（通信与信息系统专业论文）docsis定时接口服务器的研究与fpga实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 d o c s i s 是一个由有线电缆标准组织c a b l e l a b s 制定的国际标准。d o c s i s 定 义了在有线电缆上提供数据服务所需的通信和运营支撑的接口。它的制订使得在 现有的有线电视系统上进行高速数据通信成为可能。它被许多有线电视运营商采 用在现有h f c ( 光纤混合同轴电缆) 的基础设施上提供互联网接入。随着d o c s i s 3 0 的出现和版本不断完善，一个经济可靠的d o c s i s 定时接口服务器可以为有线 数字电视运营商提供精确的时间和频率同步信号，帮助运营商降低运营成本同时 提高网络的可扩展性和灵活性，是有线电视运营商部署m c m t s ，d o c s i s 3 0 或 者基于d o c s i s 的商用业务的基础。 本文通过对d o c s i s 定时接口服务器工作原理的研究，对服务器的应用、性 能和物理层接口进行分析，给出d o c s i s 定时接口服务器的硬件设计方案；通过 对d t i 协议的研究，总结协议中的乒乓通信特点、s e r 3 e r 帧和c l i e n t 帧设计规范、 服务器与客户端之间的通信流程，并介绍d o c s i s 时间标签的计算方法，给出了 d o c s i s 定时接口服务器的f p g a 模块化实现方案；对方案中的接收、发送和双口 r a m 模块分别进行设计，并在i s e l 0 1 的平台上实现；最后，搭建不同的测试环 境对d o c s i s 定时接口服务器进行功能测试，验证所设计的d o c s i s 定时接口服 务器性能。 本文设计中的d o c s i s 定时接口服务器主要功能由f p g a 模块来实现，选择 合适的f p g a 芯片可以缩短开发时间，节约成本，满足服务器性能要求。本文的 重点是f p g a 模块的电路设计与功能实现。在f p g a 模块电路设计中，接收模块 中的位同步电路、线缆延时补偿电路与发送模块的c r c 计算电路是f p g a 模块设 计的重点与难点。它们关系整个服务器的性能，是d o c s i s 定时接口服务器正常 工作的关键因素，本文重点进行介绍并搭建不同的测试环境验证设计方案。经过 测试，本文设计的d o c s i s 定时接口服务器能够稳定工作，与客户端实现d t i 通 信。 关键词：f p g a ，有线电视网络，位同步，线缆延时补偿 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t d o c s i si sac a b l es t a n d a r dd e v e l o p e db yc a b l e l a b si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s o r g a n i z a t i o n s d e f i n e di nt h ed o c s i sc a b l ed a t a s e r v i c e st op r o v i d et h en e c e s s a r y c o m m u n i c a t i o n sa n do p e r a t i o ns u p p o r ti n t e r f a c e i tm a k e st h ef o r m u l a t i o no ft h ee x i s t i n g c a b l es y s t e m si nt h eh i 曲一s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o n s i ti su s e db ym a n yc a b l eo p e r a t o r s i n t h ee x i s t i n gh f c ( h y b r i df i b e r - c o a x i a lc a b l e ) i n f r a s t r u c t u r et op r o v i d ei n t e r n e t a c c e s s w i t ht h ee m e r g e n c eo fd o c s i s3 0a n dt h ev e r s i o no fc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t ， a ne c o n o m i ca n dr e l i a b l ed o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e rf o rd i g i t a lc a b l et v o p e r a t o r st op r o v i d ep r e c i s et i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ，t oh e l p o p e r a t o r sr e d u c eo p e r a t i n gc o s t sw h i l ei m p r o v i n gn e t w o r ks c a l a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y , a n di st h ec a b l e o p e r a t o r sd e p l o y i n gm - c m t s ，d o c s i s 3 0o rd o c s i s - b a s e d c o m m e r c i a lb u s i n e s sb a s e b a s e do nt h ed o c s i st i i i l i n gi n t e r f a c es e r v e ro p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h er e s e a r c h o nt h ea p p l i c a t i o ns e r v e r , p e r f o r m a n c e ，a n dp h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c ef o ra n a l y s i s ，g i v e n t h ed o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e rh a r d w a r ed e s i g n ；b ys t u d y i n gd t ip r o t o c o l ， s u m m a r i z e di nt h ep i n g - p o n gp r o t o c o l c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s e r v e ra n dc l i e n t f r a m ed e s i g nf r a m ea n db e t w e e nt h es e r v e ra n dc l i e n tc o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，a n d d e s c r i b e st h ec a l c u l a t i o no fd o c s i st i m e s t a m p ，a n dt h e ng i v e st h ed o c s i st i m i n g i n t e r f a c es e r v e r sm o d u l a rf p g ai m p l e m e n t a t i o ns c h e m e ；o nt h ep r o g r a mo f r e c e i v e ， t r a n s m i ta n dd u a l p o r tr a mm o d u l e sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e do nt h ep l a t f o r mi n i s e l0 1 ；f i n a l l y , s e tu pat e s te n v i r o n m e n to nd i f f e r e n td o c s i st i m i n gi n t e r f a c e s e r v e rf u n c t i o n a lt e s t sd e s i g n e dt o v e r i f yt h ed o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e r p e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r t h em a i nf u n c t i o n si nd o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e ra r e i m p l e m e n t e dt h r o u g ht h ed e s i g no ft h ef p g am o d u l e ，s e l e c t i n gt h ea p p r o p r i a t ef p g a c h i pc a nr e d u c ed e v e l o p m e n tt i m e ，c o s ta n dm e e tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h e s e r v e r t h i sa r t i c l ef o c u s e so nc i r c u i t d e s i g n a n df p g am o d u l ef u n c t i o n i m p l e m e n t a t i o n i nf p g a c i r c u i td e s i g n , t h eb i ts y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i t ，t h ec a b l ed e l a y c o m p e n s a t i o nc i r c u i tt h er e c e i v e rm o d u l ea n d t h ec r cc a l c u l a t i o nc i r c u i to ft h e s e n d i n gm o d u l ei si m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ti nt h ee n t i r ed e s i g n t h e ya r er e l a t e dw i t ht h e p e r f o r m a n c eo ft h es e r v e r , a n da l ek e yf a c t o r sf o rd o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e ri n 墅壑电大学硕士论文 a b s t r a c t w o r k t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h e s ek e y p o i n t sa n ds e tu pd i f f e r e n tt e s te n v i r o n m e n t sf o r v e r i f i c a t i o no f d e s i g n s a f t e rt e s t i n g ，t h ed o c s i st i m i n gi n t e r f a c es e r v e ri nt h ed e s i g n o ft h i sp a p e rc a nw o r ks t a b l e l ya n da c h i e v ed t i c o m m u n i c a t i o nw i t hc l i e n t s k e yw o r d s ：f p g a ，c a b l en e t w o r k ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，c a b l ed e l a yc o m p e n s a t i o n m 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 今天，网络的发展为我们提供了更大的发展空间和机会。但网络的传输速度 也越来越成为利用网络自身发展的障碍。一系列新的i n t e m e t ) 艮务，包括提供音频、 视频流，本地信息服务( 社区资讯和服务) ，视频点播以及其他大量网上服务，都受 制于网络速度而得不到广泛应用。于是，人们开始竞相研究各种i n t e r n e t 宽带接入 技术。d o c s i s ( d a t a - o v e r - c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ，有线电缆数据服务 接口规范) 是一个由有线电缆标准组织c a b l e l a b s 伟l j 定的国际标准。d o c s i s 定义了 在有线电缆上提供数据服务所需的通信和运营支撑的接口。它的制订使得在现有 的有线电视系统上进行高速数据通信成为可能【l 】。它被许多有线电视运营商采用在 现有i - i f c ( 光纤混合同轴电缆) 的基础设施上提供互联网接入，即c a b l em o d e m 接 入技术。c a b l em o d e m 接入技术是利用c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) 将电脑接入 有线电视网络，实现网络操作。 2 0 0 6 年8 月6 日，c a b l e l a b s 发布d o c s l s3 0 标准，它使h f c 有线电视网络在扩 展频谱、加大流量、增强功能等诸多方面有了重大突破，是c a b l em o d e m 接入技术 的又一次重大进步。近几年来，随着d o c s i s3 0 版本的不断完善，其c m t s c m 产 品的商品化程度不断提高，该标准的应用也越来越受到业界的关注。 在新的d o c s i s3 0 标准中，提出了通道绑定和m c m t s ( 模块型c m t s ) 的概 念。通道绑定可以以很低的成本扩展下行带宽。根据新标准，通过上行通道绑定 和下行通道绑定技术可以实现单cm 的双向10 0m bps 以上的传输速率。为实现 通道绑定功能，d o c s i s3 0 将传统的c m t s 发展成为m c m t s 。对于中国的有线电 视运营商而言，d o c s i s 3 0 技术可以在减少成本的同时，增加下行带宽，同时优化 上行带宽 2 1 。最多可以捆绑2 4 个频道进行调制，带宽远高于传统的d o c s i s 。而模 块型c m t s ( m c m t s ) 也帮助中国有线电视运营商充分考虑了现有的投资途径， 未来的m c m t s 的上下行调制会与c m t s 分离，与视频共享调制，从而促使成本大 幅度下降。 m c m t s 的最大改进，是将其下行物理层接口功能从核芯结构移到一个称之 为e q a m ( 边缘q a m ) 的外部装置。通过将c m t s 下行的d o c s i s 的p m d ( 物理媒介 层) 和d o c s i s 的m a c 层分离，则可以将c m t s 与目前成熟的e q a m 设备结合使 用，由m c m t s 核完成传统的c m t s 的功能，包括m a c 定时、成帧、包分类、业 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 务流管理和安全等，i 主i e q a m 完成调制、变频以及与i - i f c 网络的连接。为了满足下 行时钟要求，现在必须通过一个d o c s i s 定时接口服务器根据d t i ( d o c s i st i m i n g i n t e r f a c e ，d o c s i s 的定时接口) 协议，对m c m t s 核，边缘q a m 调制器和上行接收机 进行频率和时间标签上的同步【3 】。如果同步流失：数据包错误会严重增加直接造成 高速数据应用的吞吐量下降，语音质量变低，数字视频服务无法使用。 因此，随着m c m t s 的出现和用户需求的不断增长，精确的同步对有线电视 网络显得尤为重要。一个经济可靠的d o c s i s 定时接口服务器可以为有线数字电视 运营商提供精确的时间和频率同步信号，帮助运营商降低运营成本同时提高网络 的可扩展性和灵活性，是有线电视运营商部署m c m t s ，d o c s i s 3 0 或者基于 d o c s i s 的商用业务的基础。 1 2 相关技术研究进展 作为数字通信网的基础支撑技术，时间同步技术的发展演进始终受到通信网 技术发展的驱动。随着通信新业务和新技术的不断发展，其同步要求越来越高， 包括钟源、锁相环等基本时钟技术经历了多次更新换代，时间同步技术也在不断 地推陈出新。 针对不同精度的时间同步需求，在通信网中主要应用了以下几种时间同步技 术： i r i g b ( i n t e rr a n g ei n s t r u m e n t a t i o ng r o u p ) i r i g 编码源于为磁带记录时间信息，带有明显的模拟技术色彩，从2 0 世纪5 0 年代起就作为时间传递标准而获得广泛应用。i 砒g - a 和i r i g b 都是于1 9 5 6 年开发 的，它们的原理相同，只是采用的载频频率不同，故其分辨率也不一样。i r i g b 采用l k h z 的正弦波作为载频进行幅度调制，对最近的秒进行编码。i r i g - b 的帧内 包括的内容有天、时、分、秒及控制信息等，可以用普通的双绞线在楼内传输， 也可在模拟电话网上进行远距离传输。i r i g 的精度通常只能达到1 0 微秒量级【4 1 。 n t v ( n e t w o r k t i m ep r o t o c o o 网络时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，烈r r p ) 最早由美国特拉华大学( u n i v e r s i t y o f d e l a w a r e ) d a v i dl m i l l s 教授于1 9 8 5 年提出，用来实现计算机时钟与国家标准 时间同步。在计算机网络中传递时间的协议主要有时间协议( t i m ep r o t o c 0 1 ) 、日时 协议( d a y t i m ep r o t o c 0 1 ) 和网络时间协议( n t p ) 3 种。另外，还有一个仅用于用户端的 简单网络时间协议( s n t p ) 。网上的时间服务器会在不同的端e l 上连续的监视使用 以上协议的定时要求，并将相应格式的时间码发送给客户。在上述几种网络时间 协议中，n t p 协议最为复杂，所能实现的时间准确度相对较高。n t p 技术可以在局 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 域网和广域网中应用，精度通常只能达到毫秒级或秒级【5 】。 1 p p s ( 1p u l s ep e rs e c o n d ) 及串行u i a s c i i 字符串 秒脉冲信号，不包含时刻信息，但其上升沿标记了准确的每秒的开始，通常 用于本地测试，也可用于局内时间分配。通过r s 2 3 2 r s 4 2 2 串行通讯口，将时间信 息以a s c i i 码字符串方式进行编码，波特率一般为9 6 0 0 b i t s ，精度不高，通常还需 同时利用1 p p s 信号。由于串行k i a s c i i 字符串目前没有统一的标准，不同厂家设备 间无法实现互通，故该方法应用范围较小【6 】。至u 2 0 0 8 年，中国移动规定了1 p p s + t o d 接口的规范， r o d 信息采用二进制协议。1 p p s + t o d 技术可用于局内时间传送，需 要人工补偿传输时延，其精度通常只能达n l o o n s 量级，但不能实现远距离的局间 传送。 p t p ( p r e c i s i o nt i m ep r o t o c 0 1 ) p t p 与n t p 的实现原理均是基于双向对等的传输时延，最大的不同是时间标签 的产生和处理环节。p t p 通过物理层的时戳标记来获得远高于n t p 的时间精度。基 于i e e e 一1 5 8 8 的p t p 技术原先用于需要严格时序配合的工业控制，为了顺应通信网 中对高精度时间同步需求的快速增长，i e e e 1 5 8 8 从原先的版本1 发展到版本2 ，并 且已在同步设备上、光传输设备上、3 g 基站设备上得到应用。在我国，p t p 技术 主要是基于光传输系统实现高精度时间传送的。目前国内已在一定规模的网络环 境下实现了p t p 局间时间传送，精度能达到微秒级【7 】。 同步新技术d t i 相对于成熟的频率同步技术，以p t p 技术为引领的时间同步技术崭露头角。新 兴的时间同步与现有的频率同步彼此相对独立，但从长远来看，频率同步与时间 同步的统一是发展的必然趋势，在i t u tj 2 1 1 标准中规定了一种新型的定时接口， o i d t i ( d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e ) 。d t i 应用于有线电缆网络，通过协议交互方式， 在一根电缆线上同时实现频率和时间同步。d t i 技术的时间同步精度可以达到纳秒 级。 d t i 基本工作原理是：通过一个d o c s i s 定时接口服务器与客户端相接，服务 器把自身获取的精确时间和基准频率通过d t i 信号传递给下游的d t i 客户端，服务 器和客户端之间通过乒乓( p i n g - p o n g ) 机制不停的发送和接受d t i 信号，从而实现 d t i 客户端与服务器之间的同步。 因为d t i 技术能同时提供统一的时间和频率同步，可以很好地兼容现有的频率 同步网和时间同步网，以及兼容现有通信网中所有需同步的系统与设备。我国传 统的频率同步网只能溯源到各运营商独立运行的铯原子钟，未来几年内的时间同 步网只能通过卫星授时接收机溯源到u t c 。如果采用d t i 技术，即便是在时间信号 溯源到卫星授时系统时，在卫星接收机天馈线时延补偿应用方面，也可以实现自 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 动时延补偿。具体而言，时间源头设备的卫星接收机天馈线部分会引入固定时延； 对于不同型号不同长度的天馈线，其时延无法按照统一的经验值( 例! t 1 1 4 - - - 5 n s 米) 进行补偿，尤其在串接了避雷器、放大器、分配器、连接器后，时延误差更加难 以控制。如果在蘑菇头和卫星接收机之间采用具有自动时延补偿的d t i 技术，则可 以有效保证时间源头设备的同步精度【8 , 9 】。然而，基于光纤并采用d t i 技术，还可 以将现有的频率基准和时间基准溯源到地面的国家级时频基准上，以至于根本上 摆脱对卫星授时系统的依赖。从而实现可同时提供高可靠、高质量时间和频率服 务的光纤时间同步网。 另外，d t i 技术还可以直接应用于一根光纤( 而不是光传输系统) 上，实现数 十公里的无中继传送。随着技术的不断发展，采用级联方式可以实现数百公里甚 至上千公里的传送，而且还可以真正地实现百纳秒甚至更高量级时间精度的传送。 相关实验表明，在8 0 k m 的光纤上已经可以实现1 0 n s 以内的时间传送。对于直接基 于光纤传送的d t i 技术，可以避免传统的基于光传输系统的时间传送技术带来的不 对等性影响。而且，在采用单纤双向传输技术后，d t i 技术可以自动监测并计算出 单向传播时延，实现时延的自动补偿，从而解决了传统的基于光传输系统的时间 传送技术难以实现的时延自动补偿问题【l o 】。d t i 技术、光纤时间同步网技术的推出， 为同步网技术的发展注入了新的生命力。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器件由x i l i n x 在19 8 5 年最先推出，它 是一种新型高密度p l d ，采用c m o s s r a m t 艺。内部结构为：可编程逻辑块c l b ， 可编程i o 模块和可编程内部连线。c l b 不仅能实现逻辑函数，还能实现块r a m ， f i f o 等几乎所有电路功能。基于反熔丝技术的f p g a 器件工作前由外部的e p r o m 或者计算机控制的数据线加载数据，实现编程，整个过程易于设计人员控制，即 所谓现场可编程。f p g a 具有集成度高、通用性好、设计灵活、现场可编程等诸多 优点。 本文设计的d o c s i s 定时接口服务器主要功能选用f p g a 来实现，通过对f p g a 内部电路模块的设计可以缩短开发时间、节约成本、满足服务器的功能要求。 1 3 本文研究内容及章节安排 本文在对d o c s i s 定时接口服务器工作原理研究的基础上，对服务器进行应 用、性能和物理层接口分析，给出了硬件设计方案；d o c s i s 定时接口服务器的主 要功能选用f p g a 来实现，对d o c s i s 定时接口服务器的f p g a 内部电路设计与 实现是本文的重点。通过对d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议的分析，给出d o c s i s 定时接口服务器的f p g a 实现方法并在i s e l 0 1 平台上进行实现：最后对设计的 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 d o c s i s 定时接口服务器进行真实工作环境下的性能测试，验证d o c s i s 定时接口 服务器功能。 本文的章节安排如下： 第一章：主要介绍论文主题的研究背景，主要技术发展状况。 第二章：主要对d o c s i s 定时接口服务器进行应用、性能和物理层接口分 析，给出硬件设计方案。 第三章：主要对d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议进行分析，对d t i 技术的乒乓 原理和实现方式进行介绍。 - 第四章：主要对d o c s i s 定时接口服务器的f p g a 内部电路进行设计，给出 f p g a 内部主要功能模块的设计方案并在i s e l 0 1 的平台上进行实现。 第五章：主要对d o c s i s 定时接口服务器的的功能进行测试，分别在模拟和 真实工作环境中验证所设计服务器的性能。 第六章：对全文进行总结，并展望未来的工作。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 第二章d o c s is 定时接口服务器的研究 d o c s i s 定时接口服务器通过与不同客户端间的d t i 信息交换，实现客户端 之间的精确时间和频率同步。服务器与客户端有着特定的通信方式和规范要求， 本文对d o c s i s 定时接口服务器的研究从服务器的应用入手，在进行性能及物理 层接口分析，充分了解d o c s i s 定时接口服务器的工作原理后，给出硬件设计方 案。 2 1 应用分析 在d o c s i s 的发展过程中，时间和频率的同步一直是有线电视网络的关键环 节。这是因为：网络上的所有c m ( c a b l em o d e m ，电缆调制解调器) 连接在同一 个物理传输介质上，如果同步不精确，在高速数据传输时这些设备间的互连可能 会造成干扰，导致通信失败。 在a t d m a ( 异步时分多址) 模式下，每个电缆调制解调器得到一个具体的 时隙传输，分配给电缆调制解调器的所有时隙必须对齐，保证在同一时段内只有 一个调制解调器在通道内传输数据。在s c d m a ( 同步码分多址) 的模式，不同 的电缆调制解调器在相同频率同一时隙进行数据的传送。c m t s ( c a b l em o d e m t e r m i n a t i o ns y s t e m ，电缆调制解调器终端系统) 对来自不同电缆调制解调器的数 据进行扰码处理，为了实现多路传输，必须保证电缆调制解调器和c m t s 在时间 和频率上的同步。在这两种模式下，如果电缆调制解调器不正确同步，数据就无 法传输。 图2 1 传统的c m t s 内部同步图 传统的c m t s 内部同步方式如图2 1 所示，每一个网络内的c m 连接到c m t s 。 当c m 加电工作后，首先自动搜索前端的下行频率，找到下行频率后，从下行数 据中确定上行通道，与前端设备c m t s 建立连接，并交换信息。通过这个过程， 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 c m 与当前连接的c m t s 实现频率和时间上的同步，确保所有共享h f c 的电缆调 制解调器和c m t s 不互相干扰【1 1 , 1 2 】。 在传统的c m t s 中，c m t s 的各个功能单元都集成在一块，共享一个相同的 基准时间和频率，不存在内部的同步问题。而在模块型c m t s ( m c m t s ) 系统架 构中，m c m t s 内的各个功能单元彼此独立，必须通过一个d t i ( d o c s i st i m i n g i n t e r f a c e ，d o c s i s 的定时接口) ，对边缘q a m 调制器，上行接收机和m c m t s 核 进行在频率和时间标签上的同步，这个d t i 信息需要一个d t i 服务器提供，如图 2 2 所示。 图2 2m c m t s 通过d t i 服务器同步 m c m t s 内的每个边缘q a m 调制器，上行接收机和m c m t s 核都集成一个 d t i 客户端。d t i 客户端是一个支持d t i 协议的数字收发器；d o c s i s 定时接口 服务器( 简称d t i 服务器) 根据d t i 协议提供d t i 信息给各个d t i 客户端，使每 一客户端拥有误差在2 纳秒之内的精确时间和频率，以支持m c m t s 对时钟的需 求。d t i 信息拥有强大的功能，包括电缆延迟自动补偿，早期故障检测，时间搜寻 等。从同步和时间的角度看，通过d o c s i s 定时接口服务器，m c m t s 架构内的 多个设备就像集成在一块【1 3 ，1 4 ，1 5 1 。 2 2 性能分析 在m c m t s 架构中，为实现外部同步，引入三个元素：服务器，客户端和d t i 协议( 实现服务器与客户端同步的协议) 。d t i 服务器的工作连接方式如图2 3 所 示，m c m t s 内的各个设备彼此独立，每个边缘q a m 调制器，上行接收机和 m c m t s 核都各自集成了一个d t i 客户端。d t i 服务器和每个d t i 客户端通过点 对点的连接实现d t i 信息交换。d t i 服务器传递给d t i 客户端的d t i 信息包含时 间，频率，服务器型号和运行状态等。 重庆邮电大学硕士论文第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 h e a de n do rh u b 图2 3d t i 服务器工作连接图 对服务器来说，可靠性的重要不言而喻。因为在前端分发中心只有一个d t i 根 服务器，如果服务器出现故障，整个系统必须重新启动获得同步，这将影响所有 连接在服务器的客户端用户。为了避免单点故障提高服务器可靠性，d t i 服务器可 以在内部增加备份电源和备份工作电路板；当主板出现故障，自动切换到备份电 路进而提高可靠性。另外，有限电视运营商可以用两个电缆通过不同的路线连接 d t i 服务器和客户端，从而提高可靠性。但是这样，需要的服务器可用端口数就会 加倍，因而对d t i 服务器的可扩展性提出更高要求【l 6 1 。 随着技术发展，客户要求得到的服务也趋向个性化，这意味着各种后端资源 需要根据客户的要求任意组合在一起。为了满足客户的个性化需求，有线电视运 营商不能再将许多功能集成在一起同时提供给所有用户，而是依靠技术实现业务 的模块化。个性化服务的结果是：越来越多的设备，需要接入一个相同的外部基 准时间。如果基准时间不能被有效提供，直接会影响用户数量的增长。d t i 服务器 提供的可用端口越多，就能支持更多设备，为更多用户提供个性化服务，因而d t i 服务器需要提供尽可能多的单个点到点的d t i 连接。 为了提高可扩展性，除了增加单个d t i 服务器的d t i 输出端口数量，还有一 种方法是实现d t i 从服务器功能【1 7 】。通过把某个d t i 服务器与主服务器同步，产 生d t i 从服务器：d t i 从服务器和主服务器拥有相同的时间和频率，连接在从服 8 重庆邮电大学硕士论文第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 务器和主服务器上的所有客户端，通过d t i 通信，实现彼此间的时间和频率同步。 某个d t i 客户端的两个d t i 端口，一个连接到主服务器，一个连接到从服务 器。如果与主服务器连接失败，与从服务器的连接就开始启动接替主服务器的工 作。这种配置可以让运营商在不影响整个系统运行的情况下更换服务器甚至重新 配置定时架构。可扩展性可以通过增加从服务器实现，每个从服务器可以作为多 个客户端的主服务器使用。需要注意的是，对于某个客户端，它的主服务器只有 一个，即在任何一个时刻，客户端只与一个服务器进行d t i 信息的交换。 通过对d o c s i s 定时接口服务器的工作原理分析，d o c s i s 定时接口服务器有 如下性能特点： d o c s i s 定时接口服务器必须完全遵从d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议，即 d t i 协议；客户端通过这个协议与服务器进行通信，实现时间和频率的同 步。 采用乒乓结构的通信方式，当客户端收到服务器的传送数据后，立刻反馈 信息给服务器，服务器与客户端通过不问断的d t i 信息交换，确保客户端 与服务器的时间和频率紧密保持一致。 2 3 物理层接口分析 d o c s i s 定时接口服务器和客户端通过d t i 协议建立连接，通过在d t i 链路 上的d t i 信息交换，客户端获取服务器的频率和时间信息。在物理层，这种d t i 链路与以太网8 0 2 3 1 0 b a s e t 有些相似，在表2 1 中，对这两种通信协议的物理层 特性进行了比较。 表2 1 物理层特性比较 特性以太网8 0 2 3 1 0 b a s e td t i 速率( m b p s ) 1 05 1 2 通信方式半双工和全双工乒乓机制 拓扑结构 星形星形 传输距离 1 0 0m2 0 0m 传输介质非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 信号类型基带传输基带传输 编码方式m a n c h e s t e rm a n c h e s t e r 9 重庆邮电大学硕士论文第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 d t i 和以太网8 0 2 3 都是在非屏蔽双绞线上进行的基带传输。以太网的传输速率 为1 0 m b p s ，最大传输距离1 0 0 m ；d t i 的数据传输速率为5 1 2 m b p s ，最大传输距离 2 0 0 m 。 两者都使用星形的网络拓扑结构，但通信方式不同。以太网8 0 2 3 采用半双工 或全双工方式，而d t i 采用乒乓方式进行通信，利用r j 4 5 接口的1 、2 管脚的差分信 号进行d t i 协议的乒乓传输，以最大限度地减少两个方向传输的时延不对称性引入 的时间误差，并最大限度地减少串扰。 d t i 和以太网8 0 2 3 都采用m a n c h e s t e r ( 曼彻斯特码) 的编码方式。m a n c h e s t e r 的数据码流中包含了读取自身数据所需的定位时钟信息，因而能够通过对接收数 据的处理恢复定位时钟进而实现位同步，解决常规码型缺少定位时钟的问题。 m a n c h e s t e r 码有较强的抗干扰能力，编、解码过程相对简单，但在编码时，要求发 送m a n c h e s t e r 码的时钟频率为数据速率的两倍【1 引。 2 4 硬件设计方案 图2 4d t i 服务器硬件框图 d o c s i s 定时接口服务器的硬件电路如图2 4 所示。o c x o 为一恒温晶体振荡 器，为f p g a 提供本地振荡时钟，通过f p g a 内部的频率合成模块提供d t i 服务 器所需的各种频率时钟。 通过c p u 板与f p g a 模块的信息交换，用户可以在c p u 板的外设上对d t i 服务器进行配置和管理，设置服务器的时间和工作状态等信息：并通过c p u 板的 外设观察监控服务器和所连客户端的运行状态。 由于f p g a 芯片掉电即丢失信息，所以需要连接一块f l a s h 芯片来保存f p g a 的电路配置文件。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章d o c s i s 定时接口服务器的研究 测试信号模块输出1 0 k 和1 0 2 4 m 两种频率，便于对d t i 服务器进行检测。 l e d 模块通过l e d 灯对服务器的各个d t i 输出端口的工作状态进行指示。 从f p g a 里输出的d t i 信息通过线路驱动模块，转换成符合传输媒介要求的 d t i 信号，输入服务器的d t i 信息在进入f p g a 模块前也需要通过线路驱动转化 为符合f p g a 电路接口要求的信号。 2 5 小结 本章主要对d o c s i s 定时接口服务器的应用环境和工作原理进行研究，从服 务器的应用入手，在进行性能及物理层接口分析后，给出d o c s i s 定时接口服务 器的硬件设计方案。 重庆邮电大学硕士论文第三章d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议分析 第三章d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议分析 3 1 乒乓原理 在d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议中，d o c s i s 定时接口服务器与客户端的数 据传递采用乒乓机制，这种通信方式跟打乒乓球过程类似。假设服务器和客户端 分别是乒乓球比赛中的双方a 和b ，那么线路上传递的d t i 信息就相当于乒乓球。 乒乓球运动的过程如下：a 把球打给b ，此时b 处于接球状态；b 接到球后，再 把球击回给a ，此时a 处在接球状态；a - b a b _ ，如此反复。 在任一时刻，球要么是a b ，要么是b a ，只会处于这两种状态中的一个。 在d t i 通信过程中，线路上的d t i 信息也是这样，在任一时刻，要么是客户端发 往服务器的，要么是服务器发往客户端的，只会有这两种可能，不存在别的状态。 d t i 的乒乓通信跟乒乓球运动很相似，但还是有些差异，主要在于： 球不同 乒乓球运动中，比赛双方击打的球只有一个，完全相同：但在d t i 乒乓通信 中，服务器发往客户端和客户端发往服务器的数据是不同的。服务器发往客户端 的数据称为s e r v e r 帧，客户端发往服务器的数据称为c l i e n t 帧。s e r v e r 帧和c l i e n t 帧的内容不同，在d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议中有着明确的规范。s e r v e r 帧和 c l i e n t 帧的设计规范，在3 2 节有具体介绍。 击球时间 乒乓球运动中，比赛双方接球和击球所需的时间不一定相同；但在d t i 乒乓 通信中，服务器发送数据给客户端所占时间与客户端发送数据给服务器所占时间 是完全相同的。在d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议中，通信线路上传递的层次最高 的数据单元称为帧时隙，一个帧时隙由s e r v e r 帧和c l i e n t 帧构成，s e r v e r 帧和c l i e n t 帧所占时间相同；d o c s i s 定时接口服务器与客户端需要传送的信息按特定的格式 被组成一个个帧时隙，在线路上传输，实现两者的通信。帧时隙的结构如图3 1 所 示，a 代表服务器，b 代表客户端。 i 畎i f f l 篱en - i 巾# f i 4 i 篱ni i j 贞l f 寸i 笏en + l s e r 、，e ri 帧 lc l i e n tl | l ! ； s e r 、e r 帧c l i e n t 帧 s e n - e ri 陂 ic l i e n t 帧l a b a b 呻a b 啼a 图3 1 帧时隙结构图 运动员特权 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章d o c s i st i m i n gi n t e r f a c e 协议分析 乒乓球运动中，比赛双方完全平等，不存在主次，发球权用抓阄的方式决定， 实现绝对公平；但在d t i 乒乓通信中，最先发球的总是服务器，客户端没有发球 机会。 接发球切换 乒乓球运动中，比赛双方通过眼睛感知球的位置从而进行接球准备击球动作 的切换；但在d t i 乒乓通信中，服务器和客户端都没有眼睛，如何进行发送接收 切换? 可以在设计中，通过设置一个帧信号f r a m e 来实现服务器的“眼睛”功能。 丘a m e 是一个特定的信号，有着自己固定的时序，如图3 2 所示。 f r a m e 厂 厂 【j 1 j 【一 图3 2f r a m e 信号的时序 本文所设计的d o c s i s 定时接口服务器规定：当f r a m e 为高时，服务器发送数 据给客户端；当f l a