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北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 摘要 a d s l 是近几年发展起来的一种实用宽带接入技术。目前有许多种 宽带接入技术的方案选择，其中a d s l 技术可以在不改变现有接入线 路的情况下达到宽带接入的目的，可以最大限度的利用现有的线路资 源，是目前宽带接入最受欢迎一种。 本文基于嵌入式操作系统v x w o r k s 的“a d s l 复用器的系统设计 和实现”主要包括以下几方面的内容： 1 根据a d s l 综合复用器的设计目标以及技术指标，提出了 a d s l 综合复用器的系统设计方案和体系结构。 2 针对系统设计方案提出的复用器体系结构，采用基于侦听的多 处理器设计方法设计了每个功能模块的硬件结构，并详细说明了相应 电路实现原理。 3 依照软件启动的过程对各部分软件模块进行详细的分析，对软 件设计的核心部分e n d 增强型网络驱动的实现提出了基于m u x 模式 的设计方法并进行详细的分析。 4 结合系统联合调试中遇到的复位后电路故障及以太网丢包现 象进行分析讨论，并给出解决方案；最后采用对具体线路测试的方法， 通过对理论分析结果和对实际测量结果相比较，结果与预期设计技术 指标相符合，整体参数和性能要求达到国内先进同类产品设计水平。 关键字：a d s l b s d 驱动宽带接入复用器嵌入式系统 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 a b s t r a c t a d s li sak i n do fp r a c t i c a lb r o a db a n dt e c h n o l o g y c o m i n gu p r e c e n t l y n o wd a y s ，t h e r ea r es e v e r a lk i n d so fb r o a db a n dt e c h n o l o g i e st o b ec h o s e n ，t h ea d s lc a l lm e e tw i t hi n t t e n t i o no f c o n n e c t i n gb r o a db a n d w i t h o u tc h a n g ec u r r e n ti n s t a n c e ，w h i c hc a nu s et h ec u r r e n ts o u r c em o s t l y s oa d s li so n eo f t h em o s t p o p u l a r b r o a db a n d t e c h n o l o g i e si l o w “r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n ga d s lm u x s y s t e m ”t h i sp a p e ri sb a s e d o ne m b e d d e ds y s t e mv x w o r k s ，w h i c hf o c u s e so nt h e f 0 1 l o 、们n g s e v e l a 1 c o n t e n t s ： 1 b eb a s e do nt h et a r g e ta n dg u i d e l i n eo f d e s i g n i n g t h es c h e m eo f d e s i g n i n ga n ds y s t e m s t r u c t u r eo f a d s lm u x i sp u tf o r w a r d 2 f o rt h es y s t e ms t r u c t u r eo fm u x s y s t e m ，t h eh a r d w a r ed e s i g no f e v e r yf u n c t i o nm o d u l ei sp u tf o r w a r d ，a n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fc i r c u i t p a r t i c u l a r l yi si l l u m i n a t e d 3 a c c o r d i n gt os t a r t u po r d e ro fs o f t w a r e ，e v e r yf u n c t i o nm o d u l eo f s o f t w a r ea n a l y z e d h o wt od e s i g na n dh o w t op u ti n t or e a l i z et h ec o r eo f s o t t w a r e _ e n dd r i v e ri sp u tf o r w a r d 4 t h et r o u b l e si n s y s t e md e b u g g i n g ，s u c ha sa b n o r m a l i t yw h e n s y s t e mr e s e t , l o s i n gp a c k a g e sw h e ne t h e m e t w o r k i n g ，a r ea n a l y z e d ，a n dt h e w a y s h o wt or e s o l v et h e s e p r o b l e m s a l e p r e s e n t e d ；f i n a l l y , t h r o u g h e x p e r i m e n t s ，a c c o r d i n gt ot h eg u i d e l i n eo fm u j ( s y s t e m 。t h er e s u l to f t h e o r y i s c o m p a r e d w i t ht h er e s u l to f p r a c t i c e ，a l lp a r a m e t e r sa n d p e r f o f n l a n c eo f d e s i g n e ds y s t e mr e a c ht h el e v e lo f n a t i o n a l p r o d u c t s k e y w o r d s ：a d s lb s d d r i v e rb r o a db a n d t e c h n o l o g y m u x e m b e d d e d s y s t e m 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 第一章绪论 1 1 引言 i n t e r n e t 的出现改变了我们的生活。随着网络技术的不断进步， 各种通信和网络技术正在相互融合、相互渗透，各个国家已经逐渐构 造出有自己特色的信息高速公路。各种通信新技术、新标准、新业务 层出不穷。x d s l 技术这些技术中的典型代表。 a d s l 综合复用器是互联网进入家庭、p c 在家庭普及、家用电器数 字化、便携式通信和数据处理设备应用、家庭安全以及智能化控制等 要求下的产物。这种网络设备的实用互连结构如图1 1 所示： | 立、* 4 t a n 接口 双绞线 x d s l 网管 同轴电缆 i s d n 家用电器 v 9 0 光纤 c a b l e共享文件 w i r e l e s s 电力线 共享外设 共享正浏览 卫星连接 图1 1 综合复用器实用互连结构示意 所有的这些业务都需要很高的数据传输速率，这对通信系统中的 接入网及接入设备提出了挑战。经过近十年的发展，全国骨干网和城 市中继网基本实现光纤化、数字化，传输带宽信息基本不成问题，但用 户接入主要是靠电话线，这就成了网络传输带宽的瓶颈。所幸的现在 提出了很多宽带接入技术：n i s d n ，b - i s o n ，w l a n a d s l ，h f c 以及电 力线载波等。 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 1 2 接入技术方案比较 n - i s d n 即窄带综合业务数据网，按2 b + d 的方式分割信道，2 个b 信道传输速率均为6 4 k b p s ，若两个信道同时传输同一数据业务那么传 输速率能达到1 2 8 k b p s 。n i s d n 有效的提高了现有用户电话线路利用 率，但同时需要增加投资而且不能有效传输图像等视频信号，因而不 能满足通信业务的迸一步发展。 以光纤作为传输网络的b i s d n 是今后用户接入网络的发展趋势所 在。与其它方案比较，它具有很高的数据传输能力以及良好的信道特 性，能传输各种类型的数据业务。但b i s d n 系统投资庞大，要实现光 纤到用户在短期内是不可能实现的。 在从现有的窄带接入技术向最终的光纤接入技术过渡阶段，基于 电话线的a d s l 技术和基于有线电缆的c a b l em o d e m 技术是最有潜力的。 a d s l 即非对称数字用户环路，具有上下行传输速率不对称的特性， 通过不对称传输，利用频分复用技术( 即回波抵消技术) 使上下行信 道分开以达到减少信道串扰的目的，从而实现数据的高速传输。它可 以根据信道的实际情况动态的分配载波上的数据传输速率，在一路电 话线上可以达到8 m b p s 的数据率。并且用户只需要利用现有的电话线， 添加相应的a d s l 远端设备，局端配置d s l a m ( a d s l 局端设备) 即可。 c a b l em o d e m 也是一种上下行带宽不对称的技术，局端需要配置一 台h f c 头端设备，通过a t m 或者快速以太网和因特网互联，并且完成 信号调制和混合功能。数据通过光纤同轴混合网( h f c ) 传输到用户， c a b l em o d e m 完成信号的调制、解调功能，并通过以太网接口传送到用 户p c 上。反过来，c a b l em o d e m 接收p c 机上行的数据，经过编码、调 制后通过h f c 传送到头端设备。 a d s l 和c a b l em o d e m 两种技术组网都能提供多种数据业务，并且 能够基本满足目前宽带业务的需要。a d s l 的带宽上要低于c a b l e m o d e m ，但是，利用c a b l em o d e m 和h f c 进行组网在稳定性、可靠性、 供电以及运行维护机制上都存在一些问题。此外，由于其网络线路带 宽是共享的，在用户达到一定规模后实际上无法提供宽带数据业务， 用户分享到的带宽是相当有限的。以下是对这两项技术的比较： ( 1 ) 安全性。由于c a b l em o d e m 所有用户的信号都是在同一根同轴 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 电缆上进行传输的，因此有被搭线窃听的危险。解决搭线窃听的问题 首先要保护线缆，其次要了解线路初始化过程中确立好的设置参数， 后一点在技术上难以解决。而a d s l 则不会有此问题。 ( 2 ) 可靠性。由于c a t v 是一个树状网络，因此极容易造成单点故 障，如电缆的损坏、放大器故障、传送器故障都会造成整个节点上的 用户服务的中断。而a d s l 利用的是一个星状的网络，一台a d s l 设备 的故障只会影响到一个用户。 ( 3 ) 稳定性。c a b l em o d e m 的前期用户一定可以享受到非常优质的 服务，这是因为在用户数量很少的情况下线路的带宽以及频带都是非 常充裕。但是。每一个c a b l em o d e m 用户的加入都会增加噪声、占用 频道、减少可靠性以及影响线路上已有的用户服务质量。这将是 c a b l e m o d e m 迫切需要解决的一大难题。a d s l 则不会受接入网用户数 以及流量的影响。但是，如果d s l a m 的出口带宽小于所有用户可能需 要的总带宽。就会在高峰时间出现拥塞，但这是只要通过提高出口带 宽就可以解决这一问题。 ( 4 ) 组网成本。在组网成本上，a d s l 设备成本显然高于c a b l e m o d e m ，但是后者需要对h f c 改造后才能够应用。目前我国大部分h f c 只能满足4 5 0 m h z 的频带要求，而利用h f c 提供双向业务至少需要 7 5 0 m h z 的带宽。这显然需要更换所有不符合要求的同轴电缆。同时， 要实现双向的h f c 需要更换目前有线电视网上使用的单向放大器，这 部分改造费用也是相当高的。 1 3 嵌入式系统简介 嵌入式系统一般定义为，一种设备用于控制( c o n t r 0 1 ) 、监视 ( m o n i t o r ) 或协助设施、机器、工厂之操作运转。它们可能是整个硬 件设备的一个零件，或是一部机器；也可能是软件型态或固件 ( f i r m w a r e ) 形式：有的以明显型态存在易于标识，也有隐存于及 其内部不易为人所识。 所有嵌入式系统大多是些比个人计算机还简单的设备，最简单的 像单一微处理器( 通常叫做晶片，c h i p ) ，大都与其它晶片套装在以组 件上( h y b r i d ) 或特殊用途的i c 晶片上。嵌入式系统是计算机的一种 北京交通大学硕士学位论文：a j ：i s l 复用器的系统设计和实现 应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统，典型的有微控 制器、微处理器和d s p 等。嵌入式操作系统就是在嵌入式系统中的核 心系统软件。 区别于通用操作系统，这些用于电话系统、数码相机和其它智能 化电器中的系统软件被称作“嵌入式操作系统”( e m b e d d e do s ) 。因为 嵌入式系统中的应用程序必须在极少人工介入的情况下完成高度专业 化和实时的工作，这就要求嵌入式o s 能为之提供高效的服务和有力的 支持。嵌入式系统中的硬件资源环境一般比较苛刻，嵌入式微处理器 和微控制器内存都不大，要在有限的资源下实现复杂的功能这就要求 嵌入式系统软件必须尽量的小巧、稳定和高效。 计算机应用的普及、互联网技术的使用以及纳米微电子技术的突 破，推动自动化和信息化进程。除了沟通信息高速路的交换机、路由 器和m o d e m ，构建c i m s 所需的d c s 和机器人以及规模较大的家用汽车 电子系统，还有那些具有时代特性的嵌入式产品如w e b 可视电话、p d a 以及机顶盒等。 y x w o r k s 提供了完成嵌入功能的基本的内核和所需要的所有用户 界面，它能处理嵌入式任务和用户晃面。一个小型的嵌入式v x w o r k s 系统需要下面三个基本要素：引导工具，v x w o r k s 微内核( 包括内存管 理、事务管理和进程管理) ，初始化过程。 1 4 论文的组织结构 本文共分六章对整个研究工作进行阐述和说明，具体安排如下： 第一章绪论 主要介绍了在新兴业务的需求以及计算机及信息家电日益普及情 况下a d s l 综合复用器出现的背景，当前的一些宽带接入技术的比较， 嵌入式系统介绍以及选用v x w o r k s 作为操作系统，同时给出论文的组 织结构。 第二章a d s l 技术介绍 主要讨论了接入技术：a d s l ，分析了a d s l 技术的发展现状，a d s l 的国际标准，a d s l 技术中的频谱分配和线路编码。 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 第三章复用器设计目标和体系结构 介绍复用器的设计目标和体系结构，以及每个功能模块的详细说 明。 第四章复用器硬件设计 介绍每一功能模块的实现方法和结构设计，复用器系统主要芯片 的介绍，简要说明设计过程中遇到的问题。 第五章复用器底层软件设计 嵌入式操作系统v x w o r k s 的介绍以及板级支持包b s p 的设计和实 现。 第六章调试结果 对系统整体测试的结果进行分析处理，对比理论数据和实际数据 对复用器性能评价，同时对调试中遇到的问题说明并给出解决方法。 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 第二章a d s l 技术 本章介绍说明a d s l 技术及国际标准，引出a d s l 技术在现代高 速通信领域的应用及前景。 2 1a d s l 技术现状和特点 a d s l 不仅仅是一种允许家庭或小型办公室对网络服务提供商i s p 进行宽带接入的技术。a d s l 是一系列可用来将接入线路转换成高速数 据链路的接入技术之一，这些技术可以避免电话交换p s t n 的超载。现 在有许多种方法可以用来在公用电话交换网上传送信息包数据和提供 交互式宽带业务。有些方法包括建立全新的无线和卫星网络系统，这 是可以的，然而，最好的方法是在现有的基础上提高铜双绞线模拟本 地环路的工作能力。这里并不考虑使用铜双绞线本地环路的5 6 k 调制 解调器，因为这种技术并没有解决p s t n 电话交换中的任何问题，由于 它鼓励使用语音交换，所以它反而会使问题更不易解决。 这里有一种更现实更省钱的方法： 1 最大可能的重新使用现存的模拟本地环路； 2 提供与现有语音电话设备( 即模拟话机) 的后向兼容性。 数字用户线路d s l 是满足这两个标准的最佳解决方案。 目前结合不同的应用，出现了许多d s l 技术，如h d s l 、s d s l 、 v d s l 、r a d s l 、a d s l 、i d s l 等等，所以统称为x d s l 技术。这些技 术原理基本是相似的，所不同的只是这些技术在信号传输速率与距离、 具体实现方式及上下行速率的对称性等方面有多区别。d s l 将数据分 成上行从用户端送往局端，下行从局端送到用户端这两部分。 目前通常根据上行和下行数据传输速率相同与否，将d s l 技术分成两 大类；对称型d s l 和非对称型d s l ，如图2 1 所示： 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 厂对称d s l 技术 l x d s l 技术一 i l 非对称d s l 技术 a d s l h a d s l v d s l 图2 ix d s l 技术分类 国际上近几年a d s l 的研究十分活跃。它的实现基础是用户电话 铜线具有1 1 m h z 的传输带宽，而模拟电话只使用了3 0 0 4 0 0 h z 这一 极小部分。a d s l 实现技术中成熟的有三种，分别为：抑制载波幅度和 相位c a p 沁a r t i e r - l e s sa m p l i t u d ea n dp h a s e ) ，离散多音频d m t ( d i s c r e t e m u l t i t o n e ) ，以及离散小波多音频d w m t ( d i s c r e t ew a v e l e tm u l t i t o n e ) 。 1 9 9 6 年a d i 公司率先宣布通过c a p 实现a d s l ，并于9 7 年4 月公布 其a d s l 芯片集( 4 6 片) ，接着m o t o r o l a 公司宣布了“铜变金”方案， 并于9 7 年6 月公布了用d m t 技术实现的a d s l 三片集。美国国家标 准局a n s i t l 4 1 3 ，欧洲电信标准协会e t s i 也3 8 和国际电信联盟r r u g a d s l 三个有关标准一起统一a d s l 的信号特性和数字协议全速 a d s l 标准。 由于a d s l 的三种实现技术都必须高性能的d s p 处理器内核和高 性能的c p u 内核，特别还要加上高性能的线路分频滤波器，所以市场 上的a d s lm o d e m 和a d s ls e r v e r 价格一直居高不下，从而使a d s l 市场一直处于低谷。为了加速a d s l 能真正实用于家庭，民间的国际 a d s l 论坛和u a w g 协会开始探讨廉价的a d s l 方案。基于( 1 ) 当 前绝大部分家庭应用带宽需求不大于2 m b p s ；( 2 ) 较早的电话线质量 不可能满足全速a d s l 标准这两个基本事实。u a w g 协会提出了 5 1 2 k b p s + 1 5 m b p s 的不对称上下行数字信道解决方案，并于1 9 9 9 6 获 得i t u 的通过，命名为r r ug l i t e ( q 9 9 2 2 ) 。g l i t e 将d s p 和c p u 处 理能力的要求降低了1 2 2 3 。并且还可以不使用用户端线路分频滤波 器。专家估计1 1 ug l i t e 标准的a d s l 设备成本可以降低5 0 ，为a d s l 的真正适用于家庭奠定了价格基础。 瓮謇窭 一 一 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 2 2a d s l 技术简介和参考模型 2 2 1a d s l 国际标准 目前a d s l 的国际标准主要由a n s i 制定。1 9 9 4 年t 1 e 1 4 工作组 通过了第一个a d s l 草案标准，采用离散多音频调制( d m t ) 作为线 路码型标准，支持6 m b p s 或更高速率以及更远的距离。现有的a d s l 标准有： ( 1 ) t 1 4 1 3 ，i s s u e 2 ( a n s l 美国通信委员会标准) 支持8 m b p s 8 0 0 k b p s 的高速下行上行速率，用户端需要安装 ( s p l i t t e r ) 话音分离器，适用于小型或家庭办公室( s o h u ) 。该文件 准确的描述了a d s l 设备如何在以前的模拟本地环路上进行通讯，规 定了a d s l 的基本原理如线路编码和线路上的帧结构；但是没有描述 整个a d s l 网络的整体结构和服务，以及a d s l 接入节点的内部功能 等 ( 2 ) g 9 9 2 1 即g d m t ( i t u 国际电信联盟标准) 支持8 m b p s 8 0 0 k b p s 的高速下行上行速率，用户端需要安装 ( s p l i t t e r ) 话音分离器，适用于小型或家庭办公室( s o h u ) 。 ( 3 ) c t 9 9 2 2 即g l i l e ( i t u 国际电信联盟标准) 下行上行速率为1 5 m b p s 5 1 2 k b p s 省去了复杂的分离器，费用较 低，安装使用简单。适用于普通家庭用户。 ( 4 ) q 9 9 4 1 即g h s ( i t u 国际电信联盟标准) 自动识别、适应线路标准。 2 2 2 线路频谱与线路编码 a d s l 充分利用了双绞铜线的频谱。整个频谱分为3 部分： ( 1 ) 传统话音业务频段，约为4 k h z 带宽； ( 2 ) a d s l 上行双工低速信道，位于话音频谱之上： ( 3 ) a d s l 下行单工高速信道，位于高频部分。 信道中有3 2 个上行信道( 一般从岸7 信道开始) 和2 5 0 个下行信道， 这给了a d s l 的非对称带宽。每个信道的带宽是4 3 1 2 5 k h z ，而且只 1 0 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 有使用了回波抵消时才真正有2 5 0 个下行信道。上行信道占据了低端 频带有两个原因：一、信号的衰减在这里比较小，而客户发射器的功 率一般要比本地交换发射器的低；二、在本地交换中有更大的噪声， 并有串扰的可能，所以上行信道只有利用低端的频率范围才有意义。 为了实现高速度，实际中划分上下行频带有两种不同的方式， a d s l 使用频分复用( f d m ) 和回波抵消这两种方法来将一个电话线 路可用的带宽划分成多个信道。图2 2 是频分复用( f d m ) a d s l 系统 的频谱，图2 3 是回波抵消( e c ) a d s l 系统的频谱。 图2 , 2 频分复用( f d m ) a d s l 系统的频谱 图2 3 回波抵消( e c ) a d s l 系统的频谱 在回波抵消a d s l 系统中，下行信道与上行信道有重叠( 主要是 利用低频部分信号衰减小的特点) 。与频分复用技术相比，回波抵消技 术消除了因频率叠加多带来的干涉( 如近端串音) ，因而可使a d s l 系 统在性能指标上有较大的提高。但相对而言，回波抵消技术难度更大， 硬件集成度要求也更高。 当前a d s l 调制解调设备多采用3 种线路编码技术，分别称为抑 制载波幅度和相位c a p ，离散多音频d m t 以及离散小波多音频 北京变通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 d w m t 。其中c a p 的基础是正交幅度调制( q a m ) ，可以说它是q a m 技术的一个变种。输入数据被送入编码器，在编码器内m 位输入比特 流被映射为k = 2 m 个不同的复数符号a n = a n 斗jb i l ，有k 个不同的复数符 号构成k - c a p 线路编码。编码后a n 和b 。被分别送入同相和正交数字整 形滤波器，求和后送入d a 转换器，最后经低通滤波器信号发送出去。 c a p 技术用于a d s l 的主要技术难点是要克服近端串音对信号的干扰。 一般可通过使用近端串音抵消器或近端串音均衡器来解决这一问题。 在d w m t 中，则用近年来新兴的小波变换算法代替快速傅里叶变 换。一个a d s l 调制解调器将多路下行通道中，双工通道中以及维护 信道中的数据流聚合成数据块，并在每一数据块中附加纠错代码，接 收端则通过此纠错代码对在传输过程中产生的误码进行纠错。d w m t 使用正交交叠小波基作为载波器，使用很高的阻带衰减特性。值硬件 实现复杂。 目前使用最为广泛的是d m t 调制技术，该技术已经被广泛地采 用。a n s it 1 4 1 3 标准中规定，d m t 技术为首选技术。在我国信息产 业部电信传输研究所制定的a d s l 标准中，d m t 技术作为唯一的选用 技术。d m t 调制技术的主要原理是将频带( 0 - 1 1 0 4 m h z ) 分割为2 5 6 个由频率指示的正交子信道( 每个子信道占用4 k h z 带宽) ，输入信号 经过比特分配和缓存，将输入数据划分为比特块，经t c m 编码后再进 行5 1 2 点离散傅利叶反变换( i d f t ) 将信号变换到时域，这是比特块 将转换成2 5 6 个q a m 子字符。随后对每个比特块加上循环前缀( 用于 消除码间干扰) ，经数模转换( d ，a ) 和发送滤波器将信号送上信道。 在接收端则按相反的次序进行接收解码。 d m t 使用o - - 4 k b p s 频带传输电话音频，用2 6 k - 1 1 m b p s 频带传送 数据，并把它以4 k 的带宽分为2 5 个上行子通道和2 4 9 个下行子通道。 子载波信道捍l 被话音占用。a d s l p o t s 分割滤波器的过滤频带要占 部分子信道( 例如拌2 到拍) 。上行数据占用可达# 3 1 ( 如采用f d m 分离 上厂f 行信号，其上限由分割滤波器的设计并在信道训练时决定) ，其中 # 1 6 ( 仁6 9 k h z ) 预留为导频，# 3 2 不应用于数据；下行数据占用可达 # 2 5 5 ，其中# 6 4 ( f = 2 7 6 k h z ) 预留为导频，# 2 5 6 不应用于数据。 速度计算公式为：通道数x 每通道位数x 调制速度； 所以a d s l 的理论上行速度为：2 5x1 5x 4 k h z = i 5 m b p s ： 北京交通太学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 而理论下行速度为：2 4 9x1 5x 4 k h z = 1 4 9 m b p s ； 由于电话线的质量问题以及外界环境干扰的存在，在不同时刻对 不同频率上的信号有不同影响。d m t 可根据探测到的信噪比频率曲 线调整各个子通道的速度使总体传输速度尽可能的接近给定条件下的 最高速度，就是说，d m t 理论上可以每赫兹传送1 5 b i t s 数据，在干扰 到来时受干扰的频率上的子通道可能降为每赫兹8 b i t s ，在不受干扰或 干扰小的子通道上仍然可保持1 5 b i t h z 或稍低。图2 4 是d m t 在线路 上的运行实例。但对于c a p 这类单载波单通道的方式，只要干扰存在 各处都会降为8 b i t s h z ，没受干扰的频段也被白白浪费掉。一般采用 d m t 可在8 5 0 k h z 的带宽上得到7 m b p s ，而c a p 却需要1 0 9 4 k h z 带 宽，多出约3 0 ，另外，基于d m t 的a d s l 还连续的对每个子通道进 行监测，当某些通道噪声增大时d m t 系统会自动的把分配给这个通道 的数据流转移到其它通道去，保证了传输的高性能和高可靠性。 m 子羹渡巧5 图2 4 d m t 的运行实例 - 1 3 4 2 0日b2 o 亍甄渡调制的比特率 北京交通大学硕士学位论文za d s l 复用器的系统设计和实现 第三章a d s l 复用器设计目标及体系 结构 本章主要介绍a j ) s l 复用器的核心芯片选择，设计技术指标及总 体框架设计。 3 1a d s l 复用器技术指标 a d s l 复用器是新一代d d n 综合接入设备。具有接口丰富、灵活多 样，复用传输能力强，完善的网管方式。复用器有效的利用e 1 电路实 现各种速率数据的接入和传输，节省现有通信资源，提高e 1 信道的利 用率，采用先进的网络技术，从而能建成高度集成的网络。 a d s l 复用器具有的主要功能特点为： 接口丰富，灵活多样 主控卡 具有网管功能，数据交叉连接功能，系统配置保存功能。主控卡 带有一个e t h e r n e t 口，一个配置口及4 个e l 接口，能提供最多1 6 1 6 无阻塞交换，最大8 m 的数据传输能力，通过e l 线路与d d n 节点或 另外的e 1 m u x 相连。 3 3 6 km o d e m 接入卡 带有最多四个频带m o d e m 接口，频带m o d e m 接口支持v 3 4 、 v 3 2 b i s 、v 2 2b i s 协议。频带m o d e m 工作于专线方式或p s t n 方式， 支持同异步传输。 子速率卡 子速率卡提供适配，复用及解复用功能。支持3 2 路子信道，x 5 0 子速率复用支持2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 b p s ，h c m 子速率复用支持 2 4 k ，6 3 2 k b p s 。 2 口v 3 5 接入卡 2 路串口皆支持d t e d c e 方式，v 3 5 方式，支持同异步数据传输 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 i d s l 接入卡 i d s l 接入卡最多带有四路基带m o d e m 共用一个d b 2 5 接口，具有握 手快，速度高，运行稳定等一系列优点。 g s h d s l 接入卡 g s h d s l 接入卡可以直接让p c m 总线上传输的数据和d s l 接入数据 进行转换，同时将数据复用到p c m 总线上或对该数据处理。 强大的复用传输能力 时隙交换方式灵活多样，主控卡可实现4 个e 1 任意时隙无阻塞交 换功能，各种接入卡，各端口所占时隙及子时隙可任意分配，不受卡 位或端口限制，各接入卡可实现本地无阻塞交换，支持各接入卡以 x 5 0 ，h c m 子速率复用方式进行复用传输，直接e l 连接，交叉连接。 完善的网管方式 复用器通过多种配置方式( v t l 0 0 方式，t e l n e t 方式，w e b 方式， s n m p 方式，带内网管方式) 进行管理。并通过主控卡运行代理程序， 实现对机架内各接入卡的管理。通过网管系统升级主控卡与各接入卡 的软件。 测试方便 可通过网管系统进行对3 3 6m o d e m 接入卡，2 口v 3 5 接入卡， g ，s h d s l 接入卡，i d s l 接入卡的线路通断进行测试，可支持i o k m 以内 的线路测试。 分布式电源 各接入卡都带有各自的电源，有效地保证了系统各部件的正常运 行。 标准机箱 系统采用标准1 9 英寸7 u 机箱，可上标准机柜。所有通信设备卡 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 的线路接口位于机箱前面，可通过通风过线箱过线到机箱背部。 支持热插拔 复用器的所有接入卡均支持热插拔，可在不中断系统运行时随意 更换。 a d s l 复用器的技术指标和技术要求如表3 1 所示。 表3 1 特性a d s l 复用器 端口配置 1 张主控卡 1 张子速率卡 最多1 6 张任意组合的通信设备 卡如： 3 3 6 km o d e m 接入卡 i d s l 接入卡 g s h d s l 接入卡 2 口v 3 5 接八卡 容错设计c p u 寻检 时钟源外部时钟 内部时钟 跟随e 1 线路时钟 e 1 接口 传输速率2 0 4 8 m b p s 5 0 p p m 线路码型h d b 3 码 线路阻抗7 5 q ( 不平衡) 1 2 0 q ( 平衡) 接口标准符合i t u tg 7 0 3 接 口d b 2 5 管理特性 v t l 0 0支持 s n 【p支持 t e l n e t支持 h t t p支持 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 支持标准 i e e e8 0 2 1 d ：i e e e8 0 2 1 p ； i e e e8 0 2 i q ；i e e e8 0 2 3 a d ： i e e e8 0 2 3 ；i e e e8 0 2 3 u ； i e e e8 0 2 3 x ：i e e e8 0 2 3 z ； 状态指示端口：通信、l i n k 、s y n c 、 a c t i v e 通用：电源状态、系统状态 接口类型 3 3 6 km o d e r 睫i 口 i d s l 接口 g s h d s l 接口 v 3 5 接口 以太网接口 r s 2 3 2 接口 物理尺寸( 长x 宽x 高)4 8 2 m mx3 1 0 m mx2 4 5 m m 重量 满1 8 张卡约1 0 k g 工作环境 温度o 4 5o c 湿度0 9 5 无凝结 电源1 8 0 2 6 4v a c4 7 - 6 3 h z 一4 8v d c 3 2a d s l 复用器系统设计 一般来说，现在通信类产品的研制实现仅靠r i s c 处理器的软件功 能实现已经不能满足对带宽及其它的先进功能的要求。许多设计人员 考虑用特殊用途的专门集成电路a s i c 芯片取代r i s c 处理器。a s i c 是针对特殊用途设计的芯片，具有密度高、速度快、成本低等优点。 a s i c 技术发展很快，能将许多过去由软件完成的工作由硬件完成。 a s i c 的门阵列和逻辑电路可全部按照用户要求定制，应用领域包括e 1 时隙复用解复用以及千兆以太网支持电路。a s i c 技术的发展意味着更 多的功能可转向硬件，极大的减少了处理数据的数目，提高了性能水 平，增加了性能。与软件执行相比，a s i c 的性能是后者的3 倍。然而 全硬件化的复用设备使用起来缺乏灵活性在许多标准规范仍在不断演 变中。因此，目前比较好的方法是恰当的结合r i s c 与a s i c 技术，取 r i s c 处理器的灵活性与全硬件a s i c 的高性能、高密度及低成本的优 北京交通大学硕士学位论文；a d s l 复用器的系统设计和实现 点。 在a d s l 复用器的设计方案当中，r i s c 芯片采用m o t o r o l a 公司的 m p c 8 5 0 ，a s i c 芯片采用b t 8 3 7 0 、e x a rx r t 4 5 0 0 、m i n d s p c e d c x 2 8 9 7 5 。 本论文的任务是完成a d s l 复用器的设计与实现。该系统的研 究设计包括硬件设计和底层软件设计，研究和实现a d s l 接入、流 控和速率调整，研究和开发串扰、速率和信噪比的关系，研究开发 在实时操作系统v x w o r k s 下的网络驱动的编写、板级支持包( b s p ) 的编写等。下面是a d s l 复用系统的总体实施方案。如图3 1 所示。 图3 1a d s l 复用系统框图 3 3a d s l 复用器体系结构及功能特点 3 3 1 体系结构 a d s l 复用器系统由主控卡、子速率卡和接入卡组成。每一a d s l 复用设备只能有一块主控卡和子速率卡，接入卡有3 3 6m o d e m 接入卡， i d s l 接入卡，g s h d s l 接入卡等多种类型，a d s l 复用设备最多可混 北京交通大学硕士学位论文：h x ) s l 复用器的系统设计和实现 插1 6 张接入卡。主控卡，子速率卡及3 3 6 m o d e m 接入卡共同组成了复 用设备的基本功能系统。系统组成如图3 2 所示。 廖粤卤：崮南南 3 3 2 功能模块介绍 图3 2 复用设备的基本功能系统 主控单元的功能主要有三个： 1 ) 网管功能 主控单元运行网管代理程序，由高性能c p u 实现了v t l 0 0 、w e b 、 t e l n e t 、s n m p 带内网管等网络管理功能。主控单元负责整个机架内各 接入卡的管理，并同时向外提供一个i o m 的以太网口( i o b a s e t ) 和 一个r s 2 3 2 口，以便能接入以太网、d d n 等网络接受管理，或通过r s 2 3 2 接标准终端进行配置。 2 ) 数据交叉连接功能 主控单元带有四个e 1 口，能提供最多1 6x1 6 无阻塞交换，最大 8 m 的数据传输能力，每一个e 1 接口的每一时隙都可进行无阻塞连接， 支持同类端口间无阻塞交叉连接，主控单元内部有一个交叉连接单元， 可以对4 个e 1 口的数据和背板总线上的数据以6 4 k 为单位进行交叉连 接。 3 ) 系统配置保存功能 只有主控单元带有e t h e r n e t 口和配置口，各设备卡的参数设置均 通过主控进行，并通过主控进行管理和保存。 子速率卡单元的功能主要是： 提供适配，复用及解复用功能，支持3 2 路子信道。每块卡上有4 北京交通大学硕士学位论文：a d s l 复用器的系统设计和实现 个8 5 0 处理器，运行着4 个相互独立的线路卡网管程序，通过把各种 子速率复用到6 4 k 的数字信道上并交叉连接到其它时隙或直接进入 2 0 4 8 k 的复用通道连接到远端节点，最后通过解复用还原到原来的子速 率和对应的用户连接。子速率卡无外置端口，通过软件自动控制。 3 3 6m o d e m 接入卡单元的功能主要是： 内部带有最多四路频带m o d e m 。能为用户提供最多四路频带m o d e m 的接入。频带m o d e m 工作于专线方式和p s t n 方式。支持同异步数据传 输。 具有以下主要特点： 1 ) 设置方便 所有设置都可以通过v t l 0 0 方式，w e b 方式，s n m p 方式，t e l n e t 方式对软件进行设置 2 ) 线路测试能力 不用线路切换，操作网管软件就可以作为线路测试的测试方或环 回方进行测试。 i d s l 接入卡单元的功能主要是： 内部带有最多四路基带m o d e m ，且共用一个d b 2 5 接口。具有握手 快、速度快、性能稳定等一系列优点。 1 ) 传输距离远 在线径0 4 m m 线路上传输距离最远可达6 0 k m ，0 5 m m 线路则可达 8 0 k m 。 2 ) 设置方便 所有设置都可用v t l 0 0 ，w e b ，s n m p ，t e l n e t 方式进行配置。 3 ) 线路测试能力强 不用线路切换，操作网管软件就可以作为线路测试的测试方或环 回方进行测试。 北京交通大学硕士学位论文；a d s l 复用器的系统设计和实现 第四章a d s l 复用器的硬件结构 本章详细说明了a d s l 复用器的硬件设计，分模块的详细介绍说 明设计过程及设计中用到的芯片。 4 1a d s l 复用器硬件设计思想 a d s l 复用器的主要通信协议处理模块芯片使用m o t o r o l a 公司的 3 2 位微处理器m p c 8 5 0 。m p c 8 5 0 微处理器是一个多用途的通信芯片， 它内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种通信和控制领域。 它是m p c 8 6 0 应用于通信系统的低成本实现，提供了更高的性价比， 而且在通信方面功能有所增强，如对通用串行总线( u s b ) 的支持。 m p c 8 5 0 集成了嵌入式p o w c r p c 内核和一个为通信使用的专门r i s c 通 信处理模块( c p m ) 。m p c 8 5 0 的c p m 支持7 个串行通道：两个串行 通信控制器( s c c ) ，一个通用串行总线通道( u s b ) ，两个串行管理控 制器( s m c ) ，一个1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 接口和一个串行外围 接口( s p i ) 。由于c p m 分担了嵌入式p o w e r p c 内核的外围工作任务， 这种双处理器体系结构比传统体系结构的处理器具有更高的效率。 在复用器的设计过程中，综合考虑开发成本、开发周期和端口利 用率等问题，采用四个e 1 接口，一个c o n s o l e 口，一个e t h e m e t 接口， 同时保留1 6 个子卡插槽位。 a d s l 复用器的硬件设计要求满足以下任务： 提供四个e l 接口作为节点连