（通信与信息系统专业论文）eloverip电路仿真适配器的实现与验证.pdf

摘要 黜6 8 6 7 讯4 帆 y 2 0 随着全球范围内数据流量的激增和网络技术的发展，在2 1 世纪的下一代网络 中，各种基于m 的技术将在未来信息通信中占据主导地位。如何采用统一的技术 解决方案来构建下一代信息网络，以提供语音、数据和视频等综合服务，实现电 路交换向分组交换的过渡与转换，将是下一代通信网络发展的主要研究方向。 t d m o i p 技术为这一转换提供了可行的技术保障。它以最简单的方式，将i p 网络与传统t d m 网络相连接，承载t d m 业务，实现无缝接入。t d m o i p 技术在 继承t d m 业务服务质量的同时，完成向下一代信息网络的过渡，为传统网络的改 造和专网建设提供了一套完备的解决方案。 本文首先对t d m o i p 技术的基本原理和技术要点进行了详细的阐述，重点分 析了对分组封装、丢包和乱序、时钟恢复以及抖动缓冲区的设计等关键问题。然 后结合实验室科研项目完成了t d m o i p 技术的应用实例e l o v e r l p 电路仿真适配 器的系统方案设计及各功能模块的实现。该方案重点描述了时钟恢复、队列管理 和吸收网络时延等功能的实现。其中时钟恢复模块在接收端利用数字锁相环技术 恢复出精确的发端时钟，队列管理模块完成了对分组丢失和乱序的处理，而网络 时延的吸收是通过抖动缓冲区来完成的。各个模块采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言 设计实现，并应用m o d e l s i m 进行了功能和时序仿真。最后通过设计环境模块，模 拟真实以太网环境中的分组时延抖动、丢包和乱序，在板级对适配器进行了多种 性能测试，测试结果表明e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器可以实现预期目标。 关键词：电路仿真t d m o i pe l o v e r l p 适配器性能测试 a b s t r a c t w i t ht h ew o r l d w i d es u r g ei nd a t af l u xa n dt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , v a r i o u st e c h n i q u e sb a s e do ni pw i l ll i k e l yb e c o m et h em a i nt e c h n o l o g i e sf o rf u t u r e i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n s s ot h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e n e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ni st ob u i l dan e wn e t w o r k , w h i c hc a np r o v i d ei n t e g r a t e d s e r v i c e sf o rv o i c e ，d a t aa n dv i d e oe t ca n da c h i e v et h et r a n s i t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nf r o m c i r c u i ts w i t c h i n gt op a c k e ts w i t c h i n g t h et e c h n o l o g yo ft d m o i po f f e r st e c h n i c a l s u p p o r tp r a c t i c a l l y f o rt h i s t r a n s f o r m a t i o n i tc o n n e c t si pn e t w o r ka n dt r a d i t i o n a lt d mn e t w o r ks e a m l e s s l yt ob e a r t d mb u s i n e s si na s i m p l ew a y i nt h i st h e s i s ，b a s i cc o n c e p t sa n dt e c h n i c a lp o i n t so ft d m o l pt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e d w ep r i n c i p a l l ya n a l y z es o m ek e ya s p e c t ss u c ha sp a c k e te n c a p s u l a t i o n , p a c k e tl o s sa n dd i s o r d e r , c l o c kr e c o v e r ya n dt h ed e s i g no fd i t h e r i n gb u f f e re t c a sa n a p p l i c a t i o no ft d m o i pt e c h n o l o g y , t h ed e s i g no fe 1o v e r l pc i r c u i te m u l a t i o na d a p t e r s y s t e ma n di m p l e m e n t a t i o no ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e si n t h er e s e a r c hp r o j e c ta r e c o m p l e t e d t h ed e s i g nm a i n l yd e s c r i b e st h ek e ym o d u l e ss u c ha st h ec l o c kr e c o v e r y m o d u l e ，t h eq u e u em a n a g e m e n tm o d u l ea n dt h en e t w o r kt i m i n gd e l a ya b s o r b i n gm o d u l e t h ec l o c kr e c o v e r ym o d u l ec a l lr e c o v e rt h ea c c u r a t eo r i g i n a lc l o c k 、析mt h eh e l po f d i g i t a lp l lt e c h n o l o g y t h eq u e u em a n a g e m e n tm o d u l ec a nr e a l i z et h ep a c k e tl o s sa n d t h ed i s o r d e rp r o c e s s t h en e t w o r kt i m i n gd e l a ya b s o r b i n gm o d u l ei sr e a l i z e d 、析t 1 1t h e u s eo fd i t h e r i n gb u f f e r f u n c t i o n a lm o d u l e si n t r o d u c e da b o v eh a v eb e e ni m p l e m e n t e d b yv e r i l o gh d l a n da d a p t e rs o l u t i o ni st i m i n gs i m u l a t e db yt h et o o lo fm o d e l s i m w h o s ec o p y r i g h ti sm e n t o rg r a p h i c sc o r p o r a t i o n f i n a l l y , b yd e s i g n i n ge n v i r o n m e n t m o d u l e ，w es i m u l a t et h er e a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t ，w h i c hm a yc o n t a i np a c k e tt i m i n g d e l a y , l o s sa n dd i s o r d e r f o rav a r i e t yo fb o a r d l e v e lf u n c t i o n a lt e s t i n g ，i ts h o w st h a tt h e e l o v e r l pc i r c u i te m u l a t i o na d a p t e r sc a na c h i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e y w o r d ：c i r c u i te m u l a t i o n t d m o l pe l o v e r l pa d a p t e rf u n c t i o n a lt e s t i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d m o l p 技术原理 通信网络发展日新月异，基于网际协议( i n t e m e tp r o t o c o l ，礤) 框架下的分组 网络成为通信领域发展的新趋势。就诸如语音和视频等许多应用而言，由于i p 业 务的价格已低于传统时分复用( t n n ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 业务的价格， 所以如何在向下一代分组网络平稳演进的同时支持传统的t d m 业务和其它基于 电路交换的业务，成为越来越多的人关注的课题。 如何在口网和t d m 网之间达到快速、透明的对接是这个研究领域的主流问 题。t d m o l p 1 1 1 2 1 技术就是在这种趋势下提出来的一种在分组交换网上透明传输电 路交换业务的技术。 为了解释t d m o i p 技术的原理，首先回顾一下t d m 中有关e 1 的知识，t d m 中每秒传输8 0 0 0 个e 1 帧 3 1 。每个e 1 帧由完整的3 2 个字节( 2 5 6 比特) 组成，其 中第1 个字节用来指示同步，第1 6 个字节用来传输传统的随路信令，其余3 0 个 字节用来传输有效数据。t d m o i p 的基本原理就是在分组交换网络上建立一个“隧 道”，如图1 1 所示，通过这种通道将成帧或非成帧的t d m 数据不做任何解释和 翻译，封装成i p 数据包，通过i p 网络透传到对端，实现t d m 业务( 如e 1 或t 1 ) 在分组网络中的透明传输，在目的端将收到的数据包打开并恢复成原始的t d m 数 据流，从而使网络另一端的t d m 设备不必关心其所连接的网络是否是一个t d m 网络。 图1 1 基于分组的电路仿真业务 t d m o i p 技术最简单的实现方法就是在一个i p 数据报文中封装t d m 数据负 载，再附加m 报头。当采用t c p i p 协议时，需要附加2 0 个字节的t c p 报头，2 0 个字节的m 报头，一个数据报文就有4 0 个字节的非有效t d m 数据的开销。若一 个母包传输一个结构化的e l 帧，则有效数据带宽还不到一半。另外t c p 提供了 2 e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器的实现与验证 端到端的可靠连接，它的超时重传机制虽然可以弥补报文丢失带来的影响，但是 这对话音分组用处不大，因为重传的话音分组到达接收端时次序已乱，将被丢弃。 而对话音分组传输来说，低延迟和信号的顺序传输至关重要。丢失几毫秒的信号 通常并不重要。更合理的选择是使用实时传输协议r t p ，它的报头至少1 2 个字节， 另外8 字节的u d p 报头和2 0 字节的i p 的报头。这与采用t c p 传输的开销一致1 4 1 。 用4 0 字节的额外开销传送3l 字节的有效数据负载实在是浪费。目前解决这一个 问题的方法主要有两个： 第一种方法是报头压缩方案。现在已经有r f c 文档提出t c p 和r t p 的平均 报头减到只有3 个字节，把开销百分比降到8 9 。 第二种方法是将多个e 1 帧组成一个超级帧，再进行封装，例如把8 个e l 帧 合并成2 4 8 字节的负载，使得开销百分比下降。合并确实增加了一定的缓冲延迟， 但每帧只有1 2 5 微妙的持续时间，相对实时传输的重要性来说这一延迟是可以忽 略的，本论文中主要采用的是第二种方法。 1 2t d m o l p 技术的关键问题研究【5 1 t d m 技术是一种时分复用技术，有严格的系统同步和时钟要求，传送恒定比 特率的同步业务，而分组网络采用的是基于统计复用的分组交换技术，收发两端 并没有严格的同步要求，链路中也不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简 单的码速时钟恢复方式在接收端重建定时信息。由于两者具有不同的特性，所以 在考虑采用分组网络传输t d m 业务时，必须考虑以下几个关键问题，其中重点分 析丢包乱序问题和时钟同步问题。 1 2 1 分组的封装 要实现之前提到的把t d m 数据负载封装到i p 报文中，t d m o l p 的封装技术 是十分关键的。t d m o l p 的协议层模型如图1 2 所示，从低层到高层方向是p s n 特定层，r t p ( 可选) ，控制字及净 图1 2 协议层模型 p s n 特定层包括所必需的基础设施，由u d p i p ，m p l s ，l 2 t p v 3o v e r l p 或层 第一章绪论 3 2 以太网组成，假定p s n 有足够的可靠性和足够带宽保证t d m 数据，这里主要采 用u d p i p 的模型，至于为何采用u d p 1 p 协议而不采用t c p i p 协议在上面已经作 了解释。 通过比较与分析，本论文采用的t d m o l p 的报文格式如下图1 3 所示。 第1 至5 行属于口头；第6 至7 属于u d p 头；第8 至1 0 属于可选的r t p 头； 第1 1 行属于控制字；第1 2 行以后属于净荷。 o l2 3 i p 承i 儿王p t o st o t a ll e n g n i d e n t i f i c a t i o n f l a g sf r a g m e n to f f s e t t i m e t o l i v ep r o t o c o lmh c a d a - c h e c k s u m s o u r c ei pa d d r e s s d e s t i n _ t i o ni pa d d r e s s tt d m o i pb u n d l eh u md e s t i n a t i o np o r tn u m b e r u d p l e n g t h u d pc h e c k s u m r t pxc c q p r ri h ps e q u e n c en u m b e r v t i m e s t a m p s s r ci d e n t i f l e r f o r m 【dlrr e s l e n g t hs e q u e n c en u m b e r t d m o i pp a y l o a d 图1 3t d m o i p 报文结构详图 其中可选r t p 头的各定义域如下： i 汀v ：r 1 m 版本号，置为0 1 0 ： p ：r t p 填充指示，置为0 ； r ：i 扩展，置为0 ： c c ：r t pc s r c 计数，置为0 0 0 0 ； m ：r t p 标记指示，置为0 ； p t ：r t p 净荷类型标识，用于运载预留范围内的t d m o i p 数据流类型值； r t p s e q u e n c en u m b e r ：r t p 序列号，分别定义每个t d m 包。每发送一个t d m 包，序列号加l ，它用于接收检测包丢失或恢复包的顺序。序列号的初始值出于安 全考虑一般是随机的； t t m e s t a m p ：r t p 时间戳表示t d m 净荷中第一个字节的精确抽样产生的时间， 它源自其分辨率和精度满足抖动和漂移的一个时钟； s s r ci d e n t i f i e r ：r t p 同步源标识，唯一的标识电路包的定时源。如r t p 所述 可随机选择独立的定时源； 4 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 r t p 明显增加了1 2 个字节的额外负载，导致开销过大。基于这个原因，当定 时信息不需要在网上显式传递时，t d m o 口允许裁减不必要的r t p 头，形成新的 报头结构，即t d m o i p 报头。 t d m o i p 控制字的各定义域如下： f o r m i t ：表示承载的t d m 码流的类型，如果不用必须置为0 ； l ：本地同步丢失比特，如设置说明已经检测到或正被告知传输了有t d m 故 障的无效数据。可触发另一端产生a i s 。当设了l b i t ，t d m 数据包就无效了，若 t d m 故障恢复，则l b i t 必须被清为o ； r ：源端接收错误比特，若被置位，表示出丢包状态。例如丢失了预配置的一 定数量的连续包，一旦退出丢包状态，则r b i t 必须被清为o ； l e n g t h ：指示t d m o l p 报文长度( 控制字和净荷) 。如t d m o l p 报文少于6 4 字节，长度比特就必须使用，否则置为o ； s e q u e n c en u m b e r ：当不用r t p 头时，必须用该t d m o i p 序列号并且实现与 r t p 序列号相同的功能。此外由于每个t d m 包的时钟速率是常数，可将序列号近 似地用作时间戳。序列号初值考虑到安全是随机的。用模2 1 6 增量分开每个电路包。 当r t p 和控制字序列号都使用时，将取相同的值。 u d p 报头非标准报头格式。定义不同的域说明如下： v e r ：实验时用0 0 0 ，不用r t p 时用0 0 1 ，用r t p 时用0 1 1 ； t d m o i p b u n d l en u m ：指明源端口号，但这里只标明唯一数据流，此数据流来 源于主数据流分流，具有共同的目的地。这一非标准用法类似于r t p 使用s s i 配 域唯一的标识数据会话b u n d l e ； d e s t i n a t i o np o r tn u m b e r ：目的端口号必须置0 x 0 8 5 ( 2 1 4 2 ) ，由互联网编号分 配机构( 小i a n ) 分配给t d m o i p 的用户端口号； u d pl e n g t h ：u d p 头和数据的字节长度； u d pc h e c k s 眦：u d p i p 头和数据校验和。如不计算必须设置为零。 1 2 2 丢包和乱序【8 】 9 1 i p 网中分组由于通过不同的网络路径及延时的不同，常以错误的顺序到达目 的端，造成错序，甚至由于比特错误、网络拥塞等原因，被中途抛弃而不能到达 目的地，造成丢包。t d m 网络没有帧重传机制，因此不按时到达的帧会被抛弃。 而抛弃的帧可能对仿真电路的质量及接收端的定时同步有影响，应采取一定的措 施对该影响进行补偿。下面是针对这一丢包乱序提出的一种解决方法。如图1 4 所 示，其中r e c e i v e d 为收到的分组序列号，e x p e c t e d 为期望收到的分组序列号，d 渲 表示期望的分组和收到的分组序列号之差。定义一个滑动窗口，滑动窗口的长度 第一章绪论 为l ，当迟到的分组的序列号与当前最后收到的分组序列号的差值在滑动窗口内 时，将迟到的分组排在输出队列中，而在窗口外到达的分组都将被丢失。滑动窗 口的长度受抖动缓冲区长度的限制。 图1 4 丢包和乱序处理软件流程图 具体步骤如下： 系统初始化，r e c e i v e d 置为o ，收到第一个分组后，将e x p e c t e d 置为r e c e i v e d 加1 同时建立序列号为r e c e i v e d 的实指针，转步骤1 ； 1 收到一个新的分组，比较收到的分组序列号r e c e i v e d 和所期待的分组序列 号e x p e c t e d ，如果两者相等，转步骤2 ，否则转步骤3 ； 2 判断缓冲区是否溢出，如果抖动缓冲区上溢则丢掉分组的内容，否则将分 组的内容即有效载荷放进抖动缓冲区，e x p e c t e d 加1 ，建立r e c e i v e d 实指针，转 步骤l ； 3 计算序列号差量d i f f = e x p e c t e d r e c e i v e d ，如果d i f f 0 ，表示期望的序列号 小于接收到的序列号，转步骤4 ；否则表示期望的序列号大于接收到的序列号，转 步骤6 ； 6 e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器的实现与验证 4 判断有分组丢失，丢失的分组序列号是e x p e c t e d ，e x p e c t e d + l ， r e c e i v e d 1 ，丢失的分组个数为m o d ( d i f f ) ，转步骤5 ； 5 判断缓冲区的充溢情况，如果缓冲区没有上溢建立丢失分组e x p e c t e d ， e x p e c t e d + l ，r e c e i v e d 1 的空指针，将收到的分组放进抖动缓冲区同时建立收 到分组的实指针；否则的话就丢失分组同时建立e x p e c t e d ，e x p e c t e d + l ， r e c e i v e d 1 ，r e c e i v e d 的空指针，返回步骤1 ； 6 判断迟到的分组到达，首先判断迟到的分组是否在滑动窗口之外，是的话 就将数据丢失转步骤l ；否则判断抖动缓冲区的充溢情况，如果缓冲区下溢，丢失 分组转步骤l ；如果没有下溢将分组放入抖动缓冲区，同时修改该序列号的空指针 为实指针，转步骤1 ； 这种方法很好的解决了分组丢失和乱序问题，对于到达的分组不管是早到还 是迟到，只要抖动缓冲区没满或没有超出滑动窗口，到达的分组都将直接存入抖 动缓冲区，而排序问题由指向抖动缓冲区地址的指针来完成。指针的管理类似于c 语言的队列管理，指针按序列号排列，如果数据正常到达，那么就建立指向该帧 地址的实指针；如果数据丢失建立一个空指针，等迟到的分组到达后就将该序列 号空指针修改为实指针。如果空指针所对应的分组一直没有出现，那么说明分组 丢失了，对于丢失的分组可以采用插值技术进行补救。即用前面一个未丢失的分 组来代替丢失的分组，这样做是有道理的因为相对平稳的信号意味着丢失的缓冲 可能与前一个样本相似。 1 2 3 时钟同步 相比传统t d m 网络，i p 网不带有时钟机制，同时d 包的延时具有随机性( 即 所谓的抖动) ，因此当t d m 流进入分组网络以后，原先的定时信息也丢失了。收 发两端定时上的不一致，将导致数据的丢失或者拥塞，同样当用户的数据通过不 同的网络时难以给发送端和接收端提供一个共同的网络时钟，因此需要在接收端 恢复出和发端时钟在频率和相位上同步的定时信息。所以，在i p 网上传输t d m 业务的关键是要解决时钟同步问题。 目前，t d m o i p 可采用的几种时钟同步机制有：反馈调节时钟同步、时间标签 时钟同步和白适应时钟同步。本文采用的时间戳方法属于第三类即自适应时钟同 步方法，当在本地网络不能获得公共的参考时钟或在网络中提供的是异步服务时 ( 例如i p e t h e m e t 网络) ，通常采用时间戳1 0 1 【l l 】1 1 2 的方法。 在时间戳方法中，发送端向接收端等间隔发送时间戳序列( 可与用户数据分组 一同发送，也可以使用单独的分组发送，本论文中是作为分组头的一部分) ，时间 戳记录了同步分组精确的发送时刻，接收端时钟根据分组到达间隔和分组内的时 第一章绪论 7 问戳恢复发送端时钟。由于没有使用公共的网络参考时钟，接收端通过时间戳的 到达图样来锁定恢复时钟。时间戳法的实质在于向发送端的比特流中定期的插入 同步图样。在接收端检测这一同步图样并以此来产生p l l 的参考信号。 t m d 叠二 设备l 厂 t l ，e l 。簟夥 丁 八 ( 肌) 。 ： - 接收驾 图1 5 基于时间戳的时钟同步方案 基于时间戳的时钟同步方案的结构框图见图1 5 。发送端时钟本质上来讲由一 个振荡器和一个脉冲计数器组成。振荡器产生一定频率的脉冲并作为脉冲计数器 的输入。其中振荡器的频率即为连续脉冲间隔( 振荡器周期) 的倒数。计数器的输出 反应了发送端的时钟频率，并在每一个脉冲到达时增加固定的值。发送时钟信号 的采样值被作为时间戳发往接收端。 接收端的p l l 使用时间戳作为参考信号，将时钟锁定到发送端时钟频率。p l l 主要由四个部分组成：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器v c o ( 或者数控振荡器d c o ) 和脉冲计数器。鉴相器比较参考信号和p l l 输出信号得到误差信号，误差信号又通 过环路滤波器，消除其中可能存在的抖动和噪声。v c o ( 或d c o ) 典型情况下有一个 中心频率，振荡器的输出频率由环路滤波器的输出信号控制。 理想情况下，发送端和接收端存在一个固定的延时，时间戳也是等间隔到达 接收端。但是，这与分组网络中实际情况并不相符。p d v 使得时钟同步问题变得 更为复杂，p d v 为时间戳到达接收端的时刻引入了抖动，如图1 6 、1 7 所示。引起 接收端观察到的抖动主要有三个原因：首先是发送端时钟与接收端时钟间的频率 漂移。与其他两个原因相比，该原因引入的抖动较小。发送端的协议栈是导致抖 动的第二个原因，它可能影响分组流中的时间戳值。最后，由于网络交换设备中 e l o v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 分组复用和排队延时的变化，分组网络会导致显著的抖动。 时间戳以 线速发送 时 达 a ) 网络示意图 b ) 时间戳的离开和到达 图1 6 网络抖动对时间戳到达的影响 如图1 6 所示，发送端和接收端都有由内部时钟驱动的独立时间基准，且都以 此来发送和接收数据。接收端将自己的时间基准同步于发送端的频率假定为 = l t 。h z 。事实上，振荡器总是与其正常频率存在着频率偏离( 且不是一个恒定 值) ，因此相应的时间基准也并不相同。用t ( n ) 表示发送端的时间基准，用r ( n ) 表 示接收端的时间基准。这两个函数对应于两个时钟在离散时间点n 的时间戳 ( 1 1 = 0 ，l ，2 ，) 。 当时间戳经过分组网络，它们到达接收端的延时是变化的。如果用d ( n ) 和 d ( n 一1 ) 表示第1 1 个和第n 一1 个时间戳到达接收端经历的延时，由网络引入的抖动 表示为j ( n ) = d ( n ) 一d ( n 一1 ) 。发送端产生的第n 个和第1 1 1 个时间戳的差值定义为 a t ( n ) = t ( n ) 一t ( n 一1 ) 。在接收端，由接收端时钟测量的第n 个和第n 1 个时间戳 的到达时间戳的差值定义为r ( n ) = r ( n ) 一r ( n 一1 ) 。需要注意的是：接收端测量的 时间戳差值包括了时间戳的到达抖动，即r ( n ) = a t ( n ) 一j ( n ) 。 由此，接收端p l l 将a t ( n ) 作为其参考输入，同时生成r ( n ) 作为其输出。两 个变量t ( n ) 和a r ( n ) 如图1 7 所示。 第一章绪论 9 发送时间戳差值 ( p l l 参考) i 坐呈! ，l 到搿掰值回回 一a d ( n ) 卜一 d ( n ) ： 抖动+ 噪声 图1 7p l l 输入与输出 为了应对由于p d v 对时钟恢复造成的影响，本设计中采用了一些特别的方法 来完成基于时间戳的自适应时钟同步，下面将对该方法的锁相环( p l l ) 的具体设 计进行分析。 当时钟信号达到目的端时需要用本地的时钟恢复电路进行时钟恢复。通常使 用数字锁相环实现时钟恢复电路，主要由三大部分组成：鉴相器、滤波器、压控 振荡器( 数控振荡器) ，见图1 8 。 输 图1 8 锁相环基本结构 鉴相器 鉴相器主要用于获取本地估算信号与发送端的信号之间的误差信号，这个误 差信号将被送入数字环路滤波器，环路滤波器产生的相位校正序列用于调整数控 振荡器【1 3 1 。 环路滤波器 环路滤波器是一个低通滤波器，其作用是滤除误差信号的高频分量，并且对 环路的校正速度起调节作用。为追求较好的滤波效果，本论文使用二阶e w m a 滤 波器【1 4 1 ( 二阶指数加权平均滤波器) 。 二阶e w m a 滤波器的结构见图1 9 。 1 0 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 数字滤波器 ( 二阶指数加权平均滤波器) 图1 9 二阶e w m a 滤波器 滤波器的输入为偏移量o f f s e t ( 简单记为o ( n ) ) ，二阶e w m a 滤波器有以下解 析式： s ( n ) = ( 1 - a 1 ) j - 1 ) + a l o ( n ) u ( n ) = ( 1 - a 2 ) 甜( 咒一1 ) + a 2 s ( n ) 其中0 a 1 ，a 2 1 。二阶e w m a 滤波器的传递函数为： 日( z ) ：盟：生生 、7 d ( z ) z 一( 1 一a 1 ) z 一( 1 一a 2 ) a l a 2 2 2 z 2 一( 卢1 + 卢2 ) z + p l 卢2 式( 1 1 ) 式( 1 - 2 ) 这里卢l = ( 1 - a 1 ) ，p 2 = ( 1 一a 2 ) 。 环路滤波器的作用就是尽可能的滤除高频段的抖动，理论上讲，适当地选取 低通滤波器的参数可以很好地去除这些抖动分量，因此低通滤波器的设计也很重 要。 a ，a ，的大小直接关系到滤波器的性能，如何选取合适的口。，口：是非常重要的。 我们观察公式( 1 1 ) 、( 1 2 ) 可以发现：a 。，a ：越小，s ( 以) ，u ( n ) 的值与当前观测值 关联越小，与长期的累计值关联越大，这样得到的滤波效果显然会相对好一些。 但是a 。，a ：的值不能无限的小，否则s ( 刀) ，u ( n ) 就无法反映误差的变化。因此在设计 滤波器参数口，a ：时需要考虑滤波效果，同时也不能让a 。，口：的值太小，以致于小 到无法反映误差的变化。 经过反复测试与总结比较，a ，a ：越小，对于高频段的抖动分量滤除效果越好， 并且两者最好是有一定的差距，便于反应滤波误差变化。在本设计中，我们所选 取的数据是= o 1 ，口，：o 0 1 ，滤波效果很好。 振荡器 振荡器在锁相环中的作用是根据环路滤波器送来的校正信号控制产生恢复时 第一章绪论 钟。锁相环的实现可以用数控震荡器d c o 也可以是压控震荡器v c o ，这里我们 选择数控振荡器d c o 。在使用d c o 的锁相环中，d c o 的周期被环路滤波器的输 出所控制，当环路滤波器的输入( 即误差信号) 趋于0 时，d c o 的输出周期也趋 于稳定，见图1 1 0 。 图1 1 0d c o 结构图 f 一定义为主从时钟的中心频率对应的周期，f 。为d c o 中的高频振荡器的中 心频率对应的周期。我们定义f 一为误差校正信号，且r 一= k 。一f 。则d c o 的输出信号 t d c o 为： f d c d ( 刀) = f m r 婀( ，z 一1 ) = ，册f o 一一一1 ) f o = ( 0 。一k o 乙。( 刀一1 ) ) r o式( 1 _ 4 ) ，z 表示时间戳到达时间，从公式( 1 - 4 ) 可以看到，第n 个时间戳到达时的输 出频率由刀一1 个时间戳提供的误差调整信号来控制。 数控震荡器本质上讲是一个除法电路，高频震荡器o s c 输出的脉冲驱动计数 器，每到达一个脉冲计数器就加1 。一般情况下高频震荡器的频率是系统时钟频率 的数倍( 本设计中该倍数是1 6 ) 。比较器用于比较受控的输入值一和计数器输 出值( 见图1 1 0 ) 。当一和计数器的输出值相等，则比较器就输出一个脉冲，这 个脉冲可以作为d c o 的输出值也作为计数器的复位脉冲，每个复位脉冲的到达会 使得计数器重新计数。这样通过输入信号一可以控制d c o 的输出脉冲周期， d c o 工作原理见图1 1 1 。 1 2 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 1 2 4 抖动缓冲区的设计 图1 1 1d c o 工作原理 比较器输出脉冲 由于抖动和漂移的存在，接收端需要预留一定大小的存储器用于接收主时钟 的时间戳分组，这个存储器被称为抖动缓冲区。 一方面，当分组抖动很大时，如果抖动缓冲区无法抵消这种抖动引起的负面 效果，抖动缓冲区会出现溢出或者清空现象。这样显然会对时钟恢复造成相当恶 劣的影响，因此抖动缓冲区必须设计得足够大才行。 另一方面，抖动缓冲区越大，带来的时延就越大，其不利影响同样也是很明 显的，所以设计抖动缓冲区必须考虑以下两方面因素： 1 抖动缓冲区应该设计足够大，大到足以抵消所有抖动和漂移的最大值。 2 抖动缓冲区又必须尽可能地小，这样带来的时延才可以相对小些。 在求解抖动缓冲区大小b 。之前先介绍一个剩余抖动的概念： 若接收数据时延抖动用- ，表示，通过缓冲区后剩余抖动用，表示，k 为剩 余抖动允许的最大值，缓冲区大小为b 。为了防止缓冲区的溢出和清空，同时根 据抖动的随机特性，缓冲区一般会在预存0 5 b 。的数据分组后，才开始读取。这样 缓存区可以吸收0 5 b 。大小的p d v 。据此，剩余抖动的表达式为： f o 悱o 5 毛 j r = + o 5 b ，j o 5 b 。 第一章绪论 1 3 抖动缓冲区大小b 。可以通过下面的解析式获得： 吃= 2 x ( 式( 1 6 ) 其中：仃2 是链路p d v 的标准差；p 是出现溢出和清空现象的概率；厶。是剩余抖 动允许的最大值。 从上面的表达式可以发现抖动缓冲区的大小是与网络的即时状况有关的，即 设置大小前必须先知道具体网路状况。由于t d m o l p 实现的是实时t l e 1 数据传 输，故需要应用i c m p 协议处理收到的差错报文，以了解t 1 e 1 数据在分组网上 的数据传输情况。因此在具体应用时可以在数据分组发送之前，先发送i c m p 探 测包，探测网络的传输时延和抖动，然后用这个预测值实现对缓冲区大小的设置。 1 3t d m o l p 技术应用 t d m o i p 作为一种新兴的传输技术，使得在建设高速城域数据网接入的同时， 可以充分利用原有的t d m 设备和现有的电路交换资源。向用户提供更好的语音和 数据业务，解决了现有t d m 终端设备与数据网络的无缝连接问题。有关t d m o i p 技术的标准化工作已在有条不紊地展开。i t uy 1 4 1 3 是i t u 关于在m p l s 网络上 实现t d m 的建议。i e t f ( i n t e m e t 工程任务组) 、m p l s ( 多协议标记交换) 和帧中继 联盟以及城域以太网论坛( m e ff o r u m ) 也都在积极开展t d m o l p 标准化工作，标准 的制定解决了不同设备制造商之间的互联互通问题。随着相关技术和接入网络的 建设，t d m o l p 方案会被越来越多的运营商采用，因此随着t d m o i p 技术的应用 逐渐增多，提供自主的t d m o i p 技术实现方案，实现自主产品，已是水到渠成之 事。 由于我国采用的是类同于欧洲的标准e 1 技术，所以本文在现有的t d m o l p 技 术标准上，将u d p i p 传输技术与传统的t d m 分时传输技术有机的结合，提出了 一种e l o v e r l p 技术的实现方案，即我们所设计的e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器，接下 来几章中将针对e l o v e r l p 适配器的设计具体展开。 1 4 本文主要内容和结构 本论文通过查阅国内外文献及相关技术标准和草案，对t d m o l p 技术进行了 深入系统的分析，设计了e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器，并模拟真实网络环境对其进 行了测试与验证。本文内容安排如下： 第一章首先对t d m o i p 技术背景和原理进行了介绍，详细分析和阐述了封装、 信令、丢包和乱序处理及时钟同步等关键问题，然后对t d m o i p 技术的应用做了 1 4 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 简单介绍，最后对本论文结构进行了安排。 第二章提出了一种e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器设计方案，通过需求分析和逻辑 框图阐述了e 1 0 v e r i p 适配器的主体结构、功能及性能。然后顺序对五大模块( f p g a 模块、e 1 收发器模块、m c u 模块、电源和时钟模块、外部存储器模块) 的器件选 型进行了分析。 第三章是e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的设计方案的具体分析与实现，首先给出 e 1 0 v e r i p 适配器实现的具体框图，然后按照划分的十大模块分别描述了每个模块 的主要功能和原理框图，其中包括了对e 1 0 v e r i p 适配器的初始化，以及对d s 2 1 5 4 和f p g a 的配置与初始化工作。 第四章搭建测试平台，对e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器进行了测试，测试包括： 对d s 2 1 5 4 和f p g a 接口测试、d s 2 1 5 4 回环测试、f p g a 内部回环测试，然后是 e l o v e r i p 电路仿真适配器整体功能测试，包括理想环境和真实环境下的测试，由 浅入深地验证了e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的功能。 最后一章是对全文工作的总结和对e 1 0 v e r i p 适配器扩展研究的展望。 第二章e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器系统设计 1 5 第二章e 1o v e r l p 电路仿真适配器系统设计 2 1elo v e r l p 电路仿真适配器系统设计需求 e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器主要由以太网m a c 层协议处理单元、恒定比特流数 据处理单元、包格式转换单元、以太网帧片外共享存储器及高性能嵌入式处理器 组成，完成恒定比特流数据e 1 帧和口分组之间的格式转换，并实现恒定比特流 速率的提取及恢复。具体的功能需求如下所列： 1 1 0 0 m b p s 协议处理单元应满足i e e e 8 0 2 3 的m a c 层协议要求； 2 提供1 个1 0 0 m b p s 全双工以太网物理接口和2 个2 0 4 8 m h z 的e l 接口； 3 承载e 1 的负载长度可配置，i p 报文e 1 数据负载的长短可以指配：6 4 5 1 2 字节( 2 1 6 帧) ； 4 e 1 接口支持e 1 整体透传，包括e 1 承载的所有信令； 5 可灵活设置目的m 、源i p 等，根据i p 地址可以实现点对点和点对多点的 应用； 6 可平滑多达3 2 m s 的网络延时抖动； 7 支持自适应时钟( 分组网侧恢复的时钟) 同步方式； 8 通过t d m 时钟恢复机制，可精确恢复原始时钟；时钟稳定，抖动、漂移 小，符合i t u t 时钟抖动和漂移标准； 9 通过p 网透明传输未成帧e l 信号，符合g 7 0 3 相关标准； 2 2e l o v e r l p 电路仿真适配器系统逻辑框图 e l o v e r l p 电路仿真适配器主要包括六大模块：e 1 收发器模块、s s r a m 模块、 电源模块、m c u 模块、f p g a 模块和p h y 模块。其逻辑框图如图2 1 所示。f p g a 模块将来自t 1 e 1 接口模块的t d m 码流分段封装入分组网数据包，经m i i 接口将 打包后的m a c 帧送入分组网p h y 接口单元，然后进入分组网络。 来自分组网且携带t 1 e 1 数据的分组网数据包，经分组网p h y 接口单元由 m i i 口送入f p g a 模块。f p g a 模块将收到的数据包重组恢复为原来的t 1 e 1 数据 码流，经t d m 接口模块输出。f p g a 模块需要对重组的数据进行复杂的定时处理， 和乱序延时处理，以便恢复出t 1 e 1 码流的码速率，抖动和漂移指标符合t d m 信 号的要求。 设计的难点主要在于e 1 的m 电路仿真及时钟恢复技术的实现。 1 6 e l o v e r i p 电路仿真适配器的实现与验证 图2 1e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器的逻辑框图 对于电路仿真，涉及的问题主要有e 1 数据的封装，i p 包的解封装和口包的 网络时延抖动等。这部分主要在f p g a 里完成。f p g a 一边通过m i i 接口与以太网 链路相连，用来接收和发送i p 包，另一边与e 1 线路接口相连，负责接收和发送 e 1 数据。而与e 1 线路接口相连的功能由专用的e 1 芯片来实现。对于时钟恢复工 作，本文采用f p g a 硬件p l l 的方法来实现。以下详细介绍了f p g a 器件和e 1 芯片的选型。 2 3e 1 0 v e r l p 电路仿真适配器硬件设计及选型 2 3 1f p g a 选型 不论在e 1 接收端还是分组网接收端，所需缓存容量不是很大，同时为了缓存 管理的方便，设计采用f p g