（通信与信息系统专业论文）同步原理在e1链路扩展中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 通信技术的不断发展要求通信网络逐步实现数字化、综合化、智能化和 个人化。接入网( a n ，a c c e s s n e t w o r k ) 作为现代电信网络不可缺少的一部 分，是实现通信现代化的关键的一。v 5 标准接口的引入使得接入网与本地 数字交换机直接采用数字相连，使数字通道靠近或直接连接到用户，实现了 接入网的数字化。在接入网的数字传输中，为了能使数据准确无误的进行传 输，前提就是要求接入网的各部分能够完成同步。 作者结合科研项目的实际情况，对仲琦( 香港) 股份有限公司的按入网 设备h t c 一5 2 0 0 a n 的中继板卡q e l ( e lx 4 ) 系统的同步技术进行了较深入 的研究。论文首先介绍了当前数字通信中同步技术的发展现状，然后介绍了 接入网设备h t c 一5 2 0 0 a n 的基本架构和组网模型，在分析了e 1 中继板卡在 设备和接入网中的作用后，提出了开发q e l 中继板卡的目的和优势，并结 合已有的条件，详细的说明了q e l 中继板卡系统的软硬件设计方案。在针 对q e i 中继板卡系统实际的开发情况后，本文分析了该系统所涉及的同步 问题( 包括位同步、帧同步、复帧同步和网同步) ，在概率论的基础上分析 了q e l 系统的帧同步系统的性能，并研究了各种同步技术在q e l 中的实现。 本文给出了q e l 的硬件电路图和部分与同步实现相关的软件实现方法， q e l 采用软硬结合的方法完成系统的各种同步。q e l 系统在系统初始化时， 通过软件完成对硬件芯片p m 4 3 5 4 的初始化工作后，便可利用该芯片完成4 路e 1 的同步( 位同步、帧同步和复帧同步) ：在p m 4 3 5 4 完成时钟提取的任 务后，q e l 通过不断地访问p m 4 3 5 4 的状态寄存器，获得每路e l 的状态信 息，在时钟源的选择原则下，选择指定e 1 线路的恢复时钟作为整个 h t c 一5 2 0 0 a n 节点设备的外部参考时钟，从而解决了h t c 一5 2 0 0 a n 的中继 板卡由e 1 变为q e l 时所带来的网同步时钟源。本文在相关的章节中将详细 地给出p m 4 3 5 4 硬件上完成位同步、帧同步和复帧同步的实现的算法，并给 出q e l 在实现网同步过程中的软件算法和硬件电路示意图以及在项目开发 过程中，测试以上各种同步技术是否可行的技术方案。 关键字：接入网，q e l ，同步 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o n w i l lb e c o m e d i g i t a l ，s y n t h e t i c a l ，i n t e l l i g e n t i z e d ，p e r s o n a la n dg l o b a ls t e pb ys t e p a n dt h ea c c e s sn e t w o r ki st h ek e yo ft h em o d e m i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o n t h ei n t r o d u c t i o no f t h ev 5s t a n d a r di n t e r f a c ei ne x c h a n g er e a l i z e st h ed i g i t a ll i n k b e t w e e nt h el o c a l e x c h a n g ea n da c c e s sn e t w o r k ，m a k e st h ed i g i t a l c h a n n e l c o n n e c tw i t ht h es u b s c r i b e r sd i r e c t l yo rm o r ec l o s e l y , a n df i n a l l ya c h i e v e st h e d i g i t a l a c c e s sn e t w o r k i nt h ec o u r s eo ft h ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ea c c e s s n e t w o r k ，t h ea c c e s sn e t w o r km u s ta c h i e v es y n c h r o n i z a t i o ni no r d e rt ot r a n s m i t d a t u m a c c u r a t e l y a s s o c i a t e dw i t ht h er e s e a r c hp r o j e c t ，t h ea u t h o rh a sd o n es o m er e s e a r c ho n t h e t e c h n o l o g yo fs y n c h r o n i z a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to ft h eq e l ( e l 4 ) t r a n s c e i v e r , w h i c hi s o n et y p eo ft h et r a n s c e i v e ro fh i t r o n sa c c e s sn e t w o r k e q u i p m e n t h t c - 5 2 0 0 a n t h e p a p e r d e s c r i b e st h e d e v e l o p m e n t o ft h e t e c h n o l o g yo fs y n c h r o n i z a t i o n ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h e b a s i ch i v o n sa c c e s s n e t w o r ke q u i p m e n th t c - 5 2 0 0 a n ，i n c l u d i n gt h eb a s i ck n o w l e d g ea n dn e t w o r k m o d e l a f t e ra n a l y z i n gt h ee f f e c to fe 1t r a n s c e i v e ri nt h eh t c _ 5 2 0 0 a na n dt h e a c c e s sn e t w o r k ，t h ep a p e re x p l a i n st h ep u r p o s eo fq e l ( e l 4 ) a n dt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m e w i t ht h ec u r r e n tc o n d i t i o n ，t h ep a p e r r a i s e st h ep o i n to fs y n c h r o n i z a t i o ni nt h eq e l sd e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt h e s y r l c h r o n i z a t i o n o fb i t ，f r a m e ，m u l t i f r a m ea n dn e t w o r k a n d a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c ef r a m es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mb a s e do nt h et h e o r yo f p r o b a b i l i t y a n df i n a l l ye x p l a i n st h er e a l i z a t i o no f t h et e c h n o l o g yo f s y n c h r o n i z a t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i td i a g r a mo fq e la n ds o m es o f t w a r ef l o wc h a r th a v e b e e no f f e r e di nt h ep a p e r q e la c h i e v et h ew h o l es y n c h r o n i z a t i o nb ys o f t w a r e a n dh a r d w a r e d u r i n gt h ec o u r s eo f t h ei n i t i a l i z a t i o no f t h eq e ls y s t e m ，t h ec h i p p m 4 3 5 4c a na c c o m p l i s ht h et a s ko f s y n c h r o n i z a t i o no f b i t ，f r a m ea n d m u l t i f r a m e a f t e rt h ec h i pi n i t i a l i z a t i o nb yt h es o f t w a r e a f t e rp m 4 3 5 4a c c o m p l i s h e st h eb i t i i 武汉理工大学硕士学位论文 s y n c h r o n i z a t i o n ，q e l w i l lr e a dt h es t a t u s r e g i s t e r so ft h ep m 4 3 5 4t og e tt h e s t a t u so fe a c he 1c i r c u i ta n dc h o o s er e c o v e r e dc l o c ko ft h es p e c i f i e dt h ee l c i r c u i ta st h ee x t e r n a lt i m i n gs o u r c eo ft h ew h o l eh t c 5 2 0 0 a ne q u i p m e n t t h e r e b y , t h ec h o i c eo f e x t e r n a lt i m i n gs o u r c eb r o u g h tb yt h ec h a n g i n gf r o mt h e e 1t oq e lh a sb e e nr e s o l v e d i nt h er e l a t e dc h a p t e r s ，t h ep a p e rw i l le x p l a i nt h e a r i t h m e t i co fs y n c h r o n i z a t i o no fb i t f r a m e a n dm u l t i f r a m ei nt h ep m 4 3 5 4 h a r d w a r ea n dd e s c r i b et h es o f t w a r ea r i t h m e t i ca n dh a r d w a r es k e t c hm a p o fn e t s y n c h r o n i z a t i o n k e ”v o r d ：a c c e s s n e t w o n ，q e l ，s y n c h r o n i z a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 引言 自1 9 6 2 年美国研制成功第一台p c m 设备以来，数字传输方式的优越 性逐步被人们所认识。特别是到7 0 年代微电子技术、计算机技术的日趋成 熟以及数字程控交换机的问世，数字通信步入了一个崭新的阶段，数字传输 与数字交换的结合形成了数字通信网。 众所周知，在数字通信中，各个数字程控交换机的间是利用p c m 信号 来传递信息的。与模拟通信一样，也存在着收发端的间信号频率同步的问题， 即收端为正确识别及处理收到的信号，必须具有与发端信号频率相同的定时 信号，从丽使收发两端的信号在传输过程中达到同步。如果收发端的间频率 不一致，就会产生滑动等不良现象，最终影响通信质量。近年来，数字通信 的应用和研究有了长足的发展，数字网的同步技术同样也已成为i t u t 和 各国通信专业人员的重要研究课题。 本文结合同步原理，对仲琦( 香港) 股份有限公司的接入网设备 h t c 5 2 0 0 a n 中的中继板卡q e l ( e l 4 ) 系统开发中的同步技术进行了较 深入的研究。本文分析了q e l 系统中单路e l 的的位同步、帧同步和复帧同 步系统，对基本帧同步系统的性能进行了讨论；并针对在e 1 链路扩展后出 现的网同步的问题，进行了研究，并提出并印证了软件和硬件的解决方案。 全文共5 章，第一章和第二章为介绍性章节，对当前数字同步技术和仲 琦公司的接入网设备h t c 5 2 0 0 a n 进行了介绍。第三章详细说明了q e l 中 继板卡系统的软硬件设计，并提出了设计中出现的同步问题和相关的解决方 案。第四章在第三章的基础上，应用概率论的方法分析了q e l 系统中单路 e 1 基本帧同步系统的性能。第五章分析了q e l 系统中的单路e 1 的位同步、 帧同步和复帧同步系统的同步算法，并对网同步的方法进行了详细的说明。 由于水平有限，文中不妥或错误之处望读者指正。 一 一 茎望里三查堂鍪主兰垡鲨奎 第1 章绪论 按照电信网的概念，公用电信网可以划分为长途网( 长途端局以上部 分) 、中继网( 长途端局与市话局的间以及各市话局的间部分) 和接入网三 部分。最近国际上已将长途网和中继网合并在一起称为核心网。相对于核心 网的其他部分则称为接入网。接入网作为用户与核心网的间的实体部分( 如 传输系统) ，主要任务是完成所有用户接入到核心网i ”。电信业务在从传统 的电话业务向非话音业务转移过程中，出现了多种新业务，如数据、可视图 文、电子商务、电子信箱、可视电话以及会议电视等等。这些新业务的传输 不是传统的用户环路所能胜任的，为了使各种电信业务能在用户终端和业务 节点的间快速可靠地传输，接入网的建设就成为社会迫切的需求 ”。 接入网技术发展的核心是数字化、宽带化和综合化。在接入网数字化过 程中，为保证通信双方能够准确无误的进行数据交换，同步技术就成了必须 实现的关键技术。 1 1 数字同步技术发展与现状 同步是数字通信中的重要问题。载波同步、位同步与帧同步是同步技术 的重点研究对象。同步误差小、相位抖动小以及同步建立时间短、保持时间 长等是它们主要指标，是数字通信设备正常工作的前提，否则就会使设备的 抗干扰性能下降，误码增加，如果同步丢失( 或失步) 将使设备无法工作。 随着数字通信的发展，特别是计算机通信的发展，多个用户为相互通信组成 了数字通信网。为保证网内各用户可靠地进行数据交换，通信网还必须实现 网同步，使得整个通信网有一个统一的时钟标准。 在同步通信系统中，同步是进行信息传输的前提。因此，为了保证信息 的可靠传输，同步系统应有更高的可靠性。下面将对以上的四种同步技术目 前发展状况做详细的介绍【j j 。 1 1 1 载波同步 数据传输分为基带传输和频带传输。频带传输需要对数据的原始信号进 行调制和解调。目前数据通信中一般采用的是数字调制和解调。接收端实现 1 武汉理工大学硕士学位论文 解调的方法一般分为相干和非相干两类。在进行相干解调时，首先接收端要 恢复相干载波，这个相干载波应与发送载波在频率上同频，在相位上保持某 种同步关系。在接收端恢复这一相干载波的过程称为载波跟踪，载波提取或 载波同步。载波同步是实现相干解调的先决条件。 接收端恢复相干载波的方法大致可以分为两类。第一类是发送端不传送 载波或有关载波的信息，接收端直接从收到的已调信号中提取载波，这叫直 接提取法。该方法又可分为非线性变换滤波法和特殊锁相环法。第二类 是插入导频法，发送端在发送数据信息的同时，也送出载波或与它有关的导 频信号，以供接收端提取。该方法又可分为两种：一种是在频域插入，即在 发送信息的频谱中或频带外，插入相关的导频；另一种是在时域插入，即在 一定的时段上传送载波信息1 3 】。 1 1 2 位同步( 时钟同步) 不管基带传输还是频带传输( 相干或非相干解调) ，都需要位同步。由 于传输信道的不理想，以一定速率传输到接收端的基带数字信号，必然是混 有噪声和干扰的失真了的波形。为了从该波形中恢复出原来的基带数字信 号，接收端必须选择最佳的时刻对接收到的信号逐个抽样判决，以获得最小 的误码率。这个时刻的确定过程称为位同步。接收端对恢复或提取的位同步 信号的要求是： ( 1 ) 重复频率与发送码元速率相同； ( 2 ) 接收端定时信号( 由同步信号控制) 与接收到的数字信号存在固 定的相位关系，以保证在时间上对准最佳抽样判决时刻。 实现位同步的方法基本上可以分为两大类：一类是外同步法，另一类是 自同步法。外同步法就是发送端除了发送有用的数字信息外，还专门发送位 同步信息，接收端用窄带滤波器或锁相环把滤波取出来作为位同步的用。自 同步法是发送端不向接收端传送位同步信号，接收端所需要的位同步信号是 从接收信号或解调后的数字基带信号中提取出来。 从功能上讲，自同步法的接收端位同步提取电路一般都由两部分组成： 篇一部分是非线性变换处理电路，它的作用是使接收信号或解调后的数字基 带信号经过非线性变换处理后含有位同步频率分量或位同步信息。第二部分 是窄带滤波器或锁相环路，它的作用是滤除噪声和其他谱分量，提取纯净的 2 武汉理工大学硕士学位论文 位同步信号。有一些特殊的锁相环可以同时完成上述两部分电路的功能【”。 为了衡量一个数字通信设备的位同步性能，通常提出以下几项指标”。 1 静态相差。位同步信号的平均相位和晟佳相位( 一般指最佳抽样点 的相位) 的间的偏差称为静态相差。 2 相位抖动。相位抖动是指数字脉冲信号的相位摆动，或时间上的前后 摆动。在系统测量中，描述抖动程度的单位是“单位间隔”，简写为u i ，其 意义是指一个码元的时间长度。对于不同的群次、不同码速率的相应1 u i 的时间是不相同的。例如，对于p c m 一次群信号，1 u i = i ( 2 0 4 8 * 1 0 6 ) i i s z 1 2 2 n s ；而对于p c m 二次群信号，依此类推。另外，抖动还可以用“度” 为单位来表示，并规定l u i = 3 6 0 。 3 错位率。由于衰落、干扰或双方时钟误差等原因，位同步脉冲序列 有时会偏离原来的序列而出现多一位或少一位的情况，这种情况统称错位， 或称位同步的滑动，可以仿照误码率的概念来定义错位率。若在n 个位同 步脉冲中出现了n 次错位，则错位率为 屹= 景 4 建立时间。从含有位同步信息的接收信号进入解调电路开始，到位 同步电路输出正常的位同步信号为止所需的时间，称为位同步的建立时间。 5 保持时间。从接收信号消失( 或接收信号中的位同步信息消失) 开 始，到位同步电路输出的位同步信号中断为止这段时间，称为位同步的保持 时间。 建立时间和保持时间是描述位同步的两项指标。一般要求建立时间短， 保持时间长，这样可以尽量减少由于信道特性变化造成的位同步中断。电路 分析表明，这两项指标往往是互相矛盾的。 6 同步门限信噪比。在保证一定的位同步质量的前提下( 如：保证一 定的抖动或错位率) ，接收机输入端所允许的最小信噪比，称为同步门限信 噪比。这项指标规定了位同步对深衰落信道的适应能力。与此指标相对应的 是接收机的同步门限电平，它等于保证位同步门限信噪比所需的最小收信电 平。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 帧同步 在数据通信系统中，数字信息是按一定数据格式传送的。一定数目的信 息码元组成“字”，若干“字”组成“旬”，若干“句”构成一帧，从而形 成群的数字信号序列。接收端要正确地恢复消息，就必须识别句或帧的起始 时刻。在数字时分多路通信系统中，各路数据都安排在指定的时隙内传送， 形成一定的帧结构。在接收端为了正确地分离各路信号，首先要识别出每帧 的开始和结束时刻，从而找出各路时隙的位置。 实现帧同步的方法一般可以分为两类：一类是在发送的数字信号序列中 插入帧同步码作为帧的起始标志，这类方法称为外同步法；另一类方法是利 用数字信号序列本身的特性来恢复帧同步码，比如某些具有纠错能力的抗干 扰编码具有这种特性，这种方法称为自同步法。论文中主要介绍在数字通信 中应用较多的外同步法。 1 帧同步系统的要求 帧同步问题实质上是一个对帧同步码进行检测的问题。对帧同步系统提 出的基本要求是： ( 1 ) 正确建立同步的概率大，错误同步的概率小： ( 2 ) 捕捉同步时间要短。无论是初始捕捉还是失步后重新进入捕捉， 都要求捕捉时间要短。 ( 3 ) 稳定地保持同步。接收端的帧同步系统一旦进入同步状态的后， 应当稳定地保持同步，而不被信道干扰引起的误码破坏同步。信道中的干扰， 根据统计来看，其时间宽度一般小于3 m s ，为了防止信道误码破坏同步状态， 即假失步，通常在接收端同步系统中采取了相应的保护措施。同步后接收端 收不到帧同步码有两种情况：真正失步。在这种情况下，收不到帧同步码 时间较长，总是大于3 m s ：假失步。发生这种情况的时间比较短，一般小 于3 m s ，根据两种情况的不同特点，对帧同步就可以采用相应的保护措旖， 只有在真失步的情况下，接收端同步系统才转入捕捉态； ( 4 ) 在满足帧同步性能要求的条件下，为提高有效信息的传输效率， 帧同步码的长度应尽可能短些。 2 帧同步码的插入方法 数字复用系统和采用同步传输的数据通信系统常采用插入帧同步码的 4 武汉理工大学硕士学位论文 方法来实现帧同步。所谓帧同步码插入方式是指在发送端怎样将帧同步码插 入信息码流中作为帧起始标志的，通常有两种插入方法。 ( 1 ) 集中插入法 这种方法就是将帧同步码以集中的形式插入信息码流中，帧同步码集中 插在一帧的开始。接收端只要检测出帧同步码的位置，就可以识别出帧的开 头，从而确定各路码组的位置。这种方式的优点是能较迅速地建立帧同步。 ( 2 ) 分散插入法 这种方法就是将帧同步码以分散的形式插入信息码流中。帧同步码可以 是1 、0 的交替码或者其他码型。如果发生帧失步，则需要逐位进行比较， 直到重新收到帧同步码，才能恢复帧同步。所以同步恢复时间长，这是这种 方式的缺点。 1 1 4 网同步 实现网同步的方法有两大类 6 ，一类是建立同步网，使网内各节点的时 钟频率和相位都相同，实现这类网同步的主要方法有主从同步法和相互同步 法： ( 1 ) 主从同步法 这种方法是在通信网的某个中心站设立一个高稳定度的主时钟源，它产 生的主时钟信号被送到各站作为各站的时间标准，从而建立网同步。 这种方法的优点是各同步节点和设备的时钟纳入主从同步网后都能直 接或间接地同步于主基准时钟，都具有与主基准时钟相同的精度，因而在正 常情况下不会产生滑动，没有准同步方式所不可避免的周期性滑动；除了主 基准时钟的性能要求高外，其余的从钟与准同步方式的独立时钟相比，对性 能的要求低。因丽建网费用较低。其缺点就是过分依赖主时钟基准，一旦主 时钟基准发生故障，将使整个通信网的工作陷入停顿。 ( 2 ) 相互同步法 相互同步法的原理使在通信网内各站设蚤自己的时钟，并把他们相互连 接起来。网内每一个站的本地时钟通过锁相环路受所有接收到的外来信号流 中的定时信息的共同加权控制。 这种方法的优点是：不要求各站具有高频率稳定度的时钟，可以降低 设备费用：能较好地适应分布网络结构；当某个传输链路或某局时钟发 5 武汉理工大学硕士学位论文 生故障时，整个通信网地稳定频率将重新滑动到一个新的频率值上，所以网 内时钟仍处于同步状态，不需要重组同步网络，提高了网同步的灵活性和可 靠性。缺点是：稳态频率取决于起始条件、时延、增益和加权系数等，因 此容易引起扰动；网络稳定频率取决于网络平衡条件，平衡条件具有不确 定性( 如链路或时钟源故障) ，所以网络稳定频率也具有不确定性，很难与 其他同步方法兼容；整个同步网构成一个闭路反馈系统，系统参数的变化 容易引起系统的性能变化和不稳定。 另一类称为独立时钟或准同步法，这时网中各支路数据是异步的，它们 各自有自己的独立时钟。只要网中各数据支路比特流速率的偏差在一定的容 许范围内，就可以利用复接设备来调整各支路数据流的速率，使它们变为相 互同步的数据流。具体实现的方法有码速调整法和水库法： ( 3 ) 码速调整法 在采用码速调整实现的准同步系统中，各节点各自使用高稳定的时钟， 不受其他节点的控制，它们的间的钟频允许有一定的容差。由各节点送来的 数据流首先进行码速调整，使它们变成相互同步的数码流。从调速的方法上 讲，码速调整法可以分为正码速调整、负码速调整和正颅码速调整三种， 在准同步系统钟用的较多的是正码速调整。由于它使用调整后的速率略高于 支路数码流可能的最高速率，所以称为正码速调整。 码速调整法的主要优点是网络各节点可以工作于准同步状态，各自时钟 的间相互独立既无需统一的时钟，也无需时钟间的相互控制和传递，而且这 些时钟源也不需要过高的稳定度，一般采用石英晶体振荡器即可满足。这种 方法的主要缺点是，由于接收端的时钟是用锁相环从不均匀脉冲序列中提取 出来的，因而具有一定的相位抖动。 ( 4 ) 水库法 这种方法是通过在网中各节点中设置极高稳定度的时钟源和大容量的 缓冲寄存器，使得在很长时间间隔内不会发生“取空”或“溢出”现象。容 量足够大的存储器就像水库一样，既很难将水抽干，也很难将水库灌满。因 而可以用作水流量的自然调节，故称为水库法。但是水库法每隔一个相当时 间总会发生“取空”或“溢出”现象，所以采用水库法需要每隔一定的时间 对同步系统校准一次。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 本课题内容 1 2 1 课题来源 该课题来自仲琦( 香港) 股份有限公司武汉办事处h t c 5 2 0 0 a n 设备 的q e l ( e l 4 ) 中继板卡开发项目。 h t c 5 2 0 0 a n 是仲琦公司生产的接入网网络设备，可以承载各种宽带和 窄带业务。e 1 中继板卡作为其中继模块的一种板卡，采用的是e 1 欧n 中 国制式，主要以承载传统的语音业务为主，可以实现对3 1 路语音通路的管 理。q e i 中继板卡在e 1 中继板卡的基础上，以增加两个板卡间的传输线路 ( 由e 1 板卡的4 条铜线变成1 6 条铜线) 和板卡芯片改进的方法，在接入 网的两个节点设备实现4 路各自独立的e 1 传输。 1 2 2 课题研究的意义和目的 同步在数字通信中起着至关重要的作用，研究通信双方同步的实现，是 实现整个通信系统的基础。通过对该课题的研究，可以将同步原理的理论与 实践相结合，更进一步的掌握它的应用。 q e l 作为h t c 5 2 0 0 a n 设备中的中继板卡，主要作用是成功地完成数 据的接收和发送。q e l 承载了4 路e 1 的传输，一方面，它作为一路e l 的 接收端和发送端，为了能完成语音数据的收发，就必须完成每路e 1 的同步； 另一方面，它作为接入网传输网络中的节点设备的中继模块，为了能使整个 网络完成同步，它又必须具有选择网络时钟源的功能。 所以，为了能实现以上功能，就有必要认真地研究同步技术在q e l 中 的实现。 1 2 3 本课题的研究内容 本课题结合q e l 中继板卡的软硬件设计，深入分析q e l 的同步技术一 一位同步、帧同步、复帧同步和网同步，研究了其软件上和硬件上的实现方 法，并从概率论的角度分析了q e l 基本帧同步系统的性能。 对于q e l 的位同步、帧同步和复帧同步，本课题重点研究了单路e 1 的 位同步、帧同步和复帧同步的实现，对q e l 板卡上的e 1 线路接口芯片 p m 4 3 5 4 关于如何实现位同步、帧同步和复帧同步的硬件算法做了详细的说 明，并结合该芯片使用要求，研究如何初始化和该芯片使的能为q e l 工作。 武汉理工大学硕士学位论文 对于q e l 的网同步，本课题重点研究了网同步的4 个外部时钟源的选 择技术，包括软件上的选择算法和硬件上的时钟传递的连线。 针对于以上的同步技术，本课题还研究了其测试技术，具体说明了项目 开发中如何测试q e l 是否已经完成了各个同步。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章h t c 一5 2 0 0 a n 综合业务接入网设备 q e l 作为h t c - 5 2 0 0 a n 设备的中继板卡，其最终应用离不开 h t c 一5 2 0 0 a n 。本章将对h t c 一5 2 0 0 a n 设备的具体功能进行详细的描述，并 介绍使用该设备组成的接入网网络结构。 2 1h t c 5 2 0 0 a n 系统介绍 通用模块载波器( h i t r o nt e c h n o l o g yc a r d e r ，h t c ) 系统5 2 0 0 a n 是仲 琦( 香港) 股份有限公司的综合业务接入网设备系列产品的一，是先进而又 具弹性的数字光纤环路系统设备。h t c 系统能以经济的方式提供给6 到6 7 2 个的用户服务。它利用模块组合的方式，应用不同的传输媒体，在一个宽阔 的网络形态上提供服务。h t c 系统运用了最新科技，来提供传统与前瞻性 的用户服务。 h t c 先进及高密度的架构，使它成为当前及未来理想的数字环路载波 设备。h t c 适用于新社区电话环路的铺设及市内、郊区现有电话服务的功 能化的提升。 h t c 一5 2 0 0 a n 可提供v 5 1 和v 5 2 接口直接与本地局端v 5 交换机 ( l o c a le x c h a n g e ，l e ) 或提供传统数字及模拟接口的传统交换机连接，系 统整体设计以先进的通讯技术及弹性的组网架构，提供用户各项语音及数据 服务。h t c 。5 2 0 0 a n 采用模块化设计，设计完全符合e t s i i t u - t 的国际通 讯规范，并与中国的v 5 协议一“本地数字交换机和接入网的间的v 5 2 v 5 1 接口技术规范”( 邮电部技术规范y d n0 2 1 1 9 9 6 y d n0 2 0 - 1 9 9 6 ) 兼容。 h t c 能与旧式的机电式交换机搭配，也能与先进的电子数字交换机共享。 2 1 1h t c 5 2 0 0 a n 系统设计特色 h t c 一5 2 0 0 a n 系统是依据以下基本原则设计的：新一代数字环路载波设 备的架构与能力，应取决于各用户的网络与服务需求，而不是反过来决定的。 基于上述原则，h t c 的设计者便创造了能适应各种网络，并运用各种传输 媒体、无组网限制的新一代数字环路载波设备。h t c - 5 2 0 0 a n 具备体积小及 多样化，容易安装、使用和维护的特性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 h t c 的高密度使它自然地被使用在狭小的都市环境中交换机房及远程 地点。其远程机通常是装在机箱内，或以机架固定在建筑物内或具备环境控 制能力的机箱内( c o n t r o l l e de n v i r o n m e n t v a u l t ，c e v ) 。运用4 2 时机架的空 间，能提供多达6 7 2 个用户线路。此外h t cc b a ( c h a n n e l b a n k a s s e m b l y ， c b a ) 的设计容许从一个机框架开始使用，这种经济的基础成本，使它特别 适合中低密度的城市或乡村环境。 h t c 5 2 0 0 a n 设备通常由一个或多个包含二十六槽位的机框架组成。每 一个c b a 机框架包含两个中央处理单元槽位、两个电源供应槽位及2 2 个通 用卡槽位及一个9 8 m b p s 的背板。数个独一无二的特点组合而成的机框架 ( c b a ) ，使它特别具有弹性且经济。 每一个机框架( c b a ) 都提供了共同控制功能，而且提供服务分派。所 以不需要使用一个统一控制机框架，使得h t c 的基本起始费用特别低。 h t c 的服务单元及收发机单元能插入到任何一个通用卡糟位。从d s o 电话单元到5 0 m b p s 光收发机单元，h t c 所有电路板卡尺寸都是相同的。这 个特点使h t c 能整合进入各种网络架构里，同时提供各种混合的特别应用 服务。 h t c 是真正地“通用”。相同的机框架，既可运用在局侧机房，也可用 在远程地点。这个特点使客户能将一个地点的机框架，重新运用于其它地点， 而不必在乎环境与功能上的需求限制。 2 1 2h t c 5 2 0 0 a n 基本组件 h t c 系统架构的设计是独特且具有弹性，能在一个大容量的电话环境 范围中，以低成本的方式提供先进的服务。 运用基本组件的不同组合，经由光纤、e 1 、仿真( 无线电或铜线对) 传 输媒体，它能提供电话和加强型电话( 如v o i p 等) 服务。通过点对点、星 状、沿途下线、树状与分枝的组网型态来提供服务。通用组合及v 5 1 & v 5 2 直接接口都能支持。 所有的h t c 组件都是精心设计，所有插入单元都没有硬件跳线的选择， 因此都通过h t c 作业接口的软件来控制。所有的插入单元和组件都经过特 殊的加工工艺处理，以抗拒恶劣的天气。 所有h t c 5 2 0 0 a n 基本组件详尽描述如下： l n 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 本地交换终端( l o c a le x c h a n g et e r m i n a l ，l e t ) h t cl e t 通常是位于局侧机房。l e t 是由所连接的交换机接口型式， 来决定经由仿真或e 1 装置连接至局侧交换机。在某些e t s iv 5 1 和v 5 2 型 运用中，并不需要一个l e t 。服务能直接由r s t 发出或终端。 在通用组合中本地交换终端机提供了与交换机的接口和连接到远侧终 端机。l e t 也提供作业接口，软件控制与告警连接。每一个l e t 能通过多 达1 5 个远侧用户终端机，来提供多至6 7 2 路用户的网络服务。用户服务能 够混合语音电话、公用电话、i s d n 、g r o t m ds t a r t 、环路起动、e & m 、e 1 、 数字或仿真信息和其它服务。 ( 2 ) 远侧用户终端机( r e m o t es e r v i c e t e r m i n a l ，r s t ) h t cr s t 是位于用户服务端。r s t 能连接到其它r s t ，一个l e t ，或 直接连接到局侧交换机，是由特定应用的需求来决定。数种不同的传输媒介 能被r s t 运用。多种服务能由r s t 端发出。 任何一个r s t 都能以机架固定装置在远侧交换机房内或c e v 内。r s t 也能装置于屋内型机箱内，安装在电话设施的房舍内，或用户设施的大楼内。 r s t 也能装置于屋外，h t c 特别设计的环境因素增强并密封的屋外机箱系 列中。 远侧用户终端机能使用本地电源，或经网络由l e t 或其它远程机来供 电。此外，备用电池也可装置于远侧用户机箱中。 2 1 3h t c 5 2 0 0 a n 系统基本描述 h t c 5 2 0 0 a n 系由下列三种终端组件组合而成：局侧交换终端机 ( l e t ) ，远侧用户终端机( r s t ) 和住宅区用终端机。 h t c 5 2 0 0 a n 系统的基本架构尺寸为1 9 英时( 4 8 3 锄) 宽，7 英时( 1 7 8 o n ) 高的通路组( c b a ) ( 图2 一1 ) 。使用于局侧交换终端机和远侧用户终端 机的通路组为相同的通路组( c b a ) ，通路组可被设定为主通路组或扩展通 路组。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1h t c - 5 2 0 0 a nc h a n n e lb a n ka s s e m b l y 局侧交换终端机可组合为最多达到8 个通路组( c b a ) ，第一个通路组 通常均设定为主要通路组，加上其它的通路组均设定为扩展通路组。在每一 系统上所有的扩展机匣均经由光纤连接到主要通路组。每一个机匣共可收容 2 6 个槽位。 每一机框架最右侧的一组二个槽位是用来作为主要和备用( 可选用) 电 源供应单元的槽位，紧接的另二个槽位用来放置主要和备用( 可选用) 的中 央处理单元，而剩下来的2 2 个一般用途槽位则可按照不同的应用特性，用 来作为多样化组合通路单元，扩展单元和收发器单元的收容位置( 如图2 - 2 所示) 。 图2 - 2p r i m a r ya n de x p a n s i o nc b a 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 每一个机框架由一个9 8 m b p s 的背扳趋动，且2 2 个通用卡槽位中的每 一个槽位均可以读写到所有的9 8 m b p s 的共享资源。 h t c 5 2 0 0 a n 的超强功能来自于具备弹性化设计的2 2 个通用卡槽位， 和每一个槽位容许的频宽。本地交换终端机能够服务最多达6 7 2 用户。远侧 用户终端机，像本地终端机一样，是由最多每站可达8 个c b a 所组成。远 侧终端机可以是机架式固定于用户设备端或者是在一个经控制环境温度的 箱内，或是在工厂内己组装好的多种h t c 环境保护机箱中的一个。 像l e t 一样的，r s t 的第一个机框架，被设定为主c b a ，其它所有的 c b a 则被设定为扩展机框架。为了方便起见，h t c 被设计成一种多重组合 的方式，以方便h t c 设备在现场的安装。 2 2h t c 5 2 0 0 a n 总体结构 2 2 1 硬件结构 图2 3 表示出h t c 一5 2 0 0 a n 接入网系统所供的功能及接口模块种类， 根据使用功能分类，可将各接1 2 1 模块大致分为四大类，分别为：共享模块、 中继模块、v 5 模块和服务接口模块。 图2 - 3h t c 5 2 0 0 a n 硬件总体结构 如图所示，c p u 和p s u 属于共享模块；v 5 p u 和v 5 2 属于v 5 模块： e 1 系列( 如e 1 x 、e 1 a x 、e 1 h d ) 、f o x 系列、x d s l 系列等属于中继模块； 其余的则属于服务接口模块。 p s u 模块提供整个系统的电源供应，也提供p o t s 模块所需的振铃信号 武汉理工大学硕士学位论文 源，其各项动作参数均由c p u 模块控制，为h t c 5 2 0 0 a n 接入网系统上唯 一无配置微处理芯片的模块，其供应的电压分别为+ 5 v 、5 v 、3 2 v 及一4 8 v 等直流电源，振铃电压及频率贝f j 为软件可设定。 c p u 模块是h t c 一5 2 0 0 a n 接入网系统的控制中心，其主要功能为分配 背扳资源、信息传递、系统状态记录及设定接口参数；例如，当由用户服务 接口模块如p o t s 、i s d n 、n 6 4 b 等模块，由s t u d b y 转至a c t i v e 状态，服 务接口模块的微处理芯片会由信息传输管理向c p u 模块取得所需的数据资 料管道，也就是所需的时隙，并建立起相对应的服务信道，当服务结束时， 则以相反的程序行的，释放原先取得的数据资料管道。c p u 模块也必须负 责建立用于本端及远端系统时所的时序同步及信息管道，并且记录系统运作 时的各项信息。 v 5 模块则时提供v 5 服务模块接口模块，由v 5 2 及v 5 p u 模块组成 ( v 5 1 接口则只需v 5 ，l 模块即可) ，v 5 2 为实体层的接口，即为e 1 接口， 但其为针对v 5 所需而特别设计，v 5 p u 则为v 5 协议l a y e r2 以上的控制 模块，不过其所需的背板通道仍需由c p u 模块取得，如此可保证系统的一 致性及弹性。 中继模块的主要功能是为接入网的数字传输提供中继的作用，使用的物 理介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。 服务接口模块主要为接入网用户的各种业务( 如电话，视频、上网、网 络管理等) 提供业务接口。 2 2 2 软件结构 h t c 5 2 0 0 a n 接入网系统软件架构主要是由三大部分软件组成：c p u 模块软件、v 5 p u 模块软件架构和v 5 c u 模块软件。 ( 1 ) c p u 模块软件负责控制整个h t c 5 2 0 0 a n 接入网的系统资源， 包括背板总线传输资源、中继模块传输资源、安排动态时隙连接及系统控制 管理功能( 如系统模块组态，交叉连接设定等) 。其中与v 5 接口直接相关 的是v 5 接口组态设定( 基本设定、e l 接口设定与一般用户及i s d n 用户接 口设定) 及时隙连接接口管理。所以c p u 软件可区分为以下的模块：系统 通信模块、消息绕行模块、告警模块、数据管理模块、电话业务处理模块和 中继线接口管理模块。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) v 5 p u 模块软件架构接收来自c p u 模块的设定- - v 5 信令接口处 理模块，亦即v 5 信令消息的解析都在此模块处理。其组成软件模块如下： 系统通信模块：提供对c p u 板卡及v 5 c u 板卡信令信道的建立、维护 管理及消息传递。 v 5 协议堆栈( p r o t o c o ls t a c k ) ：处理v 5 信令。 p s t n 信令转送模块：将来自l e 端的p s t n 信令转送至v 5 c u 。 i s d n 消息转送模块：接收来自i s d n 客户端口链路数据并转发至c 信 道、执行控制u