（通信与信息系统专业论文）sdh中e1vc4复用解复用系统的设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耙屯 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：丛导师签名 山东大学硕士学位论文 摘要 作为新一代的传输技术，同步数字体系以其具有全球统一的标准接口、灵活 的电路调度和网络管理方式、高可靠性的自愈能力、高速率、大容量、低成本等 优点，迅速替代准同步数字体系( p d h ，p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 而成为 主要的传送网体制，并且日益向用户接入网方向发展。 在s d h 中，传输信号的基本构成是1 5 5 5 2 m b i t s 的第一级同步传送模块s t m l ( s y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d u l e ，同步传送模块) ，s t m - 1 承载的业务信号的种类 和范围非常广泛。n 个s t m - i 可以通过字节间插复用成更高速率的s t m - n 信号。 由于网络经营者不可能全部放弃现存的p d h 网，因此，s d h 必须可以在p d h 环境 下使用，即有效的兼容现存的p d h 网。 为了与现有的p d h 网络兼容，s d h 网络节点需要提供接入p d h 多种速率等 级信号的能力，其中2 0 4 8 m b i t s 支路信号e l ( e l e c t r i c a li n t e r f a c es i g n a l ，电接口 信号) 作为公用网中基本传输速率接口，应用极为广泛，因此实现2 0 4 8 m b i t s 支 路信号e 1 与s t m 1 的上插，下分是实现p d h 与s d h 兼容的重要部分。 本论文所研究的内容为e l c _ 4 复用解复用系统( v c - 4 为s t m - l 的净负荷) ， 它可以支持四路e 1 支路信号复用到v c - 4 或者从v c - 4 解复用恢复e l 信号，这里提 到的e l 信号可以是h d b 3 ( h i g h d e n s i t y b i p o l 盯) 正负双极性信号也可以是n r z ( n o n r e t u r nt oz e r o ) 。该系统可用作分插复用器、终端复用器以及双单向环、单单向 环。 本论文从系统设计的角度介绍了e i v c - 4 复用解复用系统的整体设计方案， 并进行了功能和模块划分。本系统设计采用了当今集成电路设计中所广泛采用的 自项向下( t o p - - d o w n ) 的设计方法，用硬件描述语言v e r i l o g 对各电路功能模块 进行了设计描述。使用s y i i 叩s y s 公司的v c s t l 7 1 、d e s i g nc o m p i l e r t l 司对这些电路模 块迸行了仿真和综合，使用o u a r t u s 仿真工具对这些电路模块功能仿真，并采用 a l t e r a 公司的f p g a ( c y c l o n e 系列) e p i c 6 t 1 4 4 c 8 器件作为验证平台进行了 f p g a 验证。 关键词：同步数字体系；自项向下；v c r i l o g ；复用；映射；异步f i f o ； 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h en e wg e n e r a t i o no ft r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s d h ( s y n c h r o n o u sd i 西t a l h i e r a r c h y ) p o s s e s s e sm a n ys u p e r i o rf e a t u r e s ，s u c ha sg i o b a lu n i f o r ms t a r d a r di n t e r f a c e ， i n t e l l i g e n tc i r c u i ta l l o c a t i o na n dn e t w o r ka d m i n i s t r a t i o n , h i g hr e l i a b l es e l f - s t a b i l i z a t i o n 1 l i g hs p e e d v a s tc a p a c i t ya n d l o wc o s t s d hh a dr a p i d l yr e p l a c e dp d h ( p l e s i o e h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ) a n db e c a m et h ed o m i n a n tt r a n s m i s s i o nn e t w o r ks y s t e m n o ws d hi s al e a d i n gt e c h n o l o g yi nf i b e rc o m m u n i c a t i o na n di si n c r e a s i n g l yb r o a d e n i n gi t sr e a c ht o c l i e n ta c c e s sn e t w o r k t h eb a s i ct r a n s m i s s i o ns i g n a li ss t m l ( s y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d u l e - i ) ，w h i c h c a nc a r r yv a r i o u st r a f f i ca n ds u p p o r ta l a r g er a n g eo f s i g n a lr a t e s ns t m l sm a k eu pa h i 咖s p e e ds t m - ns i g n a lb yb y t ei n t e r l e a v ea n dm u i t i p l e x i n g s i n c et h ee x i s t i n gp d h n e t w o r kc a nn o tb ew h o l l ya b a n d o n e dd u r i n gas h o r tp e r i o d ，s d hn e t w o r k sn e e dt o c o e x i s tw i t hp d h n e t w o r k s c o n s e q u e n t l y , t h ee f f e c t i v ec o m p a t i b i l i t yw i t hp d h i sa n e s s e n t i a lc o n s i d e r a t i o no fs d h ，a n dn o d ei ns d hn e t w o r km u s tp r o v i d ea c c e s sa b i l i t y f o rp d h s i n g a li nm u l t i p l er a t el e v e l b e c a u s ee l ( e l e c t r i c a li n t e r f a c es i g n a l - ni st h e p r i m a r ya n dp e r v a s i v ei n t e r f a c ei np u b l i ct e l e p h o n en e t w o r k , r e a l i z i n ge 1s i g n a l s a d d i n gt o d r o p p i n gf r o ms t m 一1s i g n a li sv e r yi m p o r t a n tf o rc o m p a t i b i l i t yw i t hp d h t h i sp a p e rs t u d i e st h ee i n c - 4m u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n gs y s t e m , w h i c hc a n s u p p o r tm u l t i p l e x i n gf o u rt r i b u t a r ye ls i g n a l si n t oav c - 4s i g n a lo rd e m u l t i p l e x i n g v c 4s i g n a la n dr e s t o r i n ge 1s i g n a l t h ec o d i n gf o r m a to fe 1c a nb eh d b 3o rn r z t h i ss y s t e mc a l lb eu s e di ns d hn o d ef a c i l i t i e ss u c ha sa d m ，t m ，d u a l - u n i d i r e c t i o n r i n ga n ds i n g l e u n i d i r e c t i o nr i n g t h i s p a p e rp r e s e n t s aw h o l e d e s i g n s c h e m eo fe 1 v c - 4 m u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n g c i r c u i tf r o ms y s t e m l e v e l p e r s p e c t i v e t h ef u n c i t i o n d e f i n i t i o na n dm o d u l ep a r t i t i o ni sd i s c u s s e d t h i sd e s i g na d o p t st h et o p d o w nd e s i g n m e t h o dw h i c hi su s e dw i d e l yi na s i cd e s i g ni n d u s t r y v e r i l o gh d li su t i l i z e da s d e s c f i p t i o na n dt e s ta p p r o a c ht h r o u g ht h i sd e s i g n s i m u l a t i o na n dv a l i d a t i o n i s p e r f o r m e do ns y n o p s y sc o r p se d ap l a t f o n nv c s i o g l cs y n t h e s i si si m p l e m e n t e d u s i n gd e s i g nc o m p i l e r , d a n y m i et i m i n gs i m u l a t i o ni se x e c u t e du s i n gq u a n 邺i i f i n a l l y f p g a p h y s i c a lv e r i f i c a t i o ni sc o m p l e t e do na l t e r ac o r p sc y c l o n es e r i e sf p g ad e v i c e e p lc 6 t 1 4 4 c 8 2 k e yw o r d s ：s d h ，v e r i l o g ，m a p p i n g d e m a p p i n g ， m u l t i p l e x i n g d e m u l t i p l e x i n g , a s y n c h r o n o u sf i f o ，f p g a 山东大学硕士学位论文 第一章前言 从8 0 年代中期开始，随着大规模集成电路技术，光传输技术和时钟技术的进 步，光纤通信在通信网中得到了广泛的应用。其应用场合已逐步从长途通信、市 话局间中继通信转向接入网。光纤通信正以其廉价及优良的带宽特性而成为电信 网的主要传输手段。与此同时，随着通信技术的发展、电信业务种类的增加以及 用户要求的提高，基于点到点的准同步p d h 系统已暴露出了一些固有弱剧“。同 步数字体系s d h 作为一种新的数字传输体制，以其自身的优越性，正在取代p d h 而成为通信网的主要传输方式。 1 1p d h 技术及其局限性 上世纪8 0 年代中期，通信传输系统设备采用的是准同步数字体系( p d h ， p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 。p d h 网是在原有模拟电话网的基础上，引入脉 冲编码调制数字传输技术而发展起来的。p d h 基于点对点连接，参与复接的各支 路码流时钟与合路码流时钟在一定的容差范围内标称相等，采用比特塞入技术调 整码流速率，进行同步复接。准同步数字体系p d h 获得了相当广泛的应用。但随 着技术的进一步发展，尤其是光纤的出现，其庞大的传输容量，使更快、更好地 传输语音、数据等成为可能。传统的p d h 传输体制日渐暴露出其固有的缺陷，主 要体现在以下几个方面【3 】： 1 接口方面 p d h 传输体制只有地区性的电接口规范，不存在世界性标准。现有的p d h 数 字信号序列包括三种信号速率等级：欧洲系列、北美系列和日本系列。各种信号 系列的电接口速率等级以及信号的帧结构、复用方式都不相同，造成了国际互通 的困难，不适应当前随时随地便捷通信的发展趋势。为了完成设备对光路上的传 输性能进行监控，各厂家各自采用自行开发的线路码型，致使不同厂家的设备无 法实现横向兼容。这样在同一传输线路两端必须采用同一厂家的设备，给组网、 管理及网络互通带来困难。 2 复用方式 准同步系统p d h 的复用结构除了几个低速率的信号采用同步复用外，多数等 3 山东大学硕士学位论文 级的信号采用异步复用，即靠塞入一些额外比特使各支路信号与复用设备同步并 复用成高速信号，难以从高速信号中识别和提取低速支路信号复用结构复杂且不 灵活，硬件数量大，上下业务费用高，数字交叉连接功能的实现十分复杂。 3 运行维护方面 p d h 信号的帧结构中用于运行维护工作的开销字节不多。这不利于完成对传 输网的分层管理、性能监控、业务的实时调度等。 4 网管接口方面 。 p d h 传输体制没有统一的网管接口，不利于形成统一的电信管理网。 5 应用范围方面 p d h 是为话音业务而设计的，所以不具有大宽带和多业务能力，p d h 网的基 础是点对点连接，难以提供网络拓扑的灵活性。 由于上述的种种缺陷，使p d h 传输体制越来越不适应于传输网的发展，于是 一种更先进数字传输标准诞生了，这就是同步数字体系s d h 。 1 2s d h 技术及其优越- 性 为了解决p d h 存在的诸多问题，1 9 8 4 年美国贝尔通信研究所( b e l l e o r e ) 首 先将光纤传输技术和智能网元技术结合，提出了同步光网络( s o n e t ，s y n c h r o n o u s o p t i c a ln e t w o r k ) 的概念。1 9 8 8 年，国际电报电话咨询委员会c c i t t 接受了美国 s o n e t 概念，重新命名为同步数字体系s d h ，并在光电接口、设备功能及性 能、管理控制等方面作了大量修改，相继制定了多个标准，使之成为世界范围内 统一的数字传输标准。使之成为光纤、微波和卫星通信的通用技术体制伫】【3 】。在随 后的几年间，r r u - t 又多次通过或修改了一系列有关s d h 国际标准的建议，形成 s d h 的基本框架，在世界范围内就s d h 的基本软硬件问题达成一致的协议。从此， s d h 在世界范围内进入了大发展时期。作为一种全新的传输体制，与p d h 相比， s d h 系统具有以下优点【4 】： ( 1 ) s d h 采用统一的接口标准，使得p d h 的三个地区性标准在s t m 1 等级上获得 统一，从而真正实现了世界性的数字传输体制标准。 ( 2 ) s d h 采用同步复用方式和灵活的映射复用结构，各种不同等级的码流在帧结 构的净负荷内的排列是有规律的，而且净负荷与网络是同步的，因而只需 软件即可使高速信号直接分插低速信号，避免了p d h 逐级进行的复用解复 4 山东大学硕士学位论文 用，节省了全套的背靠背复用设备，从而简化了数字复接和分接过程。 ( 3 ) s d h 信号的帧结构中有丰富的用于运行管理维护( o a m ) 功能的开销字节。 p d h 信号中开销字节不多，在对线路进行性能监控时，还要通过在线路编码 时加入冗余比特来完成。s d h 信号丰富的开销字节，加强了网络的监控功 能，使系统的维护费用大大降低。而在通信设备的综合成本中，维护费用占 相当大的一部分，因此s d h 系统的综合成本要比p d h 系统的综合成本低，据 估算仅为p d h 系统的6 5 8 。 ( 4 ) s d h 具有完全的前向兼容性和后向兼容性。当前，由于p d h 传输网大量存 在，在今后相当长的一段时间内，将出现s d h 与p d h 共存的局面。s d h 有 很强的兼容性，这就意味着当组建s d h 传输网时，原有的p d h 传输网不会 作废，两种传输网可以共同存在。即可以用s d h 网传送p d h 业务。另外， 异步转移模式的信号( a t m ) 、f d d i 信号等其他体制的信号也可用s d h 网 来传输。 ( 5 ) 强大的自愈能力。具有智能检测的s d h 网管系统和网络动态配置功能，使 s d h 网络容易实现自愈，在设备或系统发生故障时，能迅速恢复业务，提 高网络的可靠性，降低维护费用。 正是这些p d h 无法比拟的特点使得s d h 一经出现，就显示出了强大的生命 力，成为光通信领域重要的技术标准，在通信网中应用的领域越来越广泛【5 】。 1 3 本论文的选题背景、内容及研究意义 s d h s o n e t 的概念从提出到现在经历了一个迅速的发展过程，全球各大通 信公司纷纷投入大量的人力财力研制开发s d h 设备并相继推出了一些系列产品 ( f a m i l yo fp r o d u c t ) 。与此同时，与之相对应的s d h 专用芯片的研发也得到了充 分的重视，在s d h 专用芯片的设计方面，国外比国内起步要早，现在已有几家公 司如l u c e n t ，p m c 等己可以提供s d h 方面的成套芯片。为了增强国产设备的可靠 性，降低生产成本，提高国产设备在市场上的竞争力使之能与大量涌入国内市场 的进口设备相抗衡，迫切需要开发有自主知识产权的专用集成电路来构成s d h 系 统。 s d h 是一个很复杂的网络系统，其构成单元是多种多样的，开发s d h 产品 时，不可能一次开发出如此众多复杂设备的芯片，需要分阶段有步骤地逐步研制 山东大学硕士学位论文 开发。为了与现有的p d h 网络兼容，s d h 网络节点需要提供接入p d h 多种速率等 级信号的能力，其中对2 0 4 8 m b p s 的e 1 信号的支持是必不可少的，即实现 2 0 4 8 m b i t s 支路信号e l 与s t m 1 的下分下插是实现p d h 与s d h 兼容的重要部分。 本设计中的e 1 n c - 4 复用解复用系统可以在2 0 4 8 m b i t s 信号与s t m l 信号之 间进行四路信号上插或下分，是一种典型的分插复用器( a d m ，a d d d r o p m u l t i p l e x e r ) 。 本论文根据r r u t 建议，从总体结构的角度介绍了e l c - 4 复用解复用系统的 整体设计方案，并进行了功能划分和模块划分。采用了当今集成电路设计中所广 泛采用的自顶向下( t o p - - d o w n ) 的设计方法，用硬件描述语言v e r i l o g 作为设 计输入进行电路模块的设计，并使用s y n o p s y s 公司的v c s 、d e s i g nc o m p i l e r 齐j 设 计的电路模块进行了综合仿真，使用q u a r t u s i i 仿真工具对这些电路模块功能仿 真，并采用a l t e r a 公司的f p g a ( c y c l o n e 系列) e p l c 6 t 1 4 4 c 8 器件作为验证平 台对部分模块电路进行了f p g a 验证。 6 论文的各章内容安排如下： 第一章前言 第二章s d h 的帧结构和复用解复用原理 第三章系统总体设计思路 第四章系统各子模块的功能及电路实现 第五章结束语 山东大学硕士学位论文 第二章s d h 的帧结构和复用解复用原理 2 1s d h 帧的基本结构 r r u - t 【8 1 己经规定了四个等级的s d h 信号。如下图2 1 所示。 s d h 等级信号比特率( k b i t s ) s t m 一11 5 5 5 2 0 s t 哺一46 2 2 0 8 0 s t m 1 62 4 8 8 3 2 0 s t m 一6 49 9 5 3 2 8 0 图2 - 1s d h 信号的等级 1 1 r u - t 规定了s t m - n 的帧是以字节8 b i t 为单位的矩形块状帧结构。如图 2 - 2 所示s t m - n 的信号是9 行x 2 7 0 n 列的帧结构。此处的n 与s t m - n 的n 相一 致，取值范围l 、4 、1 6 、6 4 表示此信号由n 个s t m - 1 信号通过字节间插复用而 成。由此可知s t m 1 信号的帧结构是9 行2 7 0 列的块状帧。 图2 - 2s t m - n 帧结构图 s d h 信号帧传输的原则是：帧结构中的字( 8 b i t ) 从左到右，从上到下，一个 字节一个字节( 一个比特一个比特) 的传输，传完一行再传下一行。传完一帧再 传下一帧。传送一帧的时间为1 2 5p s ，即帧频为8 0 0 0 * h i s 。 s t m - n 的帧结构由3 部分组成：段开销，包括再生段开销( r s o h ) 和复用段 7 山东大学硕士学位论文 开销( m s o h ) ；管理单元指针( a u - p t r ) ；信息净负荷( p a y l o a d ) 。 段开销( s o h ) 是为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运 行、管理和维护( o a m ) 使用的字节。段开销又分为再生段开销( r s o h ) 和复 用段开销( m s o h ) ，分别对相应的段层进行监控。再生段开销( r s o h ) 在s t m - n 帧中的位置是第1 到第3 行的第l 到第9 x n 列，共3 x 9 x n 个字节。复用段开销 ( m s o h ) 在s t m - n 帧中的位置是第5 到第9 行的第1 到第9 x n 列，共5 x 9 x n 个节。 与p d h 信号的帧结构相比，段开销丰富是s d h 信号帧结构的一个重要的特点。 管理单元指针( a u p t r ) 位于s t m - n 帧中第4 行的第l 到第9 x n y u ，共9 x n 个 字节。a u p t r 是用来指示信息净负荷的第一个字节在s t m - n 帧内的准确位置的 指示符，以便接收端能根据这个位置指示符的值正确分离信息净负荷。 信息净负荷( p a y l o a d ) 是在s t m - n 帧结构中存放将由s t m n 传送的各种信息 码块的地方，其中还含有监控开销字节通道开销字节( p o h ) 。 s d h 的基本传输单元s t m 1 帧共有9 x 2 7 0 个字节，帧周期1 2 5 p s ，所以比特率 为1 5 5 5 2 m b i 魄。 2 2s d h 的复用解复用步骤 各种信号装k s d h 帧结构的净负荷区都需经过映射、定位和复用三个步骤。 ( 1 ) 映射 映射相当于一个信号打包的过程，是指在s d h 网络边界处使各种支路信号适配 进虚容器的过程，其实质是使各种支路信号和相应的虚容器同步。具体操作时， 先将各种速率等级的支路信号装入相应的接口容器c n ，由容器c - n 对来自不同方 向因而频率和相位可能略有差异的支路信号进行容差调整，适配为具有标准速率 的信号。我国定义c 1 2 对应速率是2 0 4 8 m b i t s ，c 一3 对应速率是3 4 3 6 8 m b i t s ，c _ 4 对应速率是1 3 9 2 6 4 m b i t s 。由标准容器出来的数字流加上通道开销p o h 后就构成了 虚容器( v c n ) ，这个过程就是映射。 映射方式可分为异步映射和同步映射两种方式。当支路时钟与容器或虚容器的 时钟相互独立时，采用异步映射方式；当映射信号具有块状帧结构并与网络同步 时，可采用同步映射。 ( 2 ) 定位 定位即加入调整指针，以记录数据信息v c - n 在相应的a u 或t u 帧的起点位置， 山东大学硕士学位论文 使信息码流在相应的帧中灵活动态的定位，因此可以校正支路信号频差和实现相 位校准。由v c - n 出来的数字流加上频偏移信息( 指针) ，再进入管理单元a u - a 或 支路单元t u - n ，这其中的适配过程，也就是复用结构中的定位效准过程。 ( 3 ) 复用 复用是一种将多个低阶通道信号适配进高阶通道或多个高阶通道信号适配进 复用段的过程。s d h 的复用包括两种情况；一种是低阶的s d h 信号复用成高阶 s d h 信号；另一种是低速支路信号( 例如2 m b i t s ，3 4 m b i f f s ，1 4 0 m b i t s ) 复用成 s d h 信号s t m _ n 。 第一种情况，复用的方法主要通过字节问插复用方式来完成的。复用的个数 是4 合l ，i l p 4 x s t m - i 组成s t m _ 4 ，4 x s t m - 4 组成s t m 1 6 。在复用过程中保持帧频 不变8 0 0 0 帧秒，这就意味着高一级的s t m - n 信号是低一级的s t m - n 信号速率的4 倍。在进行字节间插复用过程中，各帧的信息净负荷和指针字节按原值进行间插 复用，而段开销则会有些取舍。 第二种情况用得最多的就是将p d h 信号复用进s t m - n 信号。s d h 采用自己独 特的一套复用步骤和复用结构，在这种复用结构中通过指针调整定位技术来取代 1 2 5 b t s 缓存器用以校正支路信号频差和实现相位对准，各种业务信号复用进 s t m - n 帧的过程都要经历映射、定位、复用三个步骤。 r r u - tr e c g 7 0 7 y 1 3 2 2 规定了一整套完整的复用结构( 也就是复用路线) 。 通过这些路线可将p d h 的3 个系列的数字信号以多种方法复用成s t m - n 信号【9 】。 r r u - t 规定的复用路线如图2 3 所示。 图2 - 3 ( 3 , 7 0 7 复用映射结构 从图2 - 3 中可以看到此复用结构包括了一些基本的复用单元：c 一容器 9 = = 一 山东大学硕士学位论文 ( c o n t a i n e r ) 、v c 一虚容器( v i r t u a l c o n t a i n e r ) 、t u 一支路单元( t r i b u t a r y u n i t ) 、 t u g 一支路单元组( t r i b u t a r y u n i tg r o u p ) 、a u 一管理单元( a d m i n i s t r a t i v eu n i t ) 、 a u g 一管理单元组( a d m i n i s t r a t i v eu n i tg r o u p ) ，这些复用单元的下标表示与此 复用单元相应的信号级别。在图中从一个有效负荷到s t m - n 的复用路线不是唯一 的，有多条路线，也就是说有多种复用方法。例如2 0 4 8 m b i t s 的信号有两条复用 路线，也就是说可用两种方法复用成s t m - n 信号。 解复用是复用过程的反过程 2 3 我国目前使用的s d h 复用结构和过程 我国的数字网由于采用以2 0 4 8 m b i t s 为基群的p d h 系列，因而在规范s d h 的 技术体制时( 参见中华人民共和国邮电部1 9 9 4 年1 月颁布的“光同步传输网技术体 制，【刀) 规范了我国的s d h 基本复用结构。规定了2 m b s 信号为基础的p d h 系列作 为s d h 的有效负荷，并选用a u - 4 的复用路线，其结构见图2 - 4 所示。 图2 4 我国的s d h 基本复用映射结构 如图所示，在不违背g 7 0 7 规定下的前提下，在我国只使用了2 m b i t s ， 3 4 m b i t s ，1 4 0 m b i t s 三种p d h 速率。 一个p d h 信号映射迸相应的s d h 复用结构中的容器，意思是指p d h 信号的 元素( 比特) ，经变换关系( 这里就是按排列顺序) 成为容器中唯一位置上的元 素( 比特) 。实际的变换关系包含更多的内容，例如码速调整( 将p d h 信号的速 率调整或适配到对应容器c - n 的速率再装人c n 之中) ，又如加入通道开销构成 虚容器v c - n 。 在本设计中用到了2 0 4 8 m b i t s ( e 1 支路信号) 【8 】到s t m 1 的映射和复用，在 此用到了映射和前面介绍的第二种复用方法，在此作一下简单介绍。如图2 5 所示 1 0 = 山东大学硕士学位论文 e l 到s t m - i 的映射复用结构图1 1 2 1 。 t - 叵亘 - 一，叵 咂运卜咂至卜咂亟卜 臣至三卜咂三1 广岖叵卜岖亘四 复用+ 映射一十 嚣 箍 二二： 图2 - 5e i 到s t m - 1 的映射复用结构图 从图2 5 图中可看出，准同步信号e l 经码速调整进入容器c - 1 2 ，加上低阶通 道开销映射入虚容器v c - 1 2 ，经指针调整被适配到支路单元t u 1 2 中，由t u 1 2 开始实现低阶信号向高阶信号的复用。3 个t u 1 2 通过字节间插复用成1 个支路单 元组t u g - 2 ，7 个t u g 2 通过字节间插复用成1 个支路单元组t u g - 3 ，3 个t u g - 3 通过字节间插复用进入虚容器v c - 4 。然后再经过指针调整适配进管理单元a u - 4 及管理单元组a u g 。最后加上段开销部分构成s d h 的s t m 1 帧。 从图2 。5 可以看出，在s t m 1 信号中有专门载送2 0 4 8 k b i t s 信号的包装箱， 即容器c 1 2 ，c 1 2 的帧可用图2 - 6 来描述。 3 6 字节 3 5 j 2 k 1 2 v c 一1 2 璺璺璺璺呈曼璺里l 丝兰羔l 璺璺璺璺璺旦璺璺 c 1c 200oorr l3 2 字节lrrrr rr rr c 1c 2oooorr i3 2 字节irr rrrr r r c 一1 2 - - ，1 c lc 2 rrrr 璺璺! i 翌墼皇堇i 旦璺璺璺垦璺土旦 s 2 比特包含在3 2 字节中 图2 - 6c 1 2 、v c - 1 2 和t u - 1 2 的帧结构 在图2 - 6 中看到c - 1 2 帧可看成由4 个基帧组成的复帧结构，因为每个s t m - i 帧只能传送一个基帧，所以一个c 1 2 帧通过4 个连续的s t m 1 帧传送，c 一1 2 帧 周期为s t m 1 帧周期的4 倍为5 0 0 i t s ( 4 x 1 2 5t t s ) ，帧频为2 k h z ，帧长1 0 8 8 比 特。2 0 4 8 m b i t s 的信号以正零负码速调整方式装入c - 1 2 。在c - 1 2 帧中，8 个0 ” 比特是信道开销，监控e 1 支路；4 9 个r 比特是固定插入比特；c i 和c 2 比特为 塞入控制比特，共6 个比特，s l 、s 2 比特用于码速调整。3 个 c i ”比特是负码速 山东大学硕士学位论文 调整控制比特，控制一个负调整机会比特s i ；s i 比特在正常情况下不传信息， 在负调整情况下用来传送信息，称为负调整机会比特。s 2 比特在正常情况下传信 息，在正调整情况下不传送信息( 临时填充) ，称为正调整机会比特。3 个 c 2 ”比 特是正码速调整控制比特，其控制1 个正调整机会比特s 2 。当 c 1 c 1 c 1 ”等于 0 0 0 ”时，s l 是信息比特，当“c 1 c i c l ”等于“l ”时，s l 是调整比特，c 2 控制s 2 与c l 控制s i 完全相同。 在c 1 2 的基础上，加上4 个开销字节( v 5 ， j 2 ，n 2 和k 4 ) 便构成虚容器 v c 1 2 ，对应的速率为2 2 4 0 m b i t s 。v c 1 2 加上4 个指针字节( v l ，v 2 ，v 3 和 v 4 ) 成为支路单元t u - 1 2 ，对应速率为2 3 0 4 m b i t s 。三个1 u 1 2 复用成一个支路 单元组t u g 2 ，七个t u g - 2 复用成一个t u g 一3 ，再有三个t u g 3 复用成一个 v c - 4 ，最后加上管理单元a u - 4 指针装入a u g ，再加上段开销s o h 构成s t m 1 帧。 v c - 4p o h 中的h 4 字节用做指示有效净负荷的复帧类别的位置，可用来识别 下一个v c - 4 净负荷的帧相位，其中h 4 的( b 7 ，b 8 ) 作为复帧位置指示，如图中所 示h 4 的第7 第8 为“o l ”，其表示本帧为v c - 4 的0 ”帧，传送的是t u 1 2 的头一 个子帧，下一个帧为v c - 4 的“l ”帧。如图2 7 所示， j l v 1v 5ri b 3iiii c 2iiii g i 8c o l f i x e d iiii f 2 iiii h 4 ( 0 1 ) i n s e r tb y t e s i i ii f 3 iii i l ( 3 iiii n 1iiir lz345 ，l 州a - d7 3 + n - i )1 3 6 + ( a - i )1 9 9 + ( a - i ) 图2 7v c 4 帧 h 4 字节起到复帧指针的作用【6 】o 由于本设计t u 1 2 工作在浮动模式，因此采 用h 4 字节的简化编码方案，此方案提供5 0 0 i _ t sg 帧t 6 j ，如2 8 图所示。 山东大学硕士学位论文 123 4 5 6 7 8 帧时间 11 0oo o ll 0ll l1 lo 2 ll ll 3 5 0 0 1 1 s t u 复帧 图2 - 8h 4 字节的简化编码序列 山东大学硕士学位论文 第三章系统总体设计思路 本章首先介绍了本系统设计的技术要以及所采用的设计方法和设计流程，然 后根据设计要求，从总体结构的角度介绍了e 1 v c - 4 复用解复用系统的功能设计和 模块划分及系统总体设计技术路线。该系统可用作分插复用器、终端复用器以及 双单向环、单单向环。四路e l2 0 4 8 m b i v s 信号可以异步地映射复用至0 v c - 4 或者从 v c - 4 解复用到e l 信号。 3 1 系统设计的要求 ( 1 ) 共有4 个独立的信号通道，每个信号通道完成2 0 4 8 m b i t se 1 信号到v c 一4 的映 射解映射。 ( 2 ) 系统侧采用双总线方式。下话时可选择来自东向总线和西向总线的数据和时 钟，实现低阶通道的子网保护功能；上话时可在不同的时钟指挥下同时向 东向总线和西向总线发送同一数据。 ( 3 ) 支持时隙分配倒换和集中功能。分插时可以将t u 1 2 通道数据指定至w c - 4 中 的任意时隙位置；分接时可以从v c - 4 的任意时隙获取t u - 1 2 数据。 ( 4 ) 系统总线为全字节( 8 比特) 并行方式，时钟频率为1 9 4 4 m h z 。 ( 5 ) 采用2 0 4 8 m b i v se 1 信号到c 1 2 的异步映射方式。 ( 6 ) 可选择h d b 3 双极性码或n r z 码的e l 线路接口数据形式。 ( 7 ) 4 个t u 1 2 通道具有独立的v c 一1 2 和( 2 - 1 2 开销分插和处理功能。 ( 8 ) 采用自适应比特泄漏电路方法抑制t u 指针调整产生的抖动。 3 2 系统采用的一般设计方法介绍 电子设计自动化( e d a 。e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 采用自顶向下的设计方法 ( t o p d o w n ) t 】，首先从系统设计入手，在顶层进行功能的划分和结构设计，在功能 一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言( 如v e d l o g ) 对高层次的系统行为进行描 述，在系统级进行验证，然后利用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路网 表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。设计人员只需输入 系统的行为和功能描述，综合、优化、仿真及验证都通过计算机来自动完成。 1 4 山东大学硕士学位论文 与传统的电原理图输入设计方法相比，t o p - d o w n 1 5 1 设计方法具体有以下优点： ( 1 ) 由于系统的行为和功能描述完全独立于硬件电路的结构，在设计的最初 阶段，设计师可不受电路结构的约束，致力于系统的设计，避免了传统设计方法 带来的重新再设计风险，大大缩短了设计周期。 ( 2 ) 芯片选择更加灵活。设计师可以在较短的时间内采用各种结构芯片来完 成同一功能描述，从而在设计规模、速度、价格及系统性能要求等方面进行平衡， 选择最佳结果。 ( 3 ) 设计的再利用得到保证。目前的电子产品正向模块化发展，所谓模块化 就是对以往的设计成果进行修改、组合和再利用，产生全新的或派生设计，而自 顶向下的设计方法与系统结构无关，设计可以存档，以便将来再利用 ( 4 ) 易于设计的更改。从上往下的每一级设计都要进行仿真，可随时纠正错 误。 ( 5 ) 设计规模大大提高。简单的语言描述即可完成复杂的功能，而几乎不需 要手工绘图。 3 3 系统的设计流程 用硬件描述语言v e r i l o g 作为设计输入进行电路模块的设计，并使用s y n o p s y s 公司的v c s t ”、d e s i g nc o m p i l e r t l 8 1 对设计的电路模块进行了功能仿真、综合，使 用q u a l t e r si i 酬进行时序仿真，并采用a l t e r a 公司的f p g a l 9 ( c y c l o n e 系列) e p l c 6 t 1 4 4 c 8 器件作为验证平台对部分模块电路进行t f p g a 验证【。 设计流程具体分为设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、时序仿真 ( 后仿真) 、配置下载f i i 】等六个步骤，设计流程如图3 1 所示。下面分别对各个设 计步骤做一下介绍。一般采用的设计流程图如图3 1 所示 山东大学硕士学位论文 图3 一l 设计流程框图 第一步：设计输入 设计输入包括使用硬件描述语言( h d l ) 、状态图与原理图输入三种方式。 h d l 设计方式是现今设计大规模数字集成电路的重要形式，h d l 语言描述在状态 机、控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定综合器的作用下较 好地实现具体硬件单元；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化 电路等方面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常用方式是以h d l 语言 为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。 第二步：功能仿真 仿真是指使用设计软件包对己实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境 下的工作情况。功能仿真又称前仿真，是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解 其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体 器件的硬件特性，如延时特性等。如果功能仿真符合要求，进入第三步，否则， 返回第一步，检查设计输入。 第三步：设计综合 综合就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功 山东大学硕士学位论文 耗、成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的 电路设计方案。综合的结果则是一个硬件电路的实现方案。该方案必须同时满足 预期的功能和约束条件。对于综合来说，满足要求的方