（通信与信息系统专业论文）adsl话音分离器的网络化测试系统设计与实现.pdf

摘要 近年来，随着i n t e r n e t 的飞速发展，人们提出了多种宽带接入网技术来接入 i n t e r n e t ，其中a d s l 是最具有竞争力的技术之一。a d s l 话音分离器在a d s l 宽带网 线路中起到分离低频话音信号和高频数据信号的作用。鉴于目前市场上尚无高效 实用的a d s l 话音分离器测试设备，本课题受常州市无线电元件六厂委托，研究和 实现了一种能够快速、批量、准确测试a d s l 话音分离器多种性能参数的嵌入式测 试系统。 论文根据用户需求和有关标准，提出了兼容下一代网络的嵌入式a d s l 话音分 离器测试系统方案。论文主要实现t a d s l 话音分离器测试仪硬件和控制软件，构 建了支持i p v 4 和i p v 6 双栈的嵌入式网络控制平台，编写了基于该平台的嵌入式 w e b s 务软件及测试信息远程监控软件，并搭建了支持双栈的网络环境对该系统 性能进行测试。该系统已经投入使用，各项性能指标均达到既定要求，得到企业 用户的认可。 本课题综合运用电子电路设计、嵌入式系统开发、计算机网络通信等多方面 技术，实现了能够快速、批量、准确测试a d s l 话音分离器各种性能参数的网络化 测试系统。根据实际需要灵活构建具有多种通信方式的嵌入式测试系统，为用户 节约开发、运行成本；同时开发了基于i p v 6 年d i p v 4 双协议栈的嵌入式w e b 化网络 接口软件作为远程访问接口，将下一代以太网技术延伸到监控设备中，对研究下 一代网络技术和嵌入式设备具有重要意义。 关键词：a d s l 话音分离器；双协议栈：i p v 6 ；远程监控 a b s t r a c t r e c e n t l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，v a r i o u sk i n d so f b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ka r eb r o u g h ti n t ot h ew o r l d ，a m o n gw h i c ha d s li s t h em o s tc o m p e t i t i v et e c h n i q u e a d s ls p l i t t e r st a k ear o l eo fs e p a r a t i n g l o w - f r e q u e n c ya u d i os i g n a l sf r o mh i g h f r e q u e n c ys i g n a l s c o n s i d e r i n g t h e r ei ss t i l ln oe f f e c t i v ea d s ls p l i t t e rt e s td e v i c ei nt h ef i e l d ，t h i s p r o j e c t ，w h i c h i sf r o mc h a n g z h o un o 6r a d i oc o m p o n e n t s f a c t o r y ， r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sas e to fe m b e d d e dt e s ts y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e su s e r sr e q u i r e m e n tf o rt e s ta n dc o m m u n i c a t i o n ， i n t r o d u c e st h er e l a t i v es t a n d a r d s ，g i v e st h ed e s i g no fa d s ls p l i t t e rt e s t s y s t e m w h i c hi sc o m p a t i b l ef o r t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) t h e p a p e ra l s od e s i g n st h ee m b e d d e dt e s th a r d w a r e ，c o n s t r u c t st h ee m b e d d e d n e t w o r kc o n t r o lp l a t f o r ms u p p o r t i n gd u a ls t a c k so fi p v 4a n di p v 6 ，d e v e l o p s t h ee m b e d d e dw e bs e r v e rp r o g r a m ，s e t t i n gu pan e t w o r ke n v i r o n m e n tf o rt e s t e x p e r i m e n t s t h es y s t e mh a s b e e n u s e di np r a e t i c e ，a n dm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fu s e r t h e p a p e r i n v o l v e s m u l t i p l et e c h n i q u e s o fc o m p u t e rn e t w o r k a p p l i c a t i o n ，e l e c t r o n i cc i r c u i td e s i g n ，a n de m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t t h ei n n o v a t i o nr e l i e so nt w oa s p e c t s o n ei st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p l e c o m m u n i c a t i o nw a y st os a v et h ec o s to fd e v e l o pa n dr u n n i n g ，c o n s i d e r i n g u s e r sp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s t h eo t h e ri st oe x t e n dt h en g nt e c h n i q u e i n t ot h er e m o t em o n i t o r i n gd e v i c ed e v e l o p m e n t ，w h i c hb r i n g sb e t t e r p r a c t i c a tv a l u ea n de x t e n d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：a d s ls p l i t t e r ：d u a ls t a c k s ：i p v 6 ：r e m o t em o n i t o r i n g 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 2 主i 垒鱼2 衫年岁月? 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 口 论文作者( 签名) ： 【型兰跏7 年；月矽日 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 第一章绪论 1 1 课题研究背景及其意义 本课题受常州市无线电元件六厂委托进行开发，主要研究并解决a d s l 话音 分离器的多个性能参数的快速测试和通过嵌入式网络化设备实现对测试设备的 远程监控这两大问题。 在多种宽带接入网技术中，a d s l 是最具有竞争力的技术之一。a d s l 话音分离 器( a d s ls p l i t e r ) 是a d s l 宽带网线路中用于分离低频话音信号和高频数据信 号的关键部件，其质量关系到通话质量和数据传输的完整性。有了a d s l 话音分离 器，在使用电话时就不会因为高频信号的干扰而影响话音质量，也不会因为在上 网时打电话由于话音信号的串入影响上网的速度。 a d s l 的应用非常广泛，因止l a d s l 话音分离器在日常生活中的需求量也越来越 大，而其生产质量和生产效率亟待提高。要快速有效的判断和排除其质量问题， 就需要提高对a d s l 话音分离器的测试水平，但目前尚无经济实用的a d s l 话音分离 器测试设备，这给该类产品质量检测带来了困难。 本课题立足于企业实际需求，深入研究a d s l 话音分离器测试系统的软、硬 件设计，从而实现对a d s l 话音分离器的多模块、多参数的快速准确测试以及测 试过程的远程监控，为同类产品的质量检验提供支持。 1 2 相关技术研究现状 下面就该课题所涉及的技术领域研究现状作简单介绍。 l 、a d s l 、a d s l 话音分离器及其测试技术“” a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) ，即非对称数字用户环路，是 在电话线两端分别装置一个a d s lm o d e m ，实现高速不对称数字信号传输的一种 技术：在这段电话线上有三个信息通道：一个速率为1 5 m b p s 一8 m b p s 的高速下行 通道，用于用户下载信息；一个速率为i o k b p s i m b p s 的中速双工通道；个普 通的老式电话服务通道；且这三个通道可以同时工作。 a d s l 接入方案在网络拓扑结构上较为先进，每个用户都有单独的一条线路 与a d s l 局端相连，它的结构可以看成是星型结构，它的数据传输带宽是由每个 用户独享的。 a d s l 话音分离器在将语音信号和资料信号分开后，增加了滤波功能，做到 泾渭分明：低频话音信号由分离器接电话机用来传输普通话音信息，高频数字信 号则接入a d s lm o d e m ，用来传输上网信息和v o d 视频点播节目。目前，生产该 坷海大学硕士论文 a d s l 话音分离嚣的网络化测试系统设计与实现 类产品的企业或由技术工人用万用表、扫频仪等测试仪表对所有或抽取部分产品 模块逐个参数进行测量，或用价格高昂的进口电子测量设备进行检测，前者的手 工方式测试方法落后，速度慢、效率低，只能大体上定性的评判产品质量，测量 结果的准确率和精确度不高；后者测试成本高，很多中小企业难以企及。 2 、嵌入式系统的研究现状 到目前为止。嵌入式系统技术发展经历了四个阶段。： 第一阶段以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统 中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。 第二阶段以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 第三阶段以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。 第四阶段以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。 嵌入式系统技术日益完善，己经从简单走向成熟，随着与网络、i n t e r n e t 日益密切的结合，过去大量的浩如烟海的嵌入式设备，如仪器仪表、数据采集和 显示、过程控制、工业自动化、家庭自动化等的实时应用，已经到了享受网络方 便的时候，嵌入式网络仪表也成为近年来全球研究的热点问题“。 3 、网络化测控设备的研究现状 网络化测控设备在近几年逐渐兴起，它将传统或智能化的测试功能扩展到网 络上，由传统或智能化测试设备加上网络接入功能构成。它是适合在远程测控中 使用的测试设备，是嵌入式技术、仪器仪表测控技术、网络通信技术、现代计算 机技术、电子技术深度融合的结果，是将测控设备接入i n t e r n e t i n t r a n e t ，成 为i n t e r n e t i n t r a n e t 中的独立节点，使之成为执行测量与控制任务的w e b 站点。 测试设备的网络化是基于以太网方式，该方式采用标准t c p i p 协议”，系 统组网容易，传输速率高。同时不受地理和空间的限制，只要i n t e r n e t 和 i n t r a n e t 可连接到的地方，均可通过浏览器实时地监控设备的运行状态，改变 了传统监控系统的封闭局面：同时随着i n t e r n e t 技术的迅速发展，i n t e r n e t 已 经渗透于教育，商业，生产，工业等领域部门，对社会的发展起着重要的作用， 因此网络化测控设备是远程监控应用的热点”3 。 4 、下一代网及其安全性的分析 目前接入i n t e r n e t 主要基于t c p i p 协议，i p 协议版本为i p v 4 ；但随着移 动和宽带技术的发展，i p 地址的需求将越来越大，例如大量终端如传感器、仪 表等i p 的接入需要更多的i p 地址。面对下一代网络对i p 地址的巨大需求，i p v 4 显然无法满足。为解决地址空间以及其它一些i p v 4 中的疑难问题，产生了p v 6 协议。i p v 6 所解决的最重要问题就是增加i p 地址的需要，i p v 6 充裕的( 1 2 8 位) 地址空间为支持因特网的预期增长与发展需要提供了足够数量的全球唯一地 河海大学硕： 论文 a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 址。同时i p v 6 提高路由选择与数据包处理的效率，具即插即用、自动配置和地 址重新编号功能，支持嵌入式i p s e c ，以及避免网络地址转换( n a t ) 的需要等 优点 9 。因此i p v 6 协议将是以太网技术未来的发展趋势。 相对于i p v 4 ，i p v 6 主要提供了以下新特性。1 ： a ) 长达1 2 8 位的新地址结构。同时定义了新的地址类型。 b ) 安全结构。i p s e c 架构提供了网络级认证和加密。i p s e c 包括用于鉴别网 络包的认证包头( a h ) 和用来加密网络传递内容的封装安全有效载荷( e s p ) 。i p s e c 是一个灵活的架构，可以使用各种不同的密码算法和密钥交换机制。i p s e c 也可 以用于i p v 4 ，但不是强制性的。 c ) 自动配置。由于有较大的地址空间，i p v 6 被设计成能在保持全球唯一性 的同时自动配置设备地址。 d ) 服务质量功能。i p v 6 包的包头包含了实现q o s 的字段，通过这些字段可 以实现有区别的和可定制的服务。 e ) 性能提升。报文分段处理、层次化的地址结构、包头的链接等方面使i p v 6 更适用于高效的应用程序。 f ) 可移动性。i p v 6 包含了针对移动i p 的结构。一个主机可以漫游到其他网 络，同时保持它最初的i p v 6 地址。 上面提到的i p v 6 的新特性中除了q o s ，其余特性都能直接或间接地对网络 安全产生巨大影响“”。“，主要体现在以下方面： a ) 编址方式 与i p v 4 相比，新的地址结构有了彻底改变。首先，由于i p v 6 的地址空间扩 展为1 2 8 位，大大限制了现在的强制闯入攻击方式。一般的网络攻击通常需要提 前侦查( 如扫描网络寻找合适的攻击目标) ，这在i p v 4 中很容易实现，通常扫描 的范围需要数百到数千个地址。像这种地址范围，攻击者可以很快测出所有的在 线地址。 i p v 6 使用了几种地址类型。其中包括： 单播：一个单接口的标识符。送往一个单播地址的包将被传送至该地址标识 的接口。 泛播：一组接口( 一般属于不同节点) 的标识符。送往一个泛播地址的包将被 传送至该地址标识的接口之一( 根据选路协议对于距离的计算方法，选择“最 近”的一个) 。 组播：一组接口( 一般属于不同节点) 的标识符。送往一个组播地址的包将被 传送至有该地址标识的所有接口。 通常，在单播通信中使用本地链路地址和可聚合全球单播地址。本地链路地 址在连接到同一本地链路的节点之间使用，当在一个节点启用i p v 6 协议栈时， 河海大学硕士论文a d s l 衍肾分离器的嘲络化测试系统设计与实现 节点的每个接口自动配置一个本地链路地址。可聚合全球地址用于全球通信，这 个地址可以自动配置，也可以通过d h c p 配置。两种地址格式都由前缀部分( 在全 球地址中有分层的网络部分) 和接口标志符两部分组成。接口标志部分有6 4 位， 就是说最小可能的本地地址空间就是2 6 4 。在这种情况下，很难通过扫描方式来 探测活动主机。 尽管巨大的地址空间可以阻止一些攻击，但更多是通过隐匿性实现安全性， 这不是高效的防治攻击方式。巨大的地址空间能加大攻击者的工作量，但同时也 会影晌到一些反攻击工具( 安全扫描器和i d s 工具) 的使用。另外，巨大的地址空 间对于恶意用户的鉴定也提出了难题。i p v 6 中的组发地址定义方式给攻击者带 来了一些机会。 i p v 6 不支持地址转换( n a t ) 。地址转换在i p v 4 中被广泛用于为内部网提供 充足的地址，同时可以隔离内部网，提供一定程度的网络安全性，许多人把这看 成是n a t 的一个优势，认为缺乏对n a t 的支持是i p v 6 的劣势。然而在i p v 6 中， 这些功能可以通过防火墙来实现，而不会有n a t 的缺点( 中断了用户端到端的连 接) ，但至今还没有一种成熟的i p v 6 防火墙技术。 b ) i p s e c 使i p v 6 的安全性得到明显增强的是i p s e c 。i p s e c 提供对数据包i p 层的认 证和对独立的包及流量的加密。在i p s e c 框架中，加密算法可以用作内置的方式， 从而i p s e c 可以完成创建v p n 的任务。虽然由于钥匙管理方面的困难、应用接口 还没有标准化等原因，i p s e c 目前还不会成为通用的安全解决方案，但从其优越 性，我们完全可以相信这一特性将会在未来网络安全中起到重要作用。 c ) 自动配置与邻居发现 自动配置是能使节点通过多种方式获取配置信息的一种机制。系统开创个 节点时会为接口创建一个本地链路地址( l l ) ，这是一个完全自治的行为，它通过 在本地链接前缀( f e 8 0 ：6 4 ) 后面添加接口的硬件标志e u i 一6 4 标志来实现。本 地链路地址在给定的链路上是唯一的，只能用于给定链路上的通信。所有进一步 的配置都是在本地链路地址的基础上通过i p 协议实现的。 i p v 6 的自动配置可以是有状态的，也可以是无状态的。在简单情况下使用 无状态自动配置，节点自己配置用于进行全球通信的最少信息。这是在无状态的 方式下进行的，就是说不用对配置的节点保留状态，配置自动进行。像网络前缀 这样的信息是通过路由器广告来收集的。如果无状态配置被开启了，它将为所有 接口分配地址，实现网络连接。事实上，一个管理良好的网络不应该让任意( 可 能是恶意) 主机都能实现连接，但是无状态配置方式无法作到节点的判断和选择。 邻居发现协议( n d p ) 负责路由器和网络前缀的发现、重复地址的探测、邻居 能否到达以及链路层地址的判断。n d 的功能像i p v 4 中的a r p 和i c m p 的一部分 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 功能。n d 是实现自动配置的前提。相对于i p v 4 ，n d 和i p v 6 自动配置的最大优 势在于它们是完全基于i p 的，而a r p 和i c m p 挤议依靠链路层。虽然通过伪造 n d 包，n d 可能被不同的方式攻击。这些包可能会影响邻居发现过程，从而导致 某些节点无法到达。然而由于n d 的工作方式，这些攻击只能在同一个网段进行， 这样大幅度减小了破坏性。在有可能存在不可信任节点的网络中，网络管理人员 可针对这些攻击制定一些保护措施。所以，尽管有种种不足，n d 还是能够提供 比i p v 4 中相关的协议更好的安全性。 d ) 性能提升 性能提升间接影响了i p v 6 的安全性。性能提升包括层次化地址、简化包头、 扩展包头、传输中不再进行分段几个方面。 从安全方面考虑，包头的变化非常重要。相对i p v 4 而言，i p v 6 的包头非常 简单，而且具有同定的长度，这大大简化了对包头的处理。所有可选的部分都移 到扩展包头部分，它们之间构成一个链式结构。有许多不同的扩展包头，有些只 与终端节点有关，有些要被每一个节点处理。扩展包头的处理顺序是只与终端相 关的在链尾，这样路由器在处理包的时候可以不必检查它们。 同样，传输中不再分段对安全性也有明显影响。由于传输中不再分段，大大 降低了被攻击者在中问路由器进行攻击的可能性。 e ) 可移动性 可移动性是i p v 6 中一项复杂的功能，牵涉到多个实体( 移动主机、本地代理 等) 。这样，有关移动性最普通的操作都会导致不少安全上的问题。例如，移动 主机在非本地网的认证和授权。因为移动i p v 6 通过扩展包头存储移动主机的 “本地”地址，而“移动”地址却存在基本包头中，这样可能会导致地址哄骗攻 击。通过向本地代理提供虚假的信息，就可改变合法流量的流向。但是移动应用 还不是那么广泛，所以不会对普通网络产生影响。当使用移动功能时，网管必须 要谨慎使用过滤和监视机制。当前对移动性的实现方案并没有强调安全性，但是 最新的r f c 已经开始强调这个问题“。 由以上分析可以看出，相对于i p v 4 ，i p v 6 有着诸多优势，特别是在安全方 面有较大的发展空间。然而，由于网络软硬件投资、建设等多方面原因，尽管下 一代网络的发展势头迅猛，但i p v 4 被i p v 6 完全取代绝非一朝一夕能够完成，从 i p v 4 向i p v 6 的过渡需要经过相当长的多个阶段，因此二者势必会共存相当长一 段时间，未来的i p 网络将是i p v 4 网络与i p v 6 网络的集成网络。能够对两种协 议提供兼容技术的网络仪表必将在这段过渡时期受到欢迎，因此该课题所研究的 网络仪表必将在相当长时间内发挥作用，具有较好的应用前景和实用价值。 1 3 课题主要研究内容与关键问题 河海大学硕士论支a d s l 晤音分离器的网络化测试系统设计与实现 为了提高企业生产质量和质量检测效率，企业亟需开发准确率和精确度高、 测试速度快的专用于a d s l 话音分离器测试的系统，并希望能通过网络迅速方便 的浏览分析测试结果、监控生产质量，为此本课题主要研究以下几方面内容： l 、a d s l 话音分离器测试系统方案的研究与设计 2 、a d s l 话音分离器测试仪软、硬件设计与开发 3 、基于双栈的嵌入式操作系统的移植 4 、两种远程访问与监控方式的实现( w e b 方式和应用软件系统管理方式) 5 、基于双栈的测试网络的搭建以及系统测试 本课题的研究重点不是研究a d s l 话音分离器本身，而是实现对a o s l 话音分 离器的批量化快速测量，其中的关键问题有：提供多种测试信号、并对输出信号 进行准确快速的采集、转换和判断，基于i p v 6 v 4 双栈、具有快速处理网络访问 与一定的管理功能的高性能嵌入式网络接口软件的实现。 1 。4 论文的组织 本文共分为九章。第一章是绪论，简要介绍与本课题有关的背景、意义、研 究现状等内容，从而对全文有总体的把握；分析系统需求和性能指标等系统总体 设计目标，提出总体设计方案。第二、三、四章介绍a d s l 话音分离器测试仪的 软硬件设计。第五章在分析目前现有的多种嵌入式操作系统的优劣之处的基础 上，介绍基于$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式l i f l u x 网络接口的底层软、硬件构建过程。第六 章介绍基于嵌入式l i f l u x 的网络接口应用软件的设计，并给出主要功能模块的关 键实现技术。第七章是远程监控软件的实现与功能介绍。第八章是系统的测试过 程介绍。第九章为结论和展望。 1 5 系统需求与性能指标 本课题的功能需求主要有两方面的：一是a d s l 话音分离器的性能测试需求， 二是测试系统在i p v 6 v 4 双栈网络环境下的接入、访问等网络通信功能需求。 1 5 1a d s l 话音分离器测试仪性能指标 该企业所生产的a d s l 话音分离器产品原理如图1 1 所示，图中所示为委托 方提供的为配合全速率a d s l 用户侧设备的话音分离器，在图中，a 线和b 线中 的x l x 2 为线路接口，y i y 2 为用户端p o t s ( 普通电话业务) 接口。 河海大学硕士论文 a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 图1 1 测试及校正接点图 根据国家有关标准。“”1 和企业实际要求，该测试系统所要达到的指标包括两 方面：对a d s l 话音分离器产品的主要性能参数的测试指标以及对测试仪器自身的 要求，下面分别予以说明。 a d s l 话音分离器产品的主要待测性能参数包括： 1 、语音频带插入损耗：是指当分离器的p o t s 接口和线路接口的音频特性阻 抗为6 0 0 ( ) 时，分离器产生的1 0 2 0 h z 的插入损耗( 衰减) 不大于o 3 d b 。这里选取 1 2 k h z 、输出内阻为6 0 0q 、l v 有效值的正弦波信号进行测试。 2 、信号频带衰减：是指对于3 0 3 0 0 k h z 的正弦信号，从p o t s 接口测出的 衰减应大于5 5 d b ；对于3 0 0 1 1 0 4 k h z 的正弦信号，从p o t s 接口测出的衰减应 大于5 0 d b 。这里主要测试3 0 k h z 、2 0 0 k h z 、3 0 0 k h z 、5 0 0 k h z 、l b i h z 这五个频率 点的衰减值。 3 、a d s l 话音分离器直流电阻( 电感电阻) ：阻值范围要求在1 8 q 到2 5 q 内。 为方便说明一般将单个a d s l 话音分离器产品简称为待测模块： 对测试仪器自身的指标要求有： l 、一批最多能测试4 0 个模块，测试速度为每批( 4 0 个) a d s l 模块的测试时 间不超过3 5 秒，对模块测试的误判率小于5 。 2 、供电电源：5 0 h z ，k c 2 2 0 v 3 、工作环境温度：1 5 一3 5 相对湿度： 8 5 4 、加载在信号模块上的线路接口( x l x 2 端) 输入端的信号电压v i n 有效值为 l v ，1 2 k h z 1 0 5 m z 时误差为 4 5 0 0 1 5 2 网络通信需求分析 根据企业实际情况，该测试系统在通信方面有如下要求： 1 、在工作车间内，工人就近测试，使用测试仪器进行本地操作； 2 、管理人员可以在办公室、家中或外地出差时远程浏览测试情况 3 、尽量考虑适应未来网络通信发展趋势。 对此，本系统制定以下通信方案： 河海大学硕士论文 a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 1 、测试现场采用串口r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 的通信方式连接测试仪与核心控制 器进行现场数据传递。这种方式虽然比较传统，但却十分经济实用，适用于该系 统测试现场要求。 2 、远程管理人员的计算机与核心控制器之间采用基于i p v 6 v 4 双栈的以太 网络接口互联，即二者不但能通过现有互连网通信，同时也能通过i p v 6 协议通 信，从而与下一代网络兼容。 3 、为远程管理人员提供两种具体监控方式：基于w e b 的监控方式和基于远 程监控的应用软件方式。前者在系统中实现支持双栈的嵌入式网络接口软件，使 得网络仪表可以接受来自i p v 4 和i p v 6 主机浏览器的访问请求，根据请求向普通 用户提供测试数据信息，向管理员提供服务器运行状况、日志记录、访问统计等 信息管理功能。后者则开发运行于远程客户端的应用软件，实现对测试信息的监 控和维护管理。两种方式各有特点，可以有效互补，供用户灵活选择。 1 6 系统总体设计 1 6 t 系统整体结构设计 根据以上分析，本系统的整体结构框架设计如图1 2 所示，从左至右，系统 整体结构可分为三层。最底层为左侧基于单片机的测试仪，运行在企业车间各测 试现场；中间层为基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统，这两层之间通过4 8 5 总线进行 通信：第三层则是通过互联网络访问嵌入式仪表的远程计算机，这样，管理人员 可以方便、及时地了解车间中的测试情况。 图1 2 系统整体结构框架图 件 控 河海大学硕士论文 a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 1 6 2 系统功能模块设计 系统各层的功能模块设计如图1 3 所示。功能模块也分为三层，运行于底层 m c u 测试设备中的测试仪控制程序一方面在车间工人的操作下完成a d s l 分离 器模块的测试，并将数据存储在临时数据缓存区，另一方面将通过串口与基于 a r m 的嵌入式网络设备通信，将有关传送上去。中间层嵌入式网络接口中设有 嵌入式数据库，用以存储一段时间内的测试信息，供远程监控软件读取，并为嵌 入式网络接口软件提供数据支持。第三层远程监控软件则为管理员提供较为全面 的查询、管理和维护测试系统的功能。 基于a r m 的 本章小结 图1 3 系统功能模块图 本章介绍了课题背景和相关技术：根据用户提出的系统性能指标和通信要求 进行了具体的需求分析，然后提出了系统的总体设计方案，确定采用由底层测试 仪一嵌入式网络接口一远程监控组成的三层结构。 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 第二章a d s l 话音分离器测试仪总体设计 本章具体介绍a d s l 话音分离器测试原理和测试仪部分的总体设计方案。 2 。1a d s l 话音分离器的测试原理 在测试原理上，本系统按照国家信息产业部标准“，在a d s l 话音分离器的 输入端接入信号发生器，在输出端将接收到的输出信号进行信号放大，然后由 a d 转换器对信号采样、转换再将结果传给m c u 处理。针对如图1 1 所示待测模 块的结构特点，本系统应至少有两种地线才能避免将待测产品中a 或b 线的两个 电感短接。测试原理如下图2 1 所示。 鬻 7 i信号放大，1 a d 换器广。 m c u 纛 十 王j 至 制器 1 信号发生器i _ l 潮 图2l 测试原理图 具体测试中，本系统针对语音频带插入损耗、信号频带衰减和直流电阻阻抗 等不同的性能参数的测试配置分别进行设计，测试原理分别如图2 3 、图2 4 和图 2 5 所示。根据国家有关标准，在相关测试中，在分离器输入端必须并联有a d s l 端口终结电 g j z h p - “1 ，元件的允许误差为电容2 5 ，电阻1 ，电感5 ，其电路 结构如图2 2 所示。 x ? 1 岬一 1 x 2 一h o 1 0u fo 0 4 7 m h 图2 2a d s l 端口终结电阻z h p l 、频带插入损耗测试步骤如下： a ) 按图2 3 接通被测通路； b ) 开关k 罨“1 ”位置，移去分离器，信号发生器发送频率为1 0 2 0 h z 、电平 为- 1 0 d b m 的正弦信号，选频电平表测出电平p o ； c ) 开关k 置“2 ”位置，接入分离器，信号发生器发送频率为1 0 2 0 h z 、电平 0 盏跚 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 为一l o d b m 的正弦信号，选频电平表测出电平p d ) p , , - p 即为分离器的插入损耗； 选频电平 内阻6 0 0 信号发生 内阻6 0 0 髫，口 夫一 三些之 图2 _ 3 用户端分离器话音a d s l 频带插入损耗测试配置 信号发生器 内阻6 0 0 q 选频电平表 内阻6 0 0 q 2 、信号频带衰减测试步骤如下： a ) 按图2 4 接通被测通路； b ) 开关k 置1 位置，把分离器移开，信号发生器分别发送频率为3 0 3 0 0 k h z 与3 0 0 1 1 0 4 k h z 中的选定频率点、电平为一l o d b m 的正弦信号，选频电平 表测出各频点的电平p 0 ： c ) 开关k 置“2 ”位置，接入分离器，信号发生器分别发送频率为3 0 3 0 0 k h z 与3 0 0 i 1 0 4 k h z 中的选定频率点、电平为一l o d b m 的正弦信号，选频电平表测出 各频点的电平p ： d ) 各频点的p o - p 即为分离器的a d s l 频带衰减。 选频电平表 内阻1 0 0 q 选频电平表 内阻6 0 0 q p o t s 接口线路接口 图2 4 用户端分离器a d s l 频带衰减测试配置 信号发生器 内阻1 0 0 q 河海大学硕士论文 一d 3 s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 3 、a d s l 分离器直流电阻阻抗测试步骤如下： a ) 按图2 5 接通被测通路； b ) 将分离器的线路接口短路，从电阻测试表中读出的电阻值即为线路接口短路 条件下用户端分离器的直流电阻 p o t s 接口线路接口 短接 图2 5 用户端a d s l 分离器直流电阻阻抗测试配置 2 2a d s l 话音分离器测试仪总体结构设计 测试仪功能结构框图如图2 6 所示，几个主要功能模块介绍如下 图2 6 测试仪功能结构框图 扫频式信号源：实现规定频率点的正弦信号输出。 多路选通模块：由一系列开关组成，其功能为在m c u 的控制下实现扫频信号 发生器信号在4 0 个测试产品上的分时。要求切换速度快，开通电阻小( 典型为不 大于l 欧) ，关闭电阻大( 典型为大于1 0 0 m 欧) 。 m c u 控制模块：实现对整个测试过程的总体调度控制。 信号放大整形模块：该模块电路是a d s l 语音分离器反向抑制能力测试的关 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 键，也是整个系统设计中难度最大的关键功能模块之一。采用一般的放大器( 包 括仪表放大器) 很难达到实际设计的要求，必须选择高增益带宽( 总增益为g 4 5 0 0 时，仍然能达到1 2 e q z 的带宽) 、高精度、高共模电压抑制比、低噪音、 低失真和低失调电压的放大器。 a d c 数据采集转换模块：实现电压信号采集，并转换为数字信号。 输入输出接口模块：对性能参数有问题的a d s l 产品模块能够及时显示指示出 来，测试数据可以通过r s 4 8 5 接口与上级系统进行通信传输。 本章小结 本章首先介绍了按照国家有关标准对a d s l 话音分离器相关性能参数的基本 测试方法和要求：其次，介绍了a d s l 话音分离器测试仪的总体结构设计，对各个 功能模块予以说明。 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 第三章a d s l 话音分离器测试仪的硬件设计 本系统中测试仪硬件电路需要完成的检测参数众多，指标要求很高。硬件设 计过程中必然存在，检测单元多、开关电路状态复杂( 5 0 0 种以上状态) 、待测信 号弱小、抗干扰性要求较高等问题。需要对这系统各模块的设计进行多方案的实 验对比研究，从而找出最佳的设计方案。经过段时间的研究和实际实验测试， 硬件电路已达到系统检测的指标要求。 3 1 硬件设计原则 在设计硬件架构时，为了保证系统的稳定可靠、高速高效运行，获得最佳设 计效果，必须综合考虑技术可行性、先进性、经济实用性以及安全性、可扩展性 等，因此系统硬件设计主要遵循以下原则“： l 、硬件平台的通用性原则； 2 、尽可能选择典型电路，并符合器件的常规用法，为硬件系统的标准化、 模块化打下良好的基础； 3 、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑：硬件结构与软件方案会产生相 互影响，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构： 4 、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留 有适当余地，以便进行二次开发； 5 、系统选型要综合考虑经济实用性和性价比，相关器件要尽可能做到性能 匹配。 3 2 主控电路 为了满足系统测试速度快、性能稳定的要求，主控电路的微处理器的选择很 重要。系统中采用s t c 8 9 c 5 1 r d 系列的s t c 8 9 c 5 l r d l 6 + 芯片，该款微处理器主要 具备以下特性“”： 最高时钟可达到3 3 m h z 或以上： 内部存储空间较大，具有6 4 kr o m 和1 2 8 0 字节的r a m ； 由于该芯片内部的电源供电系统、时钟电路、复位电路等部分都经过特 殊处理，因此具有较强的抗干扰性； v ，超低功耗，所具有掉电、空闲和正常工作三种模式的功耗分别为 0 1 u a 、 2 m a 、4 - 7 m a ， 主控芯片接口与各模块的分配如下图3 1 所示。 河海大学硕士论文 a d 3 s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 s t c 8 9 c 5 1 r d l 6 + 键盘与显示接口1 p 00 - p 0 3p 1 o p 1 7 斗 多路选通开关模块 i n t o i n t lp 2 o p 2 2 信号发生模块 p 2 3 p 2 4 斗 信号放大模块 串口接口模块| p , x d ，t x d p 2 。5 p 2 7 a d 转换模块 m c u 图3 1m c u 接口分配图 3 3 模块切换与信号选通开关电路 该模块共采用5 片7 4 l s l 6 4 作为每批( 4 0 个) a d s l 话音分离器模块的切换电路， 每片控制8 个模块，并为每一个模块分配一组由两片a q v 2 1 2 a 光电继电器芯片构成 的检测开关组合，从而实现各种信号选通和4 0 个模块的依次切换。光电继电器 a q v 2 1 2 a 具有导通电阻小( 1q ) 、关断电阻大( 可达到1 0 0 0 m q ) 、导通电流大( 可 达n 2 0 0 r i l a ) 以及响应速度快等特点”，比较适合系统对切换开关的要求。 3 4 信号发生模块电路 根据系统要求，信号发生电路应采用线性失真较小、高速、带宽可以达到 1 5 m h z 的信号发生器件，信号输出范围为1 k h z 一1 2 m h z ，信号扫描输出点为 3 0 l o o 个。 该模块主要由光电隔离、d a 转换、精密电流源、信号发生四部分电路组成。 采用光耦来隔离m c u 系统和信号发生模块的主要原因是光耦信号单向传输， 输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能 力强，并且恰好满足了系统多路地线分离的要求。 本系统选用的d a 转换芯片是a d 公司新推出的a d 5 3 0 0 ，这是一款2 7 v 5 v 单电 源供电的8 位d a 转换芯片，具有串行输入接口，低功耗，封装简洁“”。 信号发生部分采用m a x 0 3 8 芯片，这是m a x i m 公司生产的一通用波形发生芯片， 它比起以前比较常用的函数发生器件女1 j 8 0 3 8 系列，从频率范围，频率精确度， 对芯片及波形的控制性能，用户使用的方便性等方面都有了很大的提高，因此 可广泛应用于波形的产生，压控振荡器，脉宽调制器，频率合成器，及f s k 发生 器等。m a x 0 3 8 的性能特点有“8 “”： 1 、能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。 河海大学硕士论文a d s l 话音分离器的网络化测试系统设计与实现 2 、频率范围从0 i h z 2 0 m h z ，最高可达4 0 m l l z ，各种波形的输出幅度均为 2 v ( p - p ) 。 3 、占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，互不影响，占空比最大调 节范围1 0 9 0 。 4 、波形失真小，正弦波失真度小于0 7 5 ，占空比调节时非线性度低于2 。 5 、采用5 v 双电源供电，允许有5 变化范围，电源电流为8 0 m a ，典型功耗 4 0 0 m w ，工作温度范围为o 7 0 。 6 、内设2 5 v 电压基准，利用控制端f a d j 、d a d j 实现频率微调和占空比调节。 本系统中，由m c u 通过光电耦合器向a d 5 3 0 0 发送数据，a d 5 3 0 0 产生相应的电压 输出，输出信号通过由运放n e 5 5 3 2 构成的精密电流源转换后传递给芯片m a x 0 3 8 的1 0 脚( f i n 脚) ，使m a x 0 3 8 输出对应的信号频率。信号发生模块电路如图3 2 所示。 图3 2 信号发生模块电路图 3 5 信号采集与转换电路 设计要求该模块达到相当于模拟表1 级的测量精度，因此该模块必须采用 1 2 一1 6 b i t ( 满量程测量范围为4 0 9 6 一- 6 5 5 3 6 ) 的高性能a d c ，转换速度比较高，线 河海大学硕士论文a d d s l 话音分离器的嘲络化测试系统设计与实现 性较好，接口比较少的a d c ，以便节省m c u 的i o 口资源。 在此选用a d 7 8 9 4 作为a d 转换器，这款芯片分辨力为1 4 b i t ，+ 5 v 单电源供电， 输入电压信号范围为一2 5 v 十2 。5 v ，典型功耗为2 0 r a w ，具有高速s p t