（信号与信息处理专业论文）语音码型变换板的研究与开发.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 在移动通信技术迅猛发展的今天，语音业务作为传统的服务项目也不断的提 高和完善，相继提出的各种语音压缩编码技术随之朝着更利于网络容量提升的方 向发展，以达到保证语音通话质量的同时也提高信道频带利用率的目的。3 g p p r 4 核心网中，话音业务的处理功能在媒体网关中完成。本设计即对3 g 核心网部分 的多速率码型转换方法进行了技术研究之后，开发出相应的产品并通过3 g 试验网 的各项测试验证了该方案的可行性。 文章主要完成语音码型变换板的硬件设计工作。文章开始给出了设计该种单 板的必要性和可行性，它是语音编码发展的必然结果，也是向下一代网络演进的 重要基础。第二章从业务处理层面和接口层面分别阐述了该板件的应用环境，随 后给出了相关器件的选型以及基于各器件的电路设计思路和方法，包括分组域交 换部分、电路域交换部分、模块化设计等相关内容。接下来的硬件设计是本文的 重点，在设计方面主要包括基本原理设计和各主要功能单元模块、接口设计两大 部分。功能单元模块中主要包括c p u 处理单元、时钟单元和e c 子卡单元等设计； 接口设计则细分为外部接口和内部接口两个方面。本章中还重点研究了硬件电路 设计中相当重要的两个部分：可靠性设计和电源设计。文章的最后对整个板件做 了系统测试，主要包括了功能测试和性能测试两部分。这其中不仅有测试方法和 测试报告，更重要的是我们对测试过程中发现的一些关键问题，在认真研究之后 提出了相应的解决方案，该产品经现场运行验证性能良好，从而肯定了我们的解 决方案的合理性和可行性，对类似问题的解决有一定的参考价值。 关键词：语音码型变换板，3 g ，核心网，媒体网关，可靠性 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t i nt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o d a y ，v o i c e s e r v i c e , a st r a d i t i o n a ls e r v i c e sh a v eb e e ni m p r o v e da n dp e r f e c t e d t h et e c h n o l o g yo f v o i c ec o m p r e s s i o nc o d e ci sm o r ec o n d u c i v et or e s u l ti nu p g r a d i n gt h en e t w o r kc a p a c i t y , i no r d e rt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fv o i c ec a l l sa n da l s oi m p r o v et h ec h a n n e lb a n d w i d t h e f f i c i e n c y i nt h ec o r en e t w o r kd e f i n e db y3 g p pr 4 ，v o i c ep r o c e s s i n ga r ec o m p l e t e di n m e d i ag a t e w a y t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ha b o u tt h ep r o c e s s i n go fm u l t i r a t es p e e c h c o d i n gt r a n s a c t i o ni n3 gn e t w o r k i m p l o d i n gc o r r e s p o n d i n gp r o d u c ta n dt e s t i n gi n3 g n e t w o r ki no r d e rt oi n s u r et h ef e a s i b i l i t yo f t h i sd e s i g n t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no fv t c b ( v o i c et r a n s c o d e r b o a r d ) a tt h eb e g i n n i n g , t h i sa r t i c l eg i v e st h en e c e s s i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h i sd e s i g n , i t i si n e v i t a b l eb e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n to fs p e e c hc o d e c ；a n di ti st h ei m p o r t a n t f o u n d a t i o no fn g n i nt h es e c o n dc h a p t e r , w ee x p o u n dt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to f v t c b ，b o t l lf r o mt r a n s a c t i o np r o c e s s i n ga n di n t e r f a c e , a n dt h e ng i v et h ed e s i g n m e t h o d sb a s e do nt h ea p p r o p r i a t ed e v i c e sh a v i n gc h o s e n , i n c l u d i n gp a c k e ts w i t c h i n g p a r t ，c i r c u i ts w i t c h i n gp a r t , m o d u l a r i z a t i o nd e s i g na n ds oo n 1 1 1 en e x ti m p o r t a n tp e r i o d o ft h i sp a p e ri st h eh a r d w a r ed e s i g n i n gi n s t r u c t i o nw h i c hi n c l u d e st h ed e s i g no ft h e f u n d a m e n t a la sw e l la st h ed e s i g no fm a i nf u n c t i o nu n i t sa n dt h ei n t e r f a c e f u n c t i o n a l m o d u l e si n c l u d ec p u ，c l o c ku n i ta n de cu n i t t h ed e s i g no fi n t e r f a c ec a l lb ed i v i d e d i n t ot w op a r t s ：e x t e r n a li n t e r f a c ea n di n t e r n a li n t e r f a c e 1 1 1 ed e s i g n i n gi n s t r u c t i o na l s o c o n t a i n st h ed e s i g no fr e l i a b i l i t ya n dp o w e rs u p p l y n el a s tp a r ti st h et e s t i n g i n s t r u c t i o n , w h i c hi sc o m p o s e do ff u n c t i o nt e s t i n ga n dc a p a b i l i t yt e s t i n g n o to r d ya r e t h em e t h o da n dt h er e p o r to ft h et e s t i n gd e s c r i b e d ，b u ta l s ot h es o l u t i o n st os o m ek e y p r o b l e m sa r ef o u n d t h ef a v o r a b l ep e r f o r m a n c er e p r e s e n t e di nt h ef o l l o w i n gs i m u l a t i o n t e s t i n gc o n f i r m e dt h er a t i o n a l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s es o l u t i o n s ，w h i c hw o u l d d e f i n i t e l yb e n e f i tu si ns o l v i n gt h es i m i l a rp r o b l e m s k e yw o r d s ：v t c b ( v o i c et r a n s c o d e rb o a r d ) ，3 g ，c n ( c o r en e t w o r k ) ， m g w ( m e d i ag a t e w a y ) ，r e l i a b i l i t y h 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题的研究背景 1 1 1课题的选题 目前正是移动通信技术面临着2 g 到3 g 的过渡、发展时期【1 1 1 2 ，国际公认的 3 g 制式包括早前已经认可的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 以及新近加入 该行列的w i m a x 四种，无论是哪一种制式的网络，都朝着移动5 w 目标【3 】 ( 即，任何人在任何时间任何地点以任何形式与任何通信对象进行通信) 发展。 数据业务以空前的速度和规模大范围的展开发展，而语音业务作为传统的服务项 目在移动通信技术迅猛发展的今天也不断的提高和完善，相继提出的各种语音压 缩编码技术也随之朝着更利于网络容量提升的方向发展，各个通信组织先后提出 了不同的基于速率可变的语音压缩编码协议【4 】，其原理主要是系统根据信道情况 在总信道传输速率不变的情况下，改变信源和信道的编码速率，以达到保证语音 通话质量同时提高信道频带利用率的目的【5 】。相对于2 g 的定速率语音压缩技术 而言，广泛应用于3 g 系统的变速率语音压缩技术是语音编码技术中的一大变 革，各设备厂家也正致力于开发基于此技术的综合通用型语音处理板件，不仅能 够处理3 g 系统中的变速率语音压缩码，亦可对原有通信系统的语音等电路域信 号处理做后向兼容【6 j 【7 】。 网络侧，3 g p pr 4 版本革命性的在3 g 系统中将呼叫控制和业务承载相分 离，这也是软交换最重要的技术基础【8 】。l 将现用电路域中的m s c 分解成两个 功能实体，即m s cs e r v e r 和媒体网关( m g w , m e d i ag a t e w a y ) 。其中，m s c s e r v e r 主要用来完成对信令和呼叫的控制，而m g w 则主要提供业务承载。m g w 在电路交换子系统中主要用于核心网内部、核心网与无线接入网、外部 p s t n i s d n 电路交换网络的承载转接和互通【9 】。m g w 还具有媒体处理设备( 如码 型变换器、回升消除器、会议桥等) ，执行媒体转换和帧协议转换。 媒体网关( m g w ) 的语音处理功能应包含以下内容： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 ) m g w 应具有语音信号的编解码功能，支持g 7 1 l 、g 7 2 9 ( 可选) 、 g 7 2 3 1 的5 3 k b p s 和6 3 k b p s 等两种编码速率( 可选) 、g 7 2 6 ( 可 选) 、u m t sa m r 编解码【5 1 。 2 ) 支持在软交换机的控制下完成分组语音编解码之间的转换和互通，包括 不同速率a m r 编码语音之间的转换、a m r 编码语音与g 7 1 1 编码语音 之间的转换。 3 ) 应支持t d m 网络侧p c m 码流与p 网络侧语音编解码的相互转换。 4 ) 设备应具备语音活动检测功能、静音压缩功能、产生舒适噪声功锹1 0 】。 5 ) 丢包补偿：在分组网传输有一定丢包率，对通话质量会有影响，m g w 需要支持语音报文的丢包补偿，采用平滑输出的机制使这种错误对听者 产生最小的影响【l l 】。 6 ) 抖动消除：m g w 应具备一定的输入缓冲，以尽量消除时延抖动对话音 质量的影喇1 2 】。 7 ) 提供d t m f 信号的检测和发送能力，具体应符合r f c 2 8 3 3 协议【1 3 】。 8 ) 根据p 承载网的负荷情况，应能在软交换机的控制下动态选择语音编码 格式，实现在保证通话质量的前提下提高对p 网络资源的使用效率【1 4 】。 9 ) m g w 应具备扩展其他编解码的能力。 本项目便是建立在此基础之上立项的，为基站侧的语音处理器。 本课题直接来源于某单位重大攻关项目“语音码型变换板v t c b 单板”。随着 3 g 技术的日益成熟，以及针对我国正大力开发的t d - - s c d m a 第三代移动通信 ( 3 g ) 系统，国家即将大规模组建3 g 网络。该单位作为中国1 1 r 行业的领军人 物，有义务和责任为我们国家研发具有自主知识产权的第三代移动通信产品，完 成3 g 核心网产品产业链，形成系列产品并推向市场。根据项目需求说明中的具 体要求，v t c b 单板可以用在c n 中c s 域的m g w 部分的t c 单元，可以应用于 w c d m a 的c s 域语音业务、c d m a 2 0 0 0 的c s 域语音业务、v o i p 业务等。 该单板设计主要包括三个部分：电源部分，主处理器( d s 子卡) 部分和 外围芯片部分( 主要包括电路域和以太网的p h y 芯片) 。本课题就是围绕这几 部分展开设计的。 1 1 2论文研究内容 本设计是利用d s p 及外围接口芯片开发语音码型变换板的硬件电路。语音码 型变换器单板( v t c b ) 在3 g 平台中属于电路域m g w 中t c ( t r a n s c o d e ) 单元的 t c 处理模块。v t c b 单板跨接了包交换和电路交换网两个交换域，v t c b 主要是 利用f r e e s c a l e 的高处理能力的d s p 芯片m s c 8 1 2 2 实现包格式的多种语音编码到 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 p c m 编码的码型变换和速率匹配功能，包含g s me f r 、w c d m aa m r 以及 c d m aq c e l p 8 k 、q c e l p l 3 k 、e v r c 、s m v 等，还需支持可能扩展出的v o i p 等语音编解码功能：为了实现与包交换和电路交换网两个交换域相连以及板内媒 体流的分配和集中，板内还具有以太交换网和电路交换网两个功能模块。另外单 板还需完成相应的i u u p 用户面协议( w c d m a ) 或者自定义的用户面协议 ( c d m a 2 0 0 0 ) 的终结功能。基于上述功能模块就可实现p s t n 与 c d m a 2 0 0 0 w c d m a 之间、3 g 与2 g 之间、c d m a 2 0 0 0 w c d m a 内部、 c d m a 2 0 0 0 与w c d m a 之间具有不同编码和速率的话音业务的互通，以及扩展 的v o i p 业务等。该单板在r n c 中作为无线网络协议栈处理板，处理f p 、 m a c 、r l c 、p d c p 、n 兀等用户面协议。与m p 单板有控制消息交互，有u u 接口的信令交互；与接口板有用户业务数据交互，另外与a p b e 单板有p s 域的 业务数据交互。 论文主要内容包括关键芯片选型、硬件设计以及产品测试三部分： 1 ) 关键芯片选型部分主要介绍该单板的芯片选用原理和各种相关的关键技术。 2 ) 硬件设计部分主要介绍原理图设计和p c b 设计，在原理图设计中为了考虑产 品的兼容性和可扩展性，我们对图纸做了多次修改，最终达到公司相关标 准；在p c b 的设计中，由于我们在设计布线之后对产品的e m c 和e m i 做了 详细严格的仿真，所以该单板在设计成型后，在抗电磁干扰方面的性能十分 突出。 3 ) 产品测试部分主要介绍单板成型后的调试及测试过程。在调试过程中，我们 遇到了很多问题，尤其在信号完整性方面，为了保证单板在外场的质量，我 们对测试中发现的问题都一一做了解决，在外场测试中取得了很好的效果。 1 1 3论文结构 本文结构安排如下： 第一章绪论 介绍了我们课题研究的背景以及论文研究的内容； 第二章方案研究及关键技术 介绍了单板的模块化设计技术和关键器件的选型根据及单板的实现 方案； 第三章硬件设计 主要介绍了基本原理和各功能单元的设计说明，这其中包括v f d s 子卡、时钟单元、在关键器件说明中，详细阐述了该产品所选用的各关键 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 元器件在同类产品的优势和选用原因，这对将来的工作也具有参考作用， 最后介绍了和产品质量密切相关的电源设计和可靠性设计； 第四章系统测试 主要介绍了功能测试和性能测试的测试方法，以及在测试过程中发 现的一些问题和解决方案； 第五章结论及未来工作 对本工作进行了简短的总结和展望。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 第二章方案研究及关键技术 2 1方案的考虑 2 1 1单板应用环境 ( 一) 业务处理部分 该单板可以用在c n 中c s 电路域m g w 部分的t c 单元，在m g w 中， w c d m a 的c s 域语音业务，其a a l 2s a r 在a t m 接入处理板a p b 终结，c p s 包经口网交换至具有a m rv o c o d e r 功能的v t c b ，将语音解成6 4 k b p s 的p c m 码 流后送至t 网；c d m a 2 0 0 0 的c s 域语音业务，从d t b s d t b 接入，经t 网交换 给具有e v r c s m vv o c o d e r 功能的v t c b ，将语音解成6 4 k b p s 的p c m 码流后再 送回t 网；v o i p 业务经g g s n 或a g w 分离、或直接由基站系统接入后，都将送 至口核心交换网络，其r t p u d p i p 在口接入模块终结，语音包经p 核心交换 网络送至具有v o l pv o c o d e r 功能的v t c b ，将语音解成6 4 k b p s 的p c m 码流后送 至t 网，此后，该话路可直接交换至p s t n ，也可经t c 单元转换为其它格式语 音后再经c r o s s b a r 交换至公网。当语音流朝p s t n 侧接续时，本板可以选配 e c 功能。v t c b 在m g w 中的位置如图2 1 所示。 图2 1v t c b 在m g w 中的位置示意图 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 v t c b 也可用在b s c 的t c 单元，而在c d m a 2 0 0 0 的b s c 中，不存在一级 电路交换单元，v t c b 与d t b s d t b 之间的h w 连接通过本单元内u i m 板上的 二级电路交换网建立。v t c b 在b s c 中的位置如图2 2 所示。 一一+ 一一一一。一。一一一一一一一一一+ 一一一一一一一1 一一一一。一一。一。一。1 图2 2v t c b 在b s c 中的位置示意图 v t c b 还可用在r n c 的无线协议处理单元，处理f p 、m a c 、r l c 、 p d c p 、i u u p 等用户面协议。v t c b 在r n c 中的位置如图2 3 所示。 a p b e v t c b 。 m p x s 6 图2 3v t c b 在r n c 中的位置示意图 因此，该单板在业务层面应具备以下的功能： 1 ) 作为v t c b 时，提供9 6 0 路q c e l p s k 、q c e l p l 3 k 、e v r c 、或1 9 2 0 路a m r 等语音编解码和e c 功能及可能扩展的v o l p 业务，能终结媒体 流业务接口v o i e e u d p i p ，其中，e c 深度_ 6 4 m s ，当处理a m r 时，还 需处理i u u p 协议； 2 ) 作为r u b 时，可对1 0 2 4 路c s 域数据或p s 域数据进行无线协议处 理： 3 ) 作为v t c b 时，提供板内电路交换功能，完成电路语音交换，实现话路 在输出端口和时隙之间的自由分配； 6 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 4 ) v t c b d s p 子卡在设计时做到与平台的e c z 2 回声抑制子卡接口兼容， 保证单板可以做到灵活配置，一块d s p 子卡可以处理4 8 0 e v i 屺9 6 0 路 a m r ，一块e c z 2 子卡可以处理5 1 2 路语音，升级后可最大提供2 0 4 8 路语音处理能力；v t c b 单板板内提供3 个子卡接口，可以根据系统需 要灵活配置。 ( 二) 接口部分 每块v t c b 板出8 对8 m ( 1 6 m ) b p sh w 线或者l 条l v d s 与( g ) u i m 板相连， 经( g ) u i m 上t 网交换至p s t n ，实现与p s t n 相连；每块v t c b 提供2 套1 0 0 m 以太网口和1 套1 0 0 0 m 媒体流以太网，其中在使用老的b u s n 背板时使用1 套 1 0 0 m 以太网( 在使用新的b g s n 背板时可以使用一条1 0 0 0 m 媒体流以太网) 承 载数据包格式媒体流，与( g ) u i m 媒体流承载以太交换网相连，然后再连接到核 心交换网，实现与包交换网相连；v t c b 单板通过板内以太交换网、多片高密 度码型变换和速率匹配专用芯片或者d s p ，以及板内电路交换网，实现语音在包 交换网之间和包交换与p s t n 网之间的互通功能。另一套l o o m 以太网口承载控 制流，与u i m 板的控制流以太网交换网通信，和u i m 之间主要传输单板的软件 版本，以及正常运行时单板的运行状态的控制和维护消息，在调试时还可以用作 调试端口下载程序用。另外，u i m 还需向v t c b 板提供8 k h z 和1 6 m h z ，p p 2 s 等同步用时钟。v t c b 与周边单板单元间的信号连接关系示意图如图2 4 所示。 ；l 一；焉磊一| 图2 4v t c b 与周边单板单元间的信号连接关系示意图 因此，接1 2 1 部分应具有如下功能： 1 ) 背板接入8 对8 m h zh w 或者8 对3 2 m 的l v d s 线，经t d m 交换网交 换至板内资源处理部分，保证时隙分配灵活，并便于以后扩展，t d m 侧 数据流应同步于u i m 送来的8 k i - i z 、1 6 m h z 时钟。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 2 ) 背板接入1 套1 0 1 0 0 m 控制流以太网，用于c p u 和d s p 版本下载、话 路接续以及板内要处理的信令流和系统对本板进行控制、配置、维护、 管理的命令和参数等信息的传输： 3 ) 背板接入1 套1 0 1 0 0 m 媒体流以太网或者1 套1 0 0 0 m 媒体流以太网，用 于承载作为v t c b 和配置为无线协议处理单板时接入的各种媒体流，根 据需要能够灵活配置； 4 ) 预留一套r s 4 8 5 总线，连至u 蹦； 1 1 2单板方案论证 1 ) 根据前述设计思想和设计准则，在给定的技术条件下提出能满技术要求的各 种可能的实现方案，并从性能指标、稳定性、环境适应性、实现难易程度和 经济性等方面比较它们的优缺点，从中确定一种作为设计实现方案。与方案 有关的各种关键器件( 如a s i c 、f p g a ( 或c p l d ) 和c p u 等) 的选取也将 在方案论证中讨论。 2 ) 单板b i t 方案论证( 包括b i t 原理框图，b i t 测试信号产生，b i t 数据采 集，b i t 启动和控制，b i t 数据处理，与系统主c p u 的接口) ； 3 ) 单板b i t 体制( 实时b i t ，插空b i t ) 选择论证( 应与系统b i t 体制相适 应) 。 2 2关键器件选型 2 2 1i ) s p 选型 m s c 8 1 2 2 是一款高度集成的内含4 个s t a r c o r es c l 4 0 的d s p ，有4 条最高 达2 5 6 个通道的时分复用接口并硬件支持u a 率编解码；一个通用串口；1 6 通道 的d m a 控制器；1 4 3 6 k b 的内部s r a m ，4 k b 的内部b o o tr o m ：一个3 2 6 4b i t 宽度的d s i 主机接口，3 2 6 4b i t 宽度的外部6 0 x 兼容接口( 与d s i 复用高3 2 b i t ) 1 5 l o m s c 8 1 2 2 目标市场是高带宽、高计算需求的d s p 应用系统，m s c 8 1 2 2 还有 一个显著的优点是在提供性能的基础上维持了低功耗的性能，同时截至目前，飞 思卡尔的m s c 8 1 2 2 四核数字信号处理器在高性能、低功耗、可编程性三者之间 达到了最佳平衡【1 6 】。飞思卡尔基于s t a r c o r e 技术的m s c 8 1 2 2 四核d s p 经过了高 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 度优化，适用于高带宽和计算密集型应用，如无线码变换、分组电话和无线基站 应用。m s c 8 1 2 2d s p 在保持低功耗优势的同时，提供了增强性能，极大地降低了 系统成本。m s c 8 1 2 2 提供与2 g h z 单核d s p 相当的性能，可以减少系统中的 d s p 数量，减少那些高成本、高功耗的辅助a s i c 和f p g a ，为3 g 无线基站提供 最佳解决方案。此外，在利用m s c 8 1 2 2 设备的完全可编程性的同时，客户还可 以增加下一代功能，有效地利用可用频谱，在3 g 系统中达到更高比特速率旧。 每一个s c l 4 0c o t e 有4 个a l u ，当运行在2 7 5 m h z 时钟模式下时，每个 a l u 提供l1 0 0 d s pm m a c s ( m u l t i p l ya n da d dc o m m a n d sp e rs e c o n d ) 性能， m s c 8 1 2 2 总共提供4 4 0 0 d s pm m a c s 性能。每一个s c l 4 0c o r e 有2 2 4 k b 的内部 1 级存储器( m 1 ) ；所有的s c l 4 0c o r e 共享内部4 7 6 k b 的2 级存储器( m 2 ) 。 t d m 接口能够传输1 0 2 4 通道的时隙；有一个可多主的6 0 x 兼容系统总线使d s p 可以访问外部设备，并运行外部主机直接访问内部m e m o r y ，6 0 x 总线支持外部 m e m o r y 包含s d r a m 等。外部主机也可以通过3 2 6 4 b i t 的d i r e ：c ts l a v ei n t e r f a c e ( d s i ) 访问d s p 。多通道的d m a 控制器可以传输数据支持在m 1m e m 、m 2 m 锄、外设之间【1 8 】。其内部结构框图如图2 5 所示： s c l 4 0 e x t e n d e dc o r d 1 2 8 6 4 - l o c a lb 惜 瓣溉lf c 踹甜l l b r i c l g e i lr e 裂e 停 n o 嚏e ：1 1 1 a r r o w s $ 1 l o w 价ed r e c t l o nf m mv t 、l c h 价et r a n 嘲f fo f l g l n a t e s 图2 5m s c 8 1 2 2 内部接口框图 m s c 8 1 2 2 含内部m a c ，主频最高支持达5 0 0 m h z ，能够提供6 4 0 0d s p 低嗄a c s 。 9 兰丢一 掣面一 掣 墨聚 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 2 2 2 媒体面p h y 芯片选型 我们选用8 8 e 3 0 8 2 作为媒体面的p h y 芯片，主要由于该芯片和其他代选芯 片相比具有以下几方面优势【1 9 1 ： 1 ) 8 个符合i e e e8 0 2 3 标准的1 0 0 b a s e - t x 及1 0 b a s e t 端口； 2 ) 支持多种m a c 层接口：r m i i 、s m i i 、s s m i i 等； 3 ) 支持1 0 0 b a s e x ，p e c l 电平； 4 ) 支持最大至1 0 k b y t e s 的j u m b o 包； 5 ) 低功耗：每个端口功耗为1 5 0 r o w ：0 1 5 u r nc m o s 工艺； 2 2 3c p l de m p 5 7 0 本设计采用a l t e r a 的c p l de m p 5 7 0 ，为了节省空间，选用b g a 封装的 e m p 5 7 0 f 2 5 6 c 5 ，该c p l d 采用3 3 v 单电源供电，具有4 4 0 个宏单元、1 6 0 个 i o p i n 。 本板c p l d 中的逻辑部分主要有以下几个部分【2 0 】： 利用m p c 8 5 x x 子卡的存储单元控制器，外部总线接口信号，地址线，数据 线产生外围器件的片选信号，读写等信号； 1 ) d s p 与c p u 的时序处理部分； 2 ) 各个d s p 的中断逻辑； 3 ) c p l d 的版本号； 4 ) c p l d 的内部寄存器及读写控制； 5 ) 子卡p h y 芯片的m d c 、m d i o 信号模拟； c p l d 的逻辑框图如图2 6 所示： 图2 6c p l d 子卡逻辑框图 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 2 2 4 控制面f ep h y 选型 控制面以太网8 5 x x 子卡提供了一个r m i i 接口，v t c b 需要选择一个支持 r m i i 接口的p h y 来实现控制面以太网。 原有的a c l 0 4 是提供两个严格隔离以太网电口的光线收发器设备。该设备成 对使用，以成熟、安全的技术，简化的网络结构，节约的设备投资，实现通过一 条光路接入两个有严格隔离安全要求的业务网络f 2 1 1 。此设备既同时完成了接入， 节约了光纤，又满足了数据安全。 但由于a c l 0 4 的停产，公司库中可以支持r m i i 接口四端口以下的百兆以太 网p h y 已经没有很好的选择。v t c b 选择n a t i o n a l 公司的d p 8 3 8 4 8 作为控制 面的p h y ，d p 8 3 8 4 8 是一款支持r m i f m i i s n i 接口的1 0 0 m 1 0 m 的单p h y ，可 以弥补公司库中这个部分的空白。 、d p 8 3 8 4 8p h y t e r 系列芯片利用长达1 3 7 米的电缆进行传输时仍可确保信号 无误，传输范围大于i e e e 8 0 2 3 u 标准所规定的1 0 0 米。该系列芯片可以利用外置 变压器连接双扭线导体。此外，这系列芯片也可通过符合i e e e 8 0 2 3 u 标准的 m i i r m i i 接口直接连接媒体存取控制器，同时也设有a u t o m d i x 功能，可以不 分彼此的采用直线或交叉重叠的电缆【捌。n a t i o n a l 公司也提供p h y t e r 以太 网完整性实用软件，为系统支持、调试及系统设计工作提供便利的连接点。 2 2 5 分组域交换芯片的选型 以太网交换芯片选用m a r v e l 的8 8 e 6 0 9 5 ，该芯片带有8 个f e 口+ 3 个g e 口，母板上使用3 个芯片互连，从而实现2 4 f e + 9 g e 的以太网交换单元，2 4 个 f e 口和子卡上的p h y 之间通过电容耦合【2 3 1 。v t c b 单板对外的以太网根据不同 的情况使用不同流量。 2 2 6 电路域交换芯片的选型 板内电路交换采用i d t 的i d t 7 2 v 7 3 2 7 3 ，这是一款6 4 输入6 4 输出3 2 k * 3 2 k 的交换芯片，支持2 m 、4 m 、8 m 、1 6 m 、3 2 m 速率的输入和输出，该芯片对6 4 条输出和输出分为8 组，每组内部输入输出速率必须一致，但是不同的组间可以 以不同的速率交换【2 4 】，正好满足了我们的要求，作为电路侧的接口与( g ) u i m 的 电路域相连。 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 2 3关键技术研究 2 3 1v f d s 子卡 交换采用v f d s 子卡完成协议的转换，本板用到的数字信号处理芯片采用子 卡的形式，简化了单板设计并作到了资源共享、重用。每个v f d s 子卡上有8 片 m s c 8 1 2 2 芯片以及8 片相应的d s p 片外s d r a m ，d s p 片外的s d r a m 采用 3 2 m 和8 m 1 6 m 兼容的b g a 封装芯片。同时，为了逻辑控制的灵活性和d s p 子 卡接口的简洁性，d s p 子卡上配置有c p l d 芯片。子卡上还配置了一片8 口的 p h y 芯片( 采用m a r v e l 的8 8 e 3 0 8 2 ) ，芯片的m a c 端通过r m i i 接口与每个 芯片的m a c 连接，8 组以太网差分信号通过子卡接口进入母板。 1 d s 子卡的原理框图如图2 7 所示： 图2 7v f d s 子卡原理框图 v t c b 母板最多可配置3 块v f d s 子卡。子卡的接口与e c z 2 子卡兼容，当 需要在v t c b 上做e c 处理时，可以将d s p 子卡更换为e c z 2 子卡。 2 3 2 以太网的交换部分 以太网交换芯片选用m a r v e l 的8 8 e 6 0 9 5 ，该芯片带有8 个f e 口+ 3 个g e 口，母板上使用3 个芯片互连，从而实现2 4 f e + 9 g e 的以太网交换单元，2 4 个 f e 口和子卡上的p h y 之间通过电容耦合。v t c b 单板对外的以太网根据不同的 情况使用不同流量。当单板在老的b u s n 机框中使用时，兼容现在t id s p 的 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 v t c b 单板，当在c d m a ( c d m a 2 0 0 0i x ) m g w 中以及w r n c 和t d r n c 中使 用的时候对外提供两条1 0 0 m 媒体流进入以太网交换芯，当在c d m a 2 0 0 0 的b s c 中使用的时候，处理9 6 0 路e v r c 语音编解码的时候，通过计算知道其媒体流的 流量也不会超过1 0 0 m ，所以仍旧提供l 条1 0 0 m 媒体流以太网进入c p u ：当该 单板在新的b g s n 机框中使用，除了兼容b u s n 中使用时的情况，考虑到在某些 应用情况下媒体流以太网流量可能会超过2 0 0 m 或者有些b g s n 背板不提供 1 0 0 m 媒体流以太网插座的，所以通过选焊电阻的方式分别将l 条1 0 0 0 m 媒体流 以太网引入以太网交换芯片和c p u ( 只有m p c 8 5 x x 提供1 0 0 0 m 以太网接口) 。 以太网部分的连接方案如图2 8 所示： t o d s pt o d s p c a r d lc a r d 2 t o d s p c a 脚 2 3 3 电路交换部分 图2 8v t c b 以太网连接方案 板内电路交换采用i d t 的i d t 7 2 v 7 3 2 7 3 ，这是一款6 4 输入6 4 输出3 2 k * 3 2 k 的交换芯片，支持2 m 、4 m 、8 m 、1 6 m 、3 2 m 速率的输入和输出，该芯片对6 4 条输出和输出分为8 组，每组内部输入输出速率必须一致，但是不同的组间可以 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章方案研究及关键技术 以不同的速率交换，正好满足了我们的要求，作为电路侧的接口与( g ) u i m 的电 路域相连。电路域的连接方案如图2 9 所示： u i m u i ml 硎 u i m8 k 1 6 8 m ( 1 6 m ) h w i 墼鉴 1 一1 6 3 2 m h w r x , t l k 1 1 5 0 1 【! 盟型坚丛薹 一面 1 d l 兰釜丛| p l l & 2 3 0 9 1 ，_ _ + c p l d 1 6 m 图2 9v t c b 电路域连接方案 i d t 7 3 2 7 3 8 s m 0 6 m ) h w 8 8 m ( 1 6 m ) h w 8 露m ( 1 6 m ) i 玎 c a r d i 7 c a r d 2 c a 哪 注：1 ) 、v t c b 设计为背板8 m ( 1 6 m ) h w 和l v d s 信号不混用。 2 ) 、在使用8 m ( 1 6 m ) h w 时，8 k 帧信号从背板输入，不考虑线路延迟； 3 ) 、在使用l v d s 时，板内8 m ( 1 6 m ) i - i w 帧信号从3 2 mh w 信号中提取； 4 ) 、1 5 0 1 3 2 m 、7 3 2 7 3 3 2 m 、3 2 m _ r e f 和p l l 3 2 m 对齐，也即和系统 8 k 帧信号对齐； 5 ) 、7 3 2 7 38 k 帧信号根据系统选用l v d s 还是h w ，选择是系统8 k 还是 f p g a8 k ； 2 4 模块化设计 1 ) h o s t c p u 使用8 5 x x 子卡实现 本板c p u 采用m p c 8 5 x x ，以子卡形式设计，简化了单板设计并作到了资源 共享、重用。主要使用的c p m 资源包括以下部分：f c c l 口用做交互控制流： p c i 接口外接8 2 5 5 9 用做百兆媒体流：2 个千兆以太网一个和以太网交换单元连 接、一个在c d m a 2 0 0 0b s c 网元中使用时作为千兆媒体流接口；s c c l 做r s 4 8 5 口；s m c l 做r s 2 3 2 口。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章方案研究及关键技术 本单板上的管理c p u 在硬件设计上做到p r p m c 7 5 5 和d 8 5 4 0 兼容使用，由于 两种子卡的接口不完全一样，所以设计上也有所不同。 两种h o s tc p u 都作为p c ih o s t , 其p c i 总线上可外挂4 个p c im a s t e r , , p c i 总线仲裁采用c p u 子卡的内部仲裁方式【2 5 】；子卡提供一个百兆以太网口作为 主备板之间数据通路。子卡上有一个2 3 2 串口。 选用p r p m c 7 5 5 子卡作为h o s tc p u ，需要单板上放置3 2 m b y t ef l a s h 存放 单板程序，提供1 2 8 ms d r a m ，通过挂在p c i 总线上的以太网控制器8 2 5 5 9 提供 一个1 0 1 0 0 m 以太网调试口或者控制面以太网通道。由于子卡不提供l o c a l b u s 慢速访问接口，需要单板上放置一个9 0 5 4p c i 转l o c a lb u s 的桥片。 选用p r p m c 8 5 4 0 子卡作为h o s tc p u ，f l a s h 芯片放置在子卡上，子卡上 放置2 5 6 ms d r a m ，子卡提供l ( ) c a lb u s 总线，9 0 5 4p c i 到l o c a lb u s 的桥 片也就不需要了。所有的慢速设备都直接挂在l o c a lb u s 上。通过l o c a l b u s ，对单板内的相关芯片进行初始化配置工作。子卡提供r m i i 接口，单板上 放置一片a c l 0 4p h y 芯片，输出一路以太网用作控制面以太网口。图8 是 p r p m c 8 5 4 0h o s tc p u 子卡系统框图。 板中的一片c p l d 完成l e d 点灯逻辑，对单板中芯片的复位，对l o c a l b u s 上的访问逻辑信号进行组合以控制对单板上慢速设备的访问时序，单板上的 中断逻辑扩展，主备竞争电路等。 8 5 x x 提供了标准的3 2 位p r p m c 接口；母板上面最多可以支持5 个p c i 设 备；提供3 2b i t 宽的l o c a lb u s 信号，支持8 、1 6 、3 2 b i t 宽数据接口，对外