小型化SDH综合设备的研制

摘 要:随着信息产业技术的发展,多元化的业务需求与日俱增,特别是多业务接入与低成本投入、简单维护之间的矛盾越来越突出。该方案研制的小型化SDH综合业务设备较好地解决了这一矛盾。该设备集语音、数据、SDH传输和以太网技术于一身,采用国际先进的集成电路、可编程逻辑电路和高速微处理器研制而成,完成光口、E1接口、用户接口的信号处理,并具有安全可靠、性能稳定、价格低廉、携带方便,有较强的移动性、灵活性等特点。该设备已部分应用于电力、高速公路、智能小区等领域,满足了用户需要。

关键词:小型化设备; SDH综合设备; 模块技术; 单光口STM1模块; 双光口STM1模块

中图分类号:TN919; TP391文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)15-0128-04

Development of Miniaturized SDH Comprehensive Equipments

LIU Xiao-yun

(Xi’an Railway Vocational and Technical Institute, Xi’an 710014,China)

Abstract: Along with the development of information technology, the diversification business demands keep increasing with each passing day, especially the contradictions between multi-service access and low-cost investment, and multi-service access and simple maintenance are increasingly obvious. However, the contradiction has been solved by the miniaturization SDH comprehensive equipment developed with the scheme. The equipment developed with international advanced integrated circuits, programmable logic circuits and high-speed microprocessors involves voice, data, SDH and Ethernet technology, can complete the signal processing of optical port, E1 interface and user interface, and has such characters as safe, reliable and stable performance, low price, stronger mobility and flexibility. The equipments were applied to power systems, super highways, intelligent community and other fields, and satisfied all the customers.

Keywords: miniaturization equipment; SDH comprehensive device; module technology; single light mouth STM1 module; double light mouth STM1 module

0 引 言

本项目研制的SDH STM1模块,是一个功能完整、可以独立工作的小型化SDH综合设备。该模块插入现有的电路交换子框中,为子框其他模块提供E1中继传输电路,同时也为外部系统或设备提供2 Mb/s透明传输电路和以太网数据的传输,并与在网的主流SDH设备有很好的兼容性。

1 研制目标

1.1 设备功能

(1) 提供16个2 Mb/s电路的透明传输,扩展一块电路板后,可提供32个2 Mb/s电路的透明传输;

(2) 提供10M/100M以太网接口,实现以太网数据的传输;

(3) 单光口工作在TM模式,双光口可工作在TM模式或ADM模式;

(4) 可组成环型网、链型网,或点对点工作;

(5) 本地振荡、线路时钟、2 MHz支路时钟三种时钟同步方式。

1.2 兼容性要求

(1) 遵循ITU-T 相关建议;

(2) 采用国际主流供应商提供的专用芯片设计;

(3) 在网络接口上与在网的主流设备兼容。

2 组成原理

2.1 模块组成

本次研制的SDH设备有两种,即单光口STM1模块和双光口STM1模块,分别插入3U机箱和4U机箱使用。每种SDH模块由两块电路板组成,即光接口板和2 Mb/s支路扩展板。其中光接口板本身就是一个完整的SDH STM1系统,可提供2 Mb/s传输业务和以太网传输业务;而通过2 Mb/s支路扩展板可将模块的2 Mb/s接入能力从16个扩展到32个。

单光口STM1模块系统连接框图如图1所示。

图1 单光口模块组成框图

双光口板提供两路STM1光接口,除增加一路光STM1收发信外,其他组成与单光口完全一样。

2.2 单元板组成及工作原理

2.2.1 单光口板组成及工作原理

单光口板实现STM1 终端设备功能,主要由光模块、时钟提取电路、SDH段开销处理芯片PM5343 STXC、高阶通道开销处理芯片PM5344 SPTX、交叉控制电路、2 Mb/s映射和低阶开销处理芯片TXC-04222等部分组成。如图2所示。

主要单元电路的功能如下:

(1) 光模块:完成光/电和电/光转换。

(2) 时钟提取电路:由CY7B952芯片组成,完成接收时钟的提取、接收时钟分频、发信时钟产生以及数据对齐、发信驱动等功能。

(3) STM1段开销处理:由PM5343 STXC芯片组成,完成SDH STM1线路数据的串/并转换和并/串转换、STM1段开销处理。

(4) 高阶通道开销处理:由PM5344 SPTX芯片组成,完成高阶通道开销处理,并提供通用的Telebus接口与交叉连接芯片和各种映射芯片接口,为各种时分电路提供数据传输服务。

(5) 交叉控制电路:主要由可编成器件FPGA组成。选用Xilinx Sparten 3E的XC3S500E大容量可编成器件,通过软件设计实现SDH支路信号的交叉和上下电路的调度。通过FPGA将支路映射芯片和以太网映射芯片与SPTX连接起来,可大大加强系统设计的灵活性。

(6) 2 Mb/s映射电路:由2 Mb/s映射和低阶通道开销处理芯片TXC-04222组成。TXC-04222可提供28路2 Mb/s数据的VC-12封装和映射,本设计使用其中的16路来满足需求。TXC-04222提供两组Telebus,可分别从两个方向上下电路,在FPGA配合下实现分插复用功能。TXC-04222提供HDB3编码信号的输入输出,可方便地与LIU连接,提供G.703的2 Mb/s支路接口。

(7) 2 Mb/s接口电路LIU:由2片IDT82V2058及E1变压器、保护电路组成,每片IDT82V2058提供8路G703线路接口,总共提供16路G.703线路接口。该电路完成了线路输出驱动、输入检测、接口保护、支路接收时钟提取等功能。

图2 单光口板原理框图

2.2.2 双光口板组成及工作原理

双光口板提供两路STM1光接口,根据设置的工作模式不同分别实现终端设备功能和分插复用设备功能。除增加一路光STM1收发信外,其他组成与单光口完全一样。

各单元电路组成和工作原理与单光口板相同。

2.2.3 2 Mb/s支路接口扩展板1组成及工作原理

2 Mb/s支路接口扩展板1为系统提供16个2 Mb/s支路接口,从而将SDH模块的2 Mb/s支路接口扩充到32个。该板主要由2 Mb/s映射芯片TXC-04222、2 Mb/s接口电路LIU芯片IDT82V2058、控制管理MPU、CPLD芯片、总线驱动、电源变换等部分组成。其中CPLD选用Xilinx的XC95144XL,其作用是扩展AT91SAM7S128 MPU的接口,并从16路2 Mb/s支路接收时钟中选择1路作为参考时钟输出到光接口板。

2 Mb/s支路接口扩展板1框图如图3所示。

图3 2 Mb/s支路接口扩展板1原理框图

2.2.4 2 Mb/s接口扩展板2组成及工作原理

2 Mb/s支路接口扩展板2完成的功能与2 Mb/s支路接口扩展板1完全相同,因而电路组成也基本相同。

与2 Mb/s支路接口扩展板1不同的是,2 Mb/s支路接口扩展板2有两组Telebus总线通过系统背板连接到双光口板的FPGA上,不仅能够作为TM设备从一个方向上下电路,而且能够作为ADM设备从两个方向上下电路。

3 软硬件设计

3.1 硬件设计

3.1.1 光接口板

(1) 主要专用芯片选择

光模块:选择最常用的1×9的GBIC光模块,单+5 V供电,PELC电平输入输出,考虑实际使用情况,选用短距离光模块。

CDR:选择CY7B952实现线路接收时钟的提取和发信时钟的产生,并可产生接收信号丢失告警信号。

段开销处理:选用PM5343STXC完成STM1段开销处理。PM5343STXC可完成STM1帧同步、串/并转换、误块检测、数据信道的提取和插入等开销处理等功能。

高阶通道开销处理:选用PM5344SPTX完成AU4指针调整和VC4高阶通道开销处理。

2 Mb/s支路数据映射:选用TXC-04222完成2 Mb/s支路数据的封装、低阶通道开销处理和映射。TXC-04222一侧提供2组Telebus供上下电路,满足环网的组网要求;另一端提供HDB3编码输入输出,可直接连接LIU单元。TXC-04222可提供28个2 Mb/s支路的接入,满足本方案的容量要求。

以太网数据映射:选用TXC-04246完成以太网数据的封装、低阶通道开销处理和映射。TXC-04246支持GFP,LAPS,LAPF,BCP等多种协议,有较好的兼容性,使用十分普遍。TXC-04246将以太网数据封装后映射到多个VC12或VC3,VC4上,因而可以灵活使用,提供不同带宽的服务。TXC-04246外接大容量的存储器,可有效缓冲数据,减少数据包的丢失。TXC-04246直接外接PHY电路,提供以太网接口。

LIU:选用IDT82V2058芯片作为LIU,对2 Mb/s接口进行驱动和检测,提取2 Mb/s支路的接收时钟,并提供接收信号丢示告警信号。每片IDT82V2058可提供8路G.703接口的输入输出,支持75 Ω平衡和120 Ω非平衡模式。

(2) 电原理图设计

采用ORCAD 10.5软件设计,生成网络表。

(3) PCB设计

采用PADS2005设计。采用十层板,其中六层为走线层,四层为电源和地层,电源层分割使用。部分元器件需制作封装。

3.1.2 2 Mb/s支路板

专用芯片选择与光接口板相同,通过系统背板与光接口板连接,两块板之间的信号线有Telebus、串口通信线、时钟线。前面板有运行指示灯2只、告警指示灯2只。

PCB板采用八层板,设计要求参考光接口板相同部分。

3.1.3 背板

系统背板提供光接口板和2 Mb/s支路板之间的连接,并为这两块板供电。3U背板提供1组Add&Drop Telebus总线、2组串口通信线、1组2 MHz时钟线。4U背板提供2组Add&Drop Telebus总线,其他与3U背板同。

3.2 软件设计

3.2.1 光接口板MPU软件设计

光接口板软件采用C语言设计,底层采用小型嵌入式实时操作系统μC-OSⅡ。光接口板软件具有以下主要功能:

(1) 对PM5343,PM5344,TXC-04222,TXC-04246,FPGA,TDT82V2058等芯片进行初试化,设置各芯片的工作模式,按照预先保存的配置数据设置2 Mb/s支路上下电路占用的容器,确定以太网数据封装协议, 配置以太网数据占用的容器,配置FPGA交叉连接关系。

(2) 实时监测光线路输入告警信号、2 Mb/s支路输入告警信号,对STM1误块数据进行统计,将告警信息和误比特信息报告给系统控制板。

(3) 按照预先保存的配置对光模块时钟工作方式进行设置,在时钟工作条件发生变化时,相应地更改时钟同步方式,并向系统控制板报告。

(4) 接收并保存系统控制板提供的配置信息。

(5) 接受系统控制板的查询和控制。

3.2.2 2 Mb/s支路接口板MPU软件设计

与光接口板相同,2 Mb/s支路接口板软件也采用C语言设计,底层采用小型嵌入式实时操作系统μC-OSⅡ。2 Mb/s支路接口软件主要功能有:

(1) 对TXC-04222,TDT82V2058等芯片进行初试化。按照光接口板提供的配置数据设置2 Mb/s支路上下电路占用的容器。

(2) 实时监测2 Mb/s支路输入告警信号,将告警信息报告给光接口板。

(3) 按照光接口板的要求选择输出2 MHz接收时钟。

3.2.3 FPGA软件设计

采用Xilinx的ISE 9.2(或以上版本)集成开发环境和ModelTech仿真软件,使用VHDL语言开发。实现的主要功能有:

(1) PM5344与TXC-04222,TXC-0426,背板Telebus的连接;

(2) 支路信号的交叉配置;

(3) 段开销字节和数据的配置和处理;

(4) 时钟同步的检测和相位比较、VCO控制;

(5) MPU接口扩展。

3.2.4 通信

SDH模块与系统控制板的通信按照系统的要求通过串行异步通信口进行。通信方式为主从方式,系统控制板为主,SDH模块为从,SDH模块接受系统控制板的查询、并按照查询命令回答相应的信息。

SDH模块内部的通信之间通过另一组串行异步通信口进行,通信方式为点对点全双工。

SDH网络节点间的通信通过STM1数据通道传送。MPU通过FPGA发送和接收数据,完成节点间的状态协调和传送系统控制板的控制命令。

4 结 语

研制中采用能实现所需功能、并提供完善性能的单芯片方案,主芯片完成复接、映射、线路接口和常用业务接口等所有主要功能,只要连接各种业务接口电路、管理CPU和电源等相关电路即可实现低端多业务SDH接入设备的各种功能。业务接口和光路接口采用模块化插槽形式与主系统连接,满足多业务可灵活配置的需要。该设备具备性能可靠、集成度高、成本低廉、使用方便等优点,具有良好的应用前景。

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