（通信与信息系统专业论文）基于shdsl的用户线路倍增系统研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： i p 与宽带网络技术 作 者：j 塑堕级研究生 谢刚 指导教师焦壅塑 题目：基于s h d s l 的用户线路倍增系统研究 英文题目：t h er e s e a r c ho fp a i rg a i ns y s t e mb a s e do ns h d s l 主题词： k e w o r d s ： d s ls h d s l p c m 高速通路 d s ls h d s l p c m h i g h w a y s r i u - tg 9 9 1 2 建议 微控制单元用户线路倍增系统 r e c o m m 0 fi t u tg 9 9 1 2 m c u p a i rg a i ns y s t e m 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 s h d s l 支持利用现有铜线对进行上、下行速率对称的宽带数据接入( 在相类似的技术 中，其性能最佳) 。利用这种技术在现有用户铜线资源上开展倍增语音通信业务，可以大 大扩展用户容量，非常适合城市不可再布线地段或山区和偏远农村的电话业务扩展。如何 实现远距离更多用户倍增是本文研究的重点。 本文首先介绍了x d s l 及s h d s l 技术，特别是s h b s l 承载语音技术的优势，其次详细 分析了基于s h d s l 技术的用户线路倍增系统的组成及功能，然后提出了系统的软、硬件设 计方案，重点是局端设备和远端设备的元件级电路设计、芯片研究、信令实现、软件设计， 最后是作者对整个工作的总结。 a b s t r a c t s h d s ls u p p o r t sa n du t i l i z e st h ee x i s t i n gs u b s c r i b e rc o p p e rw i r et ob r o a db a n dd a t aa c c e s s w i t hs y m m e t r i c a ls p e e di nd o w na n du pl i n k s ( i ns i m i l a rt e c h n o l o g y , i t sp e r f o r m a n c ei st h eb e s t ) u s i n gt h i st e c h n o l o g y , w ec a nd e v e l o pt h ep a i rg a i nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hs u p p o r t s m o r et e l e p h o n eu s e r st os h a r eo n et w i s tp a i ra n di sv e r yf i tf o rm o u n t a i na r e ao rr e m o t e c o u n t r y s i d eo fo u rc o u n t r yo rf o rc e r t a i nc i t yr e g i o ni nw h i c ht h el a y i n gd o w no fn e wc a b l ei sn o t p e r m i t t e d f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ex d s la n ds h d s lt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ea d v a n t a g eo f s h d s li nv o i c es e r v i c ec a r r y i n g a n dt h e n ，t h ec o n s t i t u t i o n sa n dt h e f tf u n c t i o n so ft h ep a i rg a i n s y s t e ma r ea n a l y z e dt h i r d l y , i tb r i n g sf o r w a r dad e s i g ns c h e m eo f h a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，w h i c h e m p h a s e so nt h ec i r c u i tl e v e ld e s i g n i n g ，c h i ps e ts e l e c t i o n ，s i g n a l i n gr e a l i z i n ga n ds o f t w a r e d e s i g n i n g f i n a l l y , i nt h el a s tp a r to f t h i sp a p e r , w eg i v et h ec o n c l u s i o n 南京邮电大学硎士研究生学位论文 刖舌 我国是一个发展中国家，地域辽阔，存在城市与农村，东部与西部发展极度的不平衡， 本课题的目标是研究在近期不可能建立光纤的边远贫困地区，如何利用仅有的少量市话电 缆线对，通过s h d s l ( as i n g l e p a i rh i g h s p e e dd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 带宽扩展及多路复 用技术，增加电话及上网的普遍电信服务。主要目标集中到适合于5 7 公幂甚至更长距离 的用户线路倍增系统( p a i rg a i ns y s t e m ) 的设计实现。 为达此目标，我们首先研究了x d s l 和s h d s l 技术的最新发展和协议，讨论了s h d s l 承载语音技术的优势，确定了用户线路倍增设备的相应的技术方案，并进行了硬件和软件 的设计。 该系统由收发子系统、控制子系统和供电子系统组成，分为局端设备和远端设备两 种不同的主要板卡。 全文共分为五章： 第一章介绍了x d s l 技术最新发展、s h d s l 技术协议以及s h d s l 承载语音技术的优 势。 第二章提出了基于s h d s l 的用户线路倍增系统的实现方案，详细分析了三个子系 统模块的功能。 第三章介绍了本系统方案中用到的用户信令定义，用户信号类型，以及呼叫信令 过程。 第四章具体介绍了用户线路倍增系统的硬件设计， 级电路图的设计、芯片研究、信令的实现。 第五章具体介绍了用户线路倍增系统的软件设计， 和管理软件设计。 最后，给出了结论和进一步讨论。 分为局端设备与远端设备元件 包括固件设计、信令处理规范 南京邮电大学硕一卜研究生学位论文 第一章s h d s l 技术 1 1x d s l 技术 第一章s h d s l 技术 x d s l 是d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 的统称，意即数字用户线路，是以铜电话线为 传输介质的点对点传输技术。“x ”代表了各种数字用户环路技术，包括h d s l 、a d s l 、v d s l 等等。它在同一对铜线上分别传送数据和语音信号，并不需要通过专门的交换设备，属于 专线接入方式。目前，它主要应用在家庭电话、因特网接入和商务接入等领域。根据数据 上行速率和下行速率是否一致，d s l 技术主要分为对称和非对称两大类。 非对称d s l 技术适用于对双向带宽要求不一样的应用，如家庭办公，w e b 浏览、多媒体 点播( v o d ) 、信息发布等，这些业务对下行要求较高的速率，而对上行速率要求相对较低。 非对称d s l 技术的典型代表有a d s l ( a s y m m e t r i cd s l ，非对称数字用户线) 和v d s l ( v e r yh i g h d a t ar a t ed s l ，甚高速数字用户线) 等。其中，a d s l 技术作为主流的宽带接入技术在我 国已得到了广泛的运用，取得了很好的效果。v d s l 技术还在不断发展之中，设备成本还有 待降低，因此它的应用还有待时日。 对称d s l 技术主要用于替代传统的t 1 e 1 接入技术。与传统的t 1 e 1 接入相比，d s l 技术 具有对线路质量要求低、安装调试简单等特点，广泛地应用于通信、校园网互连等领域， 通过复用技术，可以同时传送多路语音、视频和数据。对称d s l 技术的典型代表有h d s l ( h i g h b i tr a t ed s l ，高比特率数字用户线) 、s h d s l ( s i n g a l p a i rh i g h s p e e dd s l ，单线对高 比特率数字用户线) 等。其中，s h d s l 由于采用t c p w ( t r e l l i sc o d e dp u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t i o n ，格栅编码脉冲幅度调制) 调制解调技术，比基于2 8 1 q 技术的h d s l 等对称d s l 技术有更加优越的性能，传输带宽更高( 单线对1 9 2 2 3 1 2k b i t s ，两线对时加倍) ，传 输距离更远，产生干扰更小，兼容性更好。可以说，s h d s l 是一种全新对称d s l 技术。 1 2 s h d s l 技术 1 2 1s h d s l 收发器 图】。l 中，s h d s l 收发器由位于局侧的s t u - c ( s h d s l t r a n s c e i v e r u n i ta tt h ec e n t r a l o f f i c e ，中心局s h d s l 收发器单元) 和位于用户侧的s t u r ( s t ua tt h er e m o t ee n d ，远 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章s h d s l 技术 端s h d s l 收发器单元) 组成。每一个s t u ( s h d s lt r a n s c e i v e ru n i t ，s h d s l 收发器单元) 包括应用相关和应用无关两部分。应用无关部分包括p m d ( p h y s i c a lm e d i ad e p e n d e n t ， 物理媒体相关层) 和p m s t c 层( p h y s i c a lm e d i a s p e c i f i ct r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e r ， 物理媒体传输汇聚层) ，应用相关部分包括t p s - t c 层( t r a n s m i s s i o np r o t o c o l s p e c i f i c t cl a y e r ，传输协议传输汇聚层) 以及i f ( i n t e r f a c e ，相关接口) 。另外，在s t u c 和s t u r 之间可以放置一个或多个可选的s r u ( s h d s lr e g e n e r a t o ru n i t ，s h d s l 再生器单元) ，由 此形成一个完整的s h d s l 链路( 其中s t u - c 作为主控方控制s t u r 和再生器) 。 s t u rs t u c pda昨 咽 冒豳 二悔i e 髓一 田 - r 吾1 一一 田 幽 l 型f 选项 选项进项 特异部分不变嚣分不变部分特异部分 图1 1s h d s l 收发器参考模型( s t u xf u n c t i o n a lm o d e l ) 碰用接u p m d 层模块主要完成码元的定时和恢复、线路编解码、调制解调、回波抵消、线路 均衡以及链路启动等功能。 p m s t c 层模块的基本功能包括定帧和帧同步以及扰码和解扰等，它通过a 或b 接口与 t p s - t c 层相连。 t p s t c 层是与应用相关的，通过yc 或y 缑口与s t u 的接口模块相连，最主要的是完 成用户数据到s h d s l 数据帧的映射和封装功能，以及复用解复用和多个用户数据信道的定 时校准等功能。 1 2 2s h d s l 帧结构 图1 2s h d s l 帧结构 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文笫一章s h d s l 技术 图1 2 是i t u t 关于s h d s l 建议g 9 9 1 2 规定的s h d s l 共同规范的帧结构，一帧 的时间是6 m s ，它主要包括帧结构开销和有效载荷。 帧结构开销包括帧同步字、开销o h 、填充比特s t b 。其中，帧同步字标志每一个g h d s l 帧的开始，开销o h 是g h d s l 帧通道开销，分o h l 到o h 4 ，填充比特s t b 实现p m s t c 帧速率与用户数据速率匹配。 f r a m es y n c ，帧同步字，标志每一个s h d s l 帧的开始，1 4 b i t 位。 0 h 1 ，固定指示比特：共2 b i t 网 i i - j f b i t l l o s e 信号丢失置1 ， f b i t 2 s e g # l 段异常置1 。 0 h 2 ，帧通道开销：共1 0 b i t e o c ：嵌入的操作信道# 1 # 6 ： c r c ：循环冗余校验# 1 、# 2 ； f b i t 3 p s 固定指示比特# 3 电源状态 s b i d l ：填充比特i d o l 。 0 h 3 ，s h d s l 帧通道开销：共1 0 h i t e o c ：嵌入的操作信道# 7 # 1 2 ： c r c t 循环冗余校验# 3 ，# 4 ： f b i t 4 s e g 固定指示比特# 4 段故障； s b i d 2 填充比特i d a 2 。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章s h d s l 技术 0 h 4 ：共1 0 m t e o c ：嵌入的操作信道# 1 3 # 2 0 c f c ：循环冗余校验# 5 ，# 6 ： s t b ： 填充比特，实现p m s - t c 帧速率与用户速率匹配。当两种速率同步时，不用s t b 3 和 s t b 4 。 l篆 上 蔫i 葛 由此可见，帧结构开销有4 8 b i t ，它的速率为4 8 b i t 6 m s = 8 k b p s 。 一帧的有效载荷是由4 个载荷块组成的( 如图1 2 所示) ，每个载荷块由1 2 个子块组 成，每个载荷块的大小被定义为k = 1 2 ( i + n 8 ) b i t ，因此有效载荷的大小是4 1 2 x ( i + n 8 ) b i t ，有效载荷的速率为4 x 1 2 ( i + n 8 ) 6 = i 8 + n 6 4k b p s ，其中3 - n 3 6 ，0 i 7 ； 当n = 3 6 时，i 为0 或l 。所以，有效载荷速率变化范围为1 9 2k b p s 到2 3 1 2k b p s ，以8k b p s 为增量。当i = 0 时，有效载荷速率就是n 6 4 k b p s 。这里i 指d 信道的比特数，用于传输 用户信令，n 指b 信道数，用于传输应用数据。 综上所述，s h d s l 总的线路码速为8 + n 6 4 + i 8k b p s ，其中3 h d l c 控制器) 来实现。在与接收数据相关的i s t a _ b z 寄存器中有三种不同的中断 表示：r p f ( r e c e i v ep o o lf u l l ) 、r m e ( r e c e i v em e s s a g ee n d ) 和r f o ( r e c e i v ef r a m e o v e r f l o w ) 。r p f 中断表示已选长度( e x m _ b z r f b s ) 的数据块可以从r f i f o _ b z 中读取，但 是收到消息的长度超过e x m b z r f b s 定义的长度，需要接着传输消息：r m e 中断表示接收 的消息已经完成；r f o 中断表示完整的帧不能存储在r f i f o _ b z 中，这种情况一般出现在 姬u 没有读到静面的数据而无法及时响应r p f r m e 的时候。数据接收时有两个控制命令用 于m c u 对h d l c 控制器的通信：r m c ( r e c e i v em e s s a g ec o m p l e t e ) 和r r e s ( r e c e i v er e s e t ) 。 r m c 命令通知h d l c 控制器数据块已经从r f i f o _ b z 读出，可以释放与此数据块相关的空间： r r e s 命令复位h d l c 接收器，并且擦除缓存。h d l c 的数据接收过程如图4 4 所示。 图4 5h d l c 数据发送过程 h d l c 控制器有1 2 8 一字节的循环x f i f o _ b z 缓冲器用于发送数据。缓冲器支持可变大小 的f i f o 数据块( 3 2 或6 4 字节为上限) ，这可以通过设置e x m _ b z 寄存器的x f b s 比特来实 现。i s t ab z 寄存器有四种不同的中断用于发送数据；x p r ( t r a n s m i tp o o lr e a d y ) 、 x d u ( t r a n s m i td a t a o n d e r r u n ) 、x d o v ( t r a n s m i td a t a o v e r f l o w ) 、x w ( t r a n s m i tf i f o w r i t e e n a b l e ) 。x p r 表示3 2 字节或6 4 字节的数据块可以写入x f i f os z ，此命令通常在x r e s 命 令发出后或者当x f i f ob z 的数据块发出相关的f i f o 空间释放时发出；x d u 中断表示当 x f i f 吐b z 不能容纳更多的数据致使当前帧的传输异常中止，这通常发生在m c u 无法及时响 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 应x p r 中断时，x d o v 数据块大小已经超出；x f w 表示数据可以写到x f i f o _ b z 。h d l c 控制 器有三种不同的命令用于发送数据：x t f ( t r a n s m i tt r a n s p a r e n tf r a m e 、x m e ( t r a n s m i t m e s s a g ee n d ) 和x r e s ( t r a n s m i t t e rr e s e t ) 。x t f 命令告诉h d l c 控制器数据块已经写入 x f i f ob z 将被发送，这时帧开始标识自动产生；x m e 命令告诉h d l c 控制器最后的数据块 已经写入x f i f ob z ，这时c r c 和帧结束标识自动产生；x r e s 命令表示复位h d l c 发送器， 并且擦除缓存。h d l c 的数据发送过程如图4 5 所示。 4 2 1 5h d l c e h d l c e 控制器控制e o c 信道，它有如下功能：标识产生识别、字节填充和f c s ( f r a m e c h e c ks e q u e n c e ，帧检验序列) 的生成检验。 h d l c e 消息的帧结构如图4 6 所示。 b y t e # 2 l * 2 l + 3 l * 4 m s bl s b c o n t e n t s s y n cp a t t e r n7 e h s o ur c ea d d r e s s d e s t i n a t i o na d d r e s s b i t s74 b i f s3 0 m e s s a g ei d i n f o r m a t i e nf i e l d m e s s a g ec o n t e n t ：b y t e1 m e s s a g ec o n t e n t b y t el f c sb y t e1 f c sb y t e2 s y n cp a t t e r n7 e h 图4 6h d l ce 帧结构 h d l c e 控制器有1 2 8 一字节的循环r f i f o _ e 缓冲器用于接收数据，i s t a e 寄存器有两 种不同的中断用于接收数据：r p f _ e ( r e c e i v ep o o lf u l l ) 、r f o - e ( r e c e i v ef r a m e o v e r f l o w ) 。h d l c e 控制器用于接收数据时的控制命令是r r e s e ( r e c e i v e rr e s e t ) 。 r f i f o _ e 通过设置i s t a e 寄存器的一个比特来向微控制器请求服务，这样产生一个中断 ( r p l e ，r f 吐e ) 。微控制器接着通过寄存器r b c _ e 读取状态和收到的字节数，并从r f i f o _ e 读取数据。h d l c e 控制器有1 2 8 一字节的循环x f i f o _ e 缓冲器用于发送数据，i s t a e 寄存 器有三种不同的中断用于发送数据：x d o v e ( t r a n s m i td a t ao v e r f l o w ) 、x p re ( t r a n s m i t p o o lr e a d y ) 、x d ue ( t r a n s m i td a t au n d e r r u n ) 。h d l c _ e 控制器用于发送数据时的控制命 令是x r e se ( t r a n s m i t t e rr e s e t ) 。 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 4 216 接口 p e b 2 2 6 2 2 芯片有三种类型的接口，分别是：线路接口、用户接口和m c u 接口。线 路接口与用户环路相连，传输s h d s l 信号；用户接口与用户电路相连，传输用户数据： m c u 接口与微控制器相连，传输控制信号。 本课题的用户接口传输数据的方式是p c m h i g h w a y s 方式，在这种方式下，每路用户 占用一个时隙，8 路用户共同组成p c m h i g h w a y s 。它包括数据接收端口( d i n ) 、数据发送 端口( d o u t ) 、帧同步端口( f s c ) 和p c m 时钟( p c l k ) 。p c m - h i g h w a y 的第一个时隙可以通 过设置t d m 偏移寄存器t d m - 0 f f 来决定，t d m 中b i t 的延迟也可以通过设置用户界面控制 寄存器c i f _ c o n 一1 来实现。 h d l c 控制器可以通过设置c i f c o n 一3 寄存器读写用户接口，如图4 7 所示，h d l c 控 制器向d i n 写数据宽度可以通过设置h d l ca c c e s sw i n d o w 来决定，h d l ca c c e s s w i n d o w 在h d l c w i n 寄存器( a d d r e s s ：1 5 h ) 设置。当h d l c 控制器向d i n 写数据时，芯片外面进 来的数据被忽略，而从线路接收的数据总是传送到d o u t 。h d l c 控制器的这一特性有重要 的意义，通过这种方式，从远处接收到的用户的信令可以通过h d l c 控制器传到控制子系 统，而控制子系统发出的信令也可以通过h d l c 控制器封装到s h d s l 帧，发送到远方。 d o u t d l n m i c r o c o r f f o i i e fb u s 图4 7h d l c 控制器读写用户接口 4 2 i 7 中断 所有的中断源都通过i s t a 和m a s k 寄存器中断脚i n t 结合在一起。中断源有收发器 ( t r a n ) 、e o c 信道h d l c 控制器( h d l c e ) 和b 信道、z - b i th d l c 控制器( h d l c b z ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 每一个中断源由自身的i s t a + 和m a s k + 寄存器对组成，这里的+ 代表t r 、e 或b z ( 如图4 8 所示) 。 mf a 擀8 嘉州a d d f i s t a w 图4 8p e b 2 2 6 2 2 芯片中断结构 4 2 2 局端s h d s l 收发模块电路 图4 9 收发子系统局端s h d s l 收发模块电路 利用p e b 2 2 6 2 2 芯片设计的局端s h d s l 收发模块如图4 9 所示。该模块主要包括 7 6 5 4 3 2 ， 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 p e b 2 2 6 2 2 芯片、s h d s l 信号变压器和混合电路。p e b 2 2 6 2 2 芯片完成s h d s l 收发器的功能； s h d s l 信号变压器把s h d s l 符号变换到用户环路：混合电路主要实现二线四线转换功能。 4 3 模拟网络接e l 电路( a n i c ) 模块 a n i c 主要完成语音编解码和用户电路接续功能，是与局端交换机的接口电路。本课 题设计的a n i c 模块包含8 路用户的模拟网络接口，每路模拟网络接口电路主要采用 i n f i n e o n 公司的p s b 4 4 5 0 和p s b 4 4 5 1 芯片完成。由于每路电路相同，因此以下分析一路用 户电路。 如图4 1 0 所示，右边为p s b 4 4 5 0 芯片，左边为p s b 4 4 5 1 芯片。p s b 4 4 5 0 是模拟信号 芯片，与局端交换机相连；p s b 4 4 5 1 是数字信号芯片，与s h d s l 收发模块相连。p s b 4 4 5 0 与p s b 4 4 5 1 之间的接口称为数字隔离接口( d i g i t a li s o l a t i o ni n t e r f a c e ) 。 图4 1 0 一路a n i c 电路 4 3 1 p s b 4 4 5 0 p s b 4 4 5 1 芯片概述 p s b 4 4 5 0 p s b 4 4 5 1 是i n f i n e o n 公司的a n i c 芯片组。 4 3 1 1 a n i c 芯片组功能图 a n i c 芯片组的功能图如图4 1 l 所示。 在p s b 4 4 5 0 芯片中，v d dc o n t r o l 控制p s b 4 4 5 0 的输入电压，接5 v 电压；h y b r i d ( 混 合器) 提供2 4 线转换功能，f i l t e r s 对上行和下行的模拟信号进行滤波； a d ( a n a l o g t o d i g i t a l ，模数) 或d a ( d i g i t a l - t o a n a l o g ，数模) 转换器提供高信噪比的功能： g p i o s ( g e n e r a lp u r p o s ei o s ) 有两个输入( s i o ，s 1 1 ) 和两个输出( s 0 2 ，s 0 3 q ) ，输入 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 可以用作中断源，输出可以控制外接设备。 在p s b 4 4 51 芯片中，h df i l t e r s ( h a r d w a r ef i l t e r s ，硬件滤波器) 插入发送信号、抽取 接收信号；d s p 实现均衡、增益调节、阻抗匹配等功能；p c mi n t e r f a c e 发送接收s h d s l 收发模块的数掘：s c i ( s e r i a lc o n t r o li n t e r f a c e ) 与外部m c u 相连，使m c u 便于对p s b 4 4 5 1 进行参数设置；g p i o s ( g e n e r a lp u r p o s ei o s ) 有两个输入输出口( s i o d l ，r i n g l n d s i o d 0 ) 和一个输出口，输入可以用作中断源，输出可以控制外接设备。 t r 扪s m i v r e c e i v e d a t a 图4 1 lp s b 4 4 5 0 ，p s b 4 4 5 1 功能图 4 3 1 2 语音通路 图4 1 2 是a n i c 芯片组的语音通路图。滤波器参数可以通过下载相关预设定参数得到。 “叶咎删” n 虻d _ - + n l c 图4 1 2a n i c 芯片组的语音通路 从交换机来的下行信号通过t i p r i n g 线到达p s b 4 4 5 0 ，经过a d c ( a n a l o g t o d i g i t a l ) 转化成l _ b i t 串行数字数据流，传送到p s b 4 4 5 1 的r f i x 2 进行滤波，并在a r l 和a r 2 中 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 进行增益调整，经过可变化的高通滤波器h p r 抑制低频噪声。同时，内置电路以8 k h z 的 p c m 速率进行抽样并滤波，最后信号以a 律编码输出到p c m 接口。 信号上行时，数字信号从p c m 接口输入，以a 律解码。有两个增益调节步骤在a x l 和a x 2 中完成，可变换的高通滤波器用来抑制低频噪音。进一步的抽样在x f i x 2 中进行， 转换成1 - b i t 的串行数字数据流，通过d a c 转化成模拟信号传送到t i p r i n g 线路。 4 3 1 3d o 测量通路 为了测量t i p r i n g 、t i p g r o u n d 、r i n g g r o u n d 之间的d c 电压，a n i c 采用 与语音通路类似的滤波器结构，每一个电压以3 7 5 9 s 为间隔测量并存储在相关的寄存器中， 这些寄存器每1 1 2 5 毫秒更新一次。 4 3 1 4 音调检测 a n i c 有两个可编程检测器检测m o d e m 和携带来电用户号码的音调，它们都能产生一 个中断。 4 3 1 5 计次 携带计次信息的1 2 和t 6 k h z 信号可以被p s b 4 4 5 1 检测到，低于2 5 v r m s 的信号可以 直接被a n i c 接收，如果输入信号超过2 5 v r m s ，它将先被一个外部滤波器削弱。a n i c 能 通过中断处理信令计次。 4 , 3 1 6 振铃检测 a n i c 可以编程以探测振铃信号，并产生中断。可探测的铃流的电压范围是1 0 1 5 0 v 、 频率为10 - 8 0 h z 。 4 3 1 7 中断 $ c ar l r l i n g0 ri n t e r r u p ts o u r c e s 图4 1 3a n i c 中断结构 所有中断源至少维t 守t f s c = 1 2 5u s 以便让微控制器检测到。如图4 1 3 所示，中断源1 被中断控制器探测到，而中断源2 将被忽略掉。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 当丽低时表示一个中断，m c u 读取寄存器以决定中断源，同时擦除寄存器内容，所 有寄存器具有同等优先权。a n i c 中断源见表4 3 。 表4 3a n i c 中断源 类型名称说明 s t a r i cs i o s i l 通过数字分割接口检测a n i c a 的g p i 变化 s t a t i cr i n g i n d s 1 0 d o s i o d l 检澳 a n i c d 的g p l 0 的变化 s t a t i cr i n g 振铃信号检测 s t a t i cm e t 反极信号检测 d y n a m i c t o n e 可编程音调检测 d y n a m i c t h r e s h o l d t i p r i n g 、r i n g g r o u n d 或t i p g r o u n d 最大值检测 4 3 。2a n i c 接口 a n i c 接口包括网络接口、s c i 接口、p c m 接口。 4 3 2 1a n i c 网络接口 a n i c 网络接口主要连接t i p r i n g 线，并模拟用户电话机的各种动作，使交换机感觉 好像直接连在用户电话一样，具体连接图如图4 1 0 所示。 4 3 2 2p o m 接口 f s c 晰枷| 1 1 1 唧舢1 咖圈砷删肿珊舢咖 o a t * 些鉴奠l 些垡“k 丝亟坦毒岂韭蔓u 图4 1 4p c m 接口时间图 p c m 接口用于声音传输，它包括4 个脚：d a t c l k 、f s c 、d a t i n 和d a t o u t 。数 据速率从5 1 2 k b s 变化到2 0 4 8 k b s 。一帧最多包括3 2 个时隙，每个时隙有8 b i t 。f s c ( f l a m e s y n e ) 决定了接收和发送时隙的开始。d a t c l k 时钟使d a t o u t 和d a t i n 线路上的声音 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 传输同步。 图4 1 4 是p c m 接口的时间分配图。f s c 帧一共1 2 5 p s ，8 路信号的数据速率是5 1 2 k b s 。 4 3 2 3s c i 接口 s c i 接口用于和外部微控制器通信，a n i c 的内部配置寄存器、辅助端口、系数r a m ( c r a m ) 都可以通过s c i 接口编程。s c i 接口包括4 个脚：c s 、d c l k 、d i n 和d o u t 。 4 3 3a n i c 编程 a n i c 使用8 b i t 命令结构，读写配置寄存器和配置r a m 使用索引地址方式。i n d e x 寄 存器处于第0 页，比特i n d e x 为“0 ”，其它页中的寄存器可以用i n d e x 寄存器表示，设置 i n d e x 为“1 ”。具体的r e g i s t e r m a p 可以参考p s b 4 4 5 0 p s b 4 4 5 l 数据手册。 4 4 局端控制模块 局端控制模块功能主要有m c u 完成，本系统需要1 6 位臼勺m c u ，我们选用p h i l i p s 公 司的x a g 3 0 。 4 4 。1 微控制器x a - g 3 0 概述 众所周知，传统8 位微控制器以i n t e l 公司1 9 8 0 年推出的8 0 5 1 为代表，8 0 5 l 已成为 世界上集成电路设计最广泛使用的一种结构。p h i l i p s 公司在1 9 8 4 年推出了8 0 c 5 l ，8 0 c 5 1 是在8 0 5l 结构的基础上为提高m c u 性能而开发的。有如下优点： 1 ) 集成度高：8 0 c 5 1 内部包含4 k 字节的r o m 、1 2 8 个字节的r a m 、4 个8 位并行 口、一个全双工串行口、2 个1 6 位定时器计数器以及一个处理能力很强的中央处理器；2 ) 系统结构简单：8 0 c 5 1 芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系 统和引脚兼容的新产品；3 ) 可靠性高：总线大多在芯片内部不易受干扰，而且应用系统 体积小容易采取屏蔽等措施；4 ) 处理功能强，处理速度快：具有加、减、乘、除指令和 各种逻辑运算和转移指令，还具有十分有用的位操作功能，而且具有特殊的多机通讯功能， c p u 时钟最高可达1 2 m h z ；5 ) 容易产品化：具有体积小、可靠性高、功能强、价格底等 特点，容易形成产品，被誉为“最佳的8 位单片微机”。 x a - g 3 0 ( e x t e n d e dh r c h i t e c t u r e ) 是p h i l i p s 公司推出的一种高性能、扩展结构与8 0 c 5 1 兼容的1 6 位c m o s 微控制器，其具有以下结构特征：与标准8 x c 5 1 核( 汇编源程序级) 向 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 后兼容；2 4 位寻址范围( 1 6 m b 程序代码和数据空间) ；1 6 位静态c p u ：可使用1 6 位字和8 位字节的扩展结构；扩展指令集；高的程序代码效率，大多数指令为2 4 字节；快速的1 6 1 6 乘法和3 2 1 6 除法指令；1 6 位堆栈指针和通用指针寄存器；支持3 2 个矢量中断( 3 1 个可 屏蔽中断和一个不可屏蔽终端) ；支持1 6 位硬陷阱和1 6 位软陷阱；对多任务软件的硬件支 持。 p h i l i p s 扩展结构的x a 是一种通用寄存器一一寄存器结构的高速微控制器，其通过使 用现代技术提供了最高的性能价格比。作为一个强功能的、通用的1 6 位控制器，x a 把多 任务与保持面向位操作的能力结合起来。 定堕；h 图4 1 5x a - g 3 0 内核结构 图4 1 5 展示了x a g 3 0 的内核结构。x a g 3 0 处理器由以下几个功能块组成：取址和 译码、执行单元、算术逻辑单元( a l u ) 、异常控制器、中断控制器、寄存器堆和核寄存 器、程序存贮器( r o m 或e p r o m ) 、数据存贮器( r a m ) 、s f r 和外部总线接口、振荡 器、片上外设和i o 口。x a 核采用部分流水方式及并行完成某些c p u 功能。x a 核中的 数据操作是由一个1 6 位的a l u 完成的，它既可以提供8 位，也可以提供1 6 位功能，它 还包括特殊电路以提供3 2 位功能，如移位、乘法和除法。x a 核包括几个可被程序访问的 关键特殊功能寄存器。系统配置寄存器( s c r ) 设置x a 的基本操作方式。程序状态字( p s w ) 包含a l u 运算结构的状态标志、四个寄存器堆组的寄存器选择位、中断屏蔽位和其他系 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章用户线路倍增系统硬件设计与实现 统标志。数据段( d s ) 、附加段( e s ) 和代码段( c s ) 寄存器包含激活数据存贮器段的段 数。段选寄存器( s s e l ) 包含有通过寄存器堆中每一个指针寄存器，确定哪一个段寄存器 被使用的位。电源控制寄存器( p c o n ) 中的位控制处理器的节电方式。执行与控制模块 从程序代码存贮器中取值并在执行前译码。通常x a 试图超前于执行单元立即需要的指令 从代码存贮器中取值。这些超前取出的指令存放在取值和泽码单元中的7 个字节队列中。 如果取值单元队列中已有指令，则执行单元准备执行新指令时不必等待取值；如果程序分 支执行，则队列更新，并且从新地址取值，这个功能模块也决定是从片上，还是从片外代 码存贮器取值。指令执行期间，由执行单元控制c p u 许多其他模块，它发送寻址信息，向 寄存器堆和存贮器控制块送出读和写命令，分支时通知取指和译码单元，控制堆栈，并保 证所有这些操作按正确的顺序执行，执行单元在执行每条指令时从微代码r o m 获取控制 信息。 l 厂 乳 嚣= 二= 球 匙 。 篙i 暮警 a o r - 黼l 鲁 图4 1 6x a g 3 0 逻辑图 图4 1 6 所示是x a g 3 0 的逻辑图，其中，v s s 是地，v d d 是电源输入；口0 是具有可 由用户配置输出类型的8 位输入，输出口，引脚工作于输入和输出取决于所选择的口配置， 每条口引脚被独立配置，当使用外部程序数据总线时，口0 变为分时复用的低八位数据 指令字节和4 1 1 位地址线；1 2 1l 是具有可由用户配置输出类型的8 位输入输出口，引脚 工作于输入和输出取决于所选择的1 2 1 配置，每条口引脚被独立配置：v i2 具有可由用户配 置输出类型的8 位输入，输出口，引脚工作于输入和输出取决于所选择的口配置，每条口引 脚被独立配置，当外部程序数据总线用于1 6 位方式，口2 变成为分时复用的数据，指令高 字节和地址位线1 2 1 9 ，当外部程序，数据总线用于8 位方式，在口2 出现的地址位线数 鬻凛焉 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章用户线路倍增系统碗件设计与实现 目可由用户编程；口3 具有可由用户配置输出类型的8 位输k 输出1 2 ，引脚工作于输入和 输出取决于所选择的口配置，每条口引脚被独立配置；r s t 引脚为低电平复位微控制器， 引起i o 口和外设出于其缺省状态，并且处理器由复位向量中的地址开始执行；e a 输入 引脚决定m c u 内部程序存贮器是否用于代码执行，当外部复位输入释放时，e a 引脚数值 被锁存，并在以后的执行中应用，复位释放后，该引脚作为总线等待输入功能，在外部总 线任何访问期间，若等待被插入高电平，周期将被扩展直至等待释放；p s e n 是程序选通 开放引脚，当m c u 访问外部程序存贮器时，p s e n 被驱动为低电平，必须丌放存贮器器 件；a l e 是地址锁存开放编程脉冲，正常工