故障排查過程指導(dǎo)，完善其應(yīng)用和排故。

1 光端機(jī)設(shè)計

1.1 接口需求

設(shè)計的PDH 光端機(jī)設(shè)備要具備以下功能接口和要求：（1）PDH 光接口數(shù)量：1 路；（2）以太網(wǎng)接口數(shù)量：1 路；（3）E1 接口數(shù)量：4 路；（4）二線話音接口數(shù)量：4 路；（5）交流電源接口（220 V）：1 路；本PDH 光端機(jī)設(shè)備為點對點應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 PDH 光端機(jī)點對點應(yīng)用

1.2 設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)備的功能接口要求，設(shè)備硬件實現(xiàn)可以按模塊化設(shè)計為四個部分：接口電路、數(shù)字信號光傳輸模塊、電源模塊和光模塊，如圖2所示。

圖2 光端機(jī)原理框圖

接口電路分為三部分：話音信號電路模塊、E1 接口電路、以太網(wǎng)接口電路，它主要完成接口阻抗變換和信號電平轉(zhuǎn)換工作。數(shù)字信號光傳輸模塊是以高速的PDH 芯片為核心，可以完成外圍的話音、以太網(wǎng)、E1 等業(yè)務(wù)的復(fù)接，最后通過線路接口發(fā)送到光模塊。光模塊的作用是把數(shù)字信號光傳輸模塊的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行傳輸。

電源模塊為整個設(shè)備提供電源及相應(yīng)的供電保護(hù)措施。

1.2.1 接口電路

接口電路用來通過機(jī)箱與其他電路或設(shè)備相連，接口電路主要是實現(xiàn)信號接口阻抗匹配和信號電平轉(zhuǎn)換工作。其分為三部分：話音信號電路模塊、E1 接口電路、以太網(wǎng)接口電路。話音信號處理電路模塊主要是完成四路用戶和中繼話音業(yè)務(wù)，接口電路采用集成的話音模塊，通過可編程電路控制四路話音模塊的工作和實現(xiàn)話音信號的復(fù)接和分接工作，完成轉(zhuǎn)換成E1 接口的復(fù)接和分接；E1 接口電路主要是完成2.048 Mbit/s 的E1 業(yè)務(wù)的HDB3 電平轉(zhuǎn)換工作，轉(zhuǎn)換后的信號可直接用PDH 芯片進(jìn)行傳輸；以太網(wǎng)接口電路可以實現(xiàn)以太網(wǎng)信號的電平轉(zhuǎn)換工作，接口可實現(xiàn)10M/100M 接口自適應(yīng)。

1.2.2 數(shù)字信號光傳輸模塊

數(shù)字信號光傳輸模塊是以高速的PDH 芯片為核心，配合外圍的以太網(wǎng)、E1 等接口芯片，完成將各種數(shù)字業(yè)務(wù)進(jìn)行混合復(fù)用，最后通過線路接口發(fā)送到光模塊。

如圖3所示，以太網(wǎng)、E1 等信號進(jìn)入設(shè)備后，經(jīng)過相應(yīng)的接口轉(zhuǎn)換芯片（話音模塊接口是通過轉(zhuǎn)換成E1）進(jìn)入到PDH 芯片中，然后各種數(shù)據(jù)在成幀器中進(jìn)行數(shù)據(jù)和開銷的復(fù)接。為了能夠?qū)崿F(xiàn)光路的傳輸和時鐘的提取，復(fù)接后的數(shù)據(jù)要進(jìn)行編碼，編碼完成后進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，最后產(chǎn)生PCML 線路發(fā)送數(shù)據(jù)，送到光模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。接收過程相反，光模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為PCML 線路接收數(shù)據(jù)發(fā)送到PDH 芯片，芯片內(nèi)部首先進(jìn)行時鐘提取和數(shù)據(jù)恢復(fù)，然后將恢復(fù)的數(shù)據(jù)利用線路提取的時鐘進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，解碼后送到解幀器，通過解幀器將數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，分解出各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤碼統(tǒng)計和輸出指示。

圖3 數(shù)字信號光傳輸模塊原理框圖

本模塊使用的PDH 芯片型號為RC7017，可以很好地完成上述功能的實現(xiàn)，其具體參考管腳排列和管腳的定義說明詳見其使用用戶手冊，RC7017 集成了光線路處理功能，并具有兩組PCML 線路接口，可以在兩組PCML 接口之間實現(xiàn)保護(hù)倒換，每組PCML 接口均可實現(xiàn)ALS（Automatic Leaser Shutdown/Reduction）功能，可以直接與光收發(fā)模塊進(jìn)行交互，簡化了設(shè)計。本光端機(jī)只有1 路光接口，所以采用1 組PCML 接口即可，上述數(shù)字信號光傳輸模塊的光發(fā)送和光接收設(shè)計采用市場上技術(shù)成熟的光收發(fā)一體模塊完成即可。

光端機(jī)只用1 路光接口，設(shè)計采用的PCML 接口為A 口，電路邏輯設(shè)計連接圖如圖4所示。

圖4 光口部分連接圖

芯片的E1 接口信號為差分信號，電路邏輯設(shè)計連接圖如圖5所示。

圖5 E1 接口電路連接圖

以太網(wǎng)接口電路邏輯設(shè)計連接圖如圖6所示。

圖6 以太網(wǎng)接口電路連接圖

1.2.3 電源模塊

電源模塊是設(shè)備正常工作的關(guān)鍵模塊之一，除了要滿足設(shè)備工作所需的功耗要求，還應(yīng)該具有防雷擊、過壓過流保護(hù)等相關(guān)保護(hù)電路，并且滿足模擬電路對電源低紋波噪聲的要求。本光端機(jī)工作的芯片集成電路等電源都是5 V 及以下的電壓，可以設(shè)計輸出5 V 的電源盤來提供工作電源；其他5 V 以下的工作電源，采用專用5 V 電源轉(zhuǎn)換芯片，完成電源的轉(zhuǎn)換輸出。

電源盤是由交流濾波器、保護(hù)電路、AC/DC 變換模塊和DC/DC 變換模塊等組成，這些器件和模塊可以選用市場上價格合適，符合要求的功能模塊器件，不需單獨設(shè)計，其信號流程和原理如圖7所示。

圖7 電源模塊原理框圖

2 故障排查

根據(jù)上述方案設(shè)計的PDH 光端機(jī)，很好地完成設(shè)計需求，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠。在其調(diào)試生產(chǎn)過程中，設(shè)備工作不正常產(chǎn)生誤碼時，作為PDH 核心芯片的RC7017 是重點排查對象，我們排查芯片的思路可以從簡單到復(fù)雜仔細(xì)排查：

（1）芯片工作不正常，有時會發(fā)熱損壞，我們可以先檢查其外觀是否有燒毀發(fā)黃等現(xiàn)象存在，若沒有，我們可以進(jìn)行下一步，通過使用儀器儀表測量其工作電壓是否正常，RC7017 的工作電壓是3.3 V，通過芯片資料文件可以知道管腳1，18，37，54，73，90，116，126，51（3.3 V 模擬電源，用于光接口）都是電源管腳，可以使用萬用表測量工作電壓值，如果電壓值不是3.3 V，需要排查是RC7017 故障引起的電源不正常，還是提供電源的電路輸出不正常。

（2）排除了電壓故障的情況下，我們可以測量其時鐘輸入是否正常，其系統(tǒng)時鐘輸入管腳有兩個，影響系統(tǒng)的工作，分別為24 管腳CLK65MI（系統(tǒng)時鐘，頻率為65.536 MHZ/±50 PPM，電壓值5 V），49 管腳CLK9MI（系統(tǒng)時鐘，頻率為9.375 MHZ/±30 PPM，電壓值5 V），還有以太網(wǎng)工作使用的MII 接口工作時鐘管腳為72 腳MTXC 和74 腳MRXC，我們使用合適的示波器來測量時鐘，要觀察波形、幅度，毛刺，頻率值等，如果時鐘有問題，則會導(dǎo)致芯片相應(yīng)功能部分錯誤。

（3）作為與光接口轉(zhuǎn)換連接的PCML 接口，其數(shù)據(jù)異常等現(xiàn)象，會導(dǎo)致后面的光數(shù)據(jù)異常傳到給對方的設(shè)備，可以使用示波器來測量信號，觀察有無異常。如果排查了以上步驟都無異常發(fā)現(xiàn)，可以從芯片自帶的調(diào)試功能配置來排查。光口環(huán)回排查，RC7017 具備本地環(huán)回功能，可以通過管腳LINE_LOOPI 或者UART 接口指令設(shè)置，通過設(shè)置環(huán)回來判斷光模塊到芯片光接口內(nèi)部寄存器線路是否工作正常。RC7017 支持E1 支路的本地和對端環(huán)回，E1 支路環(huán)回控制通過E1_LOOPI 管腳輸入，本地還是對端環(huán)回通過LOOP_FN_SELI 管腳選擇；在使用中，可以通過外接器件對8 路E1 支路單獨設(shè)置環(huán)回，也可以用一個撥碼開關(guān)統(tǒng)一設(shè)置環(huán)回，E1 支路環(huán)回控制還可以通過UART 接口指令設(shè)置，在配置指令中有8 bit 本地指令環(huán)回控制和8 bit 對端指令環(huán)回控制；當(dāng)E1 誤碼時，可以使用此操作來判斷本端或者對端線路到芯片寄存器的工作是否正常。RC7017 芯片E1 環(huán)回的兩個方向如圖8所示。

圖8 E1 環(huán)回兩種方式圖

（4）以上排查方法基本可以解決芯片RC7017常見故障，但有時也會遇到疑難特例問題，需要具體單獨分析解決。下面是某種比較難排查的故障現(xiàn)象：在一次實際調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)光端機(jī)光路接收正常，但所有業(yè)務(wù)不通的故障。故障條件下通過FPGA 程序操作RC7017 的UART 接口對E1 進(jìn)行軟件環(huán)回，業(yè)務(wù)正常；和正常設(shè)備單向?qū)y，發(fā)現(xiàn)是光發(fā)送方向故障，環(huán)回RC7017 輸出PCML 差分電信號，故障復(fù)現(xiàn)，初步確認(rèn)故障原因為RC7017 發(fā)送電信號故障，與光模塊無關(guān)。用200 M 示波器測量RC7017 發(fā)送PCML 電信號，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過匹配電路后進(jìn)入光模塊的PCML 電信號幅度明顯變低，而RC7017 從光模塊接收到的PCML 電信號無明顯衰減，檢查電路原理圖發(fā)現(xiàn)匹配電路完全按RC7017 芯片手冊推薦電路設(shè)計。常溫觀察常溫故障業(yè)務(wù)板光發(fā)送信號眼圖很差，信號抖動較大，經(jīng)常超出模板；同時觀察低溫工作時，故障業(yè)務(wù)板光發(fā)送信號眼圖較差，信號也抖動較大，已經(jīng)很接近模板邊沿。把發(fā)送眼圖故障情況錄像反饋RC7017 芯片廠家后，廠家建議查看RC7017 的輸出PCML 信號波形；使用4G 高速示波器，測量RC7017 的輸出PCML 信號波形發(fā)現(xiàn)疊加有約1.3 MHz 低頻干擾信號。斷開和光模塊連接的耦合電容后去掉光模塊信號連接，干擾信號仍存在，確定干擾信號為RC7017 芯片本身產(chǎn)生。嘗試斷開RC7017 外圍時鐘以及RC7017 復(fù)位信號強(qiáng)制拉低，RC7017 PCML 信號輸出端干擾信號仍然存在。因為之前已經(jīng)換過不同批次RC7017芯片，基本可以排除芯片問題，懷疑可能是芯片外圍電路引起RC7017 產(chǎn)生自激震蕩疊加到PCML 信號輸出端。通過分析電路原理圖，逐漸縮小范圍到BIASEO 管腳接入外圍偏置電路。光接口的外圍電路如圖4所示。拆除C89 后干擾信號消除，測量拆下來的C89 電容（0603-1 μF）容值只有0.1 μF，而設(shè)計本身要求C89 電容值為1 μF，重新焊接C89 電容為0603-1 μF 后，干擾信號消除，常溫發(fā)送眼圖穩(wěn)定，業(yè)務(wù)正常無誤碼，故障未復(fù)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

基于RC7017 芯片設(shè)計的PDH 光端機(jī)能提供E1、話音、以太網(wǎng)接口，技術(shù)成熟，設(shè)計不復(fù)雜，可通過點對點光纜連接傳輸應(yīng)用。通過排查工作電壓、時鐘、PCML 接口數(shù)據(jù)、控制人為生產(chǎn)錯焊等手段可以很好地決PDH 芯片RC7017的故障排查。