基于FPGA的多路數(shù)字信號(hào)復(fù)分接器的設(shè)計(jì)

1 多信號(hào)數(shù)字復(fù)分接器的設(shè)計(jì)要求

復(fù)分接器需要完成對(duì)以下信號(hào)的復(fù)分接：

(1)4路8 kB語(yǔ)音（符合G.729A標(biāo)準(zhǔn)）及線路信令；

(2)1路4.8 kB低速同步數(shù)據(jù)；

(3)2路最高為2.4 kB的異步數(shù)據(jù)。

形成速率為64 kb/s的群路碼流。功能框圖見圖1。

2 復(fù)分接器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 復(fù)分接器的設(shè)計(jì)

2.1.1 復(fù)分接器的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，幀結(jié)構(gòu)見表1。

根據(jù)表1可以計(jì)算出：

每幀的幀長(zhǎng)L=1 280 bit

當(dāng)群路碼速率fS=64 kb/s時(shí)：

由幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果可對(duì)信道容量估算如下：

4路話音壓縮成23×8×4×50=36.8 kb/s，低速異步數(shù)據(jù)2路為128×2×50=12.8 kb/s，低速同步數(shù)據(jù)1路為4.8 kb/s，總開銷為54.4 kb/s。

時(shí)分復(fù)用的分割方式是用時(shí)隙實(shí)現(xiàn)的，每一支路信號(hào)分配一路時(shí)隙，幀同步碼和其他業(yè)務(wù)信號(hào)、信令信號(hào)再分配一個(gè)或兩個(gè)時(shí)隙，這種按時(shí)隙分配的重復(fù)性圖案就是幀結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的多路信號(hào)復(fù)接器，就是按幀結(jié)構(gòu)將各種信息規(guī)律性地相互交插匯總成64 kb/s的群路碼流。

PCM基群[3]的復(fù)接是在時(shí)隙信號(hào)控制下進(jìn)行的。以30/32路PCM基群為例，在一個(gè)完整的幀周期中，定時(shí)系統(tǒng)均勻地產(chǎn)生32個(gè)時(shí)隙信號(hào)，所有時(shí)隙信號(hào)均和系統(tǒng)時(shí)鐘同步。在每幀的開始，第一個(gè)時(shí)隙信號(hào)有效，此時(shí)在系統(tǒng)時(shí)鐘作用下，復(fù)接器讀取第一支路的數(shù)據(jù)信息(8 bit)；接著，第二個(gè)時(shí)隙信號(hào)有效，復(fù)接器讀取第二支路的數(shù)據(jù)信息，直至依次讀取完所有32個(gè)支路信息，如此周而復(fù)始進(jìn)行。這種復(fù)接方式以字節(jié)為單位進(jìn)行。

從設(shè)計(jì)要求可知，復(fù)接器要復(fù)接的各個(gè)支路數(shù)據(jù)量差別較大，既有8 kB語(yǔ)音信號(hào)(該數(shù)據(jù)由語(yǔ)音壓縮電路提供)，還有4.8 kB的同步數(shù)據(jù)及2.4 kB的異步數(shù)據(jù)。如果按字節(jié)方式復(fù)接，不僅會(huì)造成在不同的時(shí)隙中需要復(fù)接的有效數(shù)據(jù)差別很大(如對(duì)每一個(gè)語(yǔ)音支路、同步數(shù)據(jù)、異步數(shù)據(jù)而言，其有效數(shù)據(jù)分別為184 bit、103 bit、128 bit，而幀對(duì)告只需1 bit)，而且會(huì)浪費(fèi)較多的系統(tǒng)資源?；谝陨戏治?，本設(shè)計(jì)采用按位復(fù)接。

具體復(fù)接過程如下：首先設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)速率為64 kb/s，計(jì)數(shù)范圍為0～1 280，與一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度正好相同。計(jì)數(shù)時(shí)鐘從系統(tǒng)時(shí)鐘中得到，因而它們是完全同步的。計(jì)數(shù)器從復(fù)位開始計(jì)數(shù)時(shí)，即是每一幀數(shù)據(jù)的開始。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為1時(shí)，復(fù)接器讀取幀的第1位，即幀頭的第1位；當(dāng)計(jì)數(shù)為2時(shí)，復(fù)接器讀取第2位，即幀頭的第2位……，在計(jì)數(shù)為1 280時(shí)，復(fù)接器則讀取幀的最后一位數(shù)據(jù)。若按復(fù)接支路劃分，則有如表2所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：復(fù)接器應(yīng)讀取的數(shù)據(jù)位在數(shù)值上等于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值。需要說明的是：CRC采用ITU-T建議的CRC-4方案，其生成多項(xiàng)式為x4+x+1。在計(jì)數(shù)器值每次變化即復(fù)接器每讀取一位數(shù)據(jù)后，立即把該數(shù)據(jù)發(fā)送到群路碼流中而不需要進(jìn)行保存，發(fā)送的同時(shí)進(jìn)行CRC校驗(yàn)計(jì)算。待需要復(fù)接CRC數(shù)據(jù)時(shí)，正好得到其計(jì)算結(jié)果，不會(huì)影響到復(fù)接結(jié)果。

2.1.2 復(fù)分接器的硬件設(shè)計(jì)

復(fù)分接器基于一片FPGA來實(shí)現(xiàn)，模塊化硬件框圖見圖2。

2.2 復(fù)分接器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 同步設(shè)計(jì)

一個(gè)時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)必須收、發(fā)同步才能正常工作，這個(gè)同步包括位同步(時(shí)鐘同步)和幀同步。位同步是最基本的同步，是實(shí)現(xiàn)幀同步的前提。

位同步的基本含義是收、發(fā)兩端的時(shí)鐘頻率必須同頻、同相，這樣接收端才能正確接收和判決發(fā)送端送來的每一個(gè)碼元。為此，一般應(yīng)在傳輸?shù)娜郝反a流中含有發(fā)送端的時(shí)鐘頻率成分。這樣，接收端從接收到的碼流中可提取出發(fā)端時(shí)鐘頻率，通過鎖相技術(shù)就可做到位同步。

幀同步是為了保證收、發(fā)各對(duì)應(yīng)的支路在時(shí)間上保持一致，這樣接收端就能正確分接出各支路信號(hào)。為了建立幀同步，需要在每一幀的固定位置插入具有特定碼型的幀同步碼。這樣，只要接收端能正確識(shí)別出這些幀同步碼，就能正確辨別出每一幀的首尾，從而能正確區(qū)分出發(fā)送端送來的各路信號(hào)。

常用的幀同步碼插入方式有分散插入和集中插入兩種方式。分散插入采用把多位同步碼分散地插入到信息碼流中，最大特點(diǎn)是同步碼不占用信息時(shí)隙，但同步引入時(shí)間長(zhǎng)；集中插入則將多位同步碼以集中的形式插入到信息碼流中，顯然，幀同步碼需占用信息時(shí)隙，但縮短了同步引入時(shí)間。

本設(shè)計(jì)采用幀同步碼（1B）集中插入方式。同步捕捉模塊框圖見圖3。

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2.2.2 準(zhǔn)同步復(fù)接

同步復(fù)接是指參與復(fù)接的支路數(shù)字信號(hào)與復(fù)接時(shí)鐘嚴(yán)格同步；準(zhǔn)同步復(fù)分接則是把標(biāo)稱速率相同、而實(shí)際速率略有差異、但均在規(guī)定的容差范圍內(nèi)的多路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)接分接的技術(shù)。

在設(shè)計(jì)中，由于同步數(shù)據(jù)時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘不同源，因此，該部分復(fù)分接屬準(zhǔn)同步復(fù)分接。碼率調(diào)整及碼速恢復(fù)技術(shù)是該部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，即先把參與復(fù)接的各準(zhǔn)同步支路碼流調(diào)整成為同步碼流，然后再對(duì)這些同步碼流進(jìn)行同步復(fù)接；在接收端，則先實(shí)施同步分接，得到同步支路碼流后，再經(jīng)過碼速恢復(fù)裝置，把同步支路碼流還原成原來的準(zhǔn)同步支路碼流。碼速調(diào)整示意圖如圖4所示。

被復(fù)接的碼速fL與其標(biāo)稱碼速fm之間有三種關(guān)系：fLm，fL=fm，fL>fm。當(dāng)瞬間fL>fm時(shí)，采用負(fù)碼速調(diào)整；當(dāng)瞬間fLm時(shí)，采用正碼速調(diào)整。

在設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)中，該部分復(fù)接后占用的幀長(zhǎng)度是固定的，它包含的信息和相應(yīng)位置如表3。

“插入標(biāo)志”用來表示采用碼速調(diào)整的方式，很明顯，使用2 bit即可代表三種碼速調(diào)整方式，在此用6 bit來指示三種碼速調(diào)整方式,將該6 bit分為3組，對(duì)3組數(shù)據(jù)采用大數(shù)判決，可較好解決由于該插入標(biāo)志誤碼造成分接時(shí)的碼流恢復(fù)錯(cuò)誤。插入碼則表示對(duì)應(yīng)的調(diào)整碼。在分接端，通過讀取插入標(biāo)志即可正確判斷和分離出插入碼，從而還原成為原來的準(zhǔn)同步支路碼流。

下面對(duì)碼速調(diào)整率進(jìn)行估算：

其物理意義為：對(duì)速率為4.8 kb/s的同步數(shù)據(jù)，允許的速率變化范圍是(4.8-4.8×1 %) kb/s～(4.8+4.8×1 %) kb/s，在此范圍內(nèi)均可完全正確地進(jìn)行復(fù)分接。

2.2.3 語(yǔ)音數(shù)據(jù)和異步數(shù)據(jù)的采樣

結(jié)合圖1可知，話音經(jīng)抽樣壓縮為8 kb/s，在MCU的控制下，實(shí)時(shí)寫入語(yǔ)音通道的FIFO中，等待參與復(fù)接。

異步數(shù)據(jù)的最高速率限制為2 400 b/s。根據(jù)采樣定理，FPGA以6.4 kb/s的速率對(duì)低速異步數(shù)據(jù)過采樣，使之成為一個(gè)同步碼流，即可參加復(fù)接。

2.2.4 芯片選型

數(shù)字復(fù)接時(shí),緩存器是必不可少的部件，因?yàn)閺?fù)接過程中，各個(gè)支路信號(hào)均為連續(xù)傳輸。當(dāng)復(fù)接某一支路信碼時(shí)，其他支路信碼仍在傳送，但暫時(shí)尚未輪到復(fù)接它們，因此需要將這些數(shù)據(jù)緩存起來，以免丟失。

FPGA既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了ASIC設(shè)計(jì)的周期長(zhǎng)、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)。結(jié)合性能、成本等要求，設(shè)計(jì)選用了Xilinx公司的 XC2S300E-6，該FPGA為30萬門大規(guī)模可編程邏輯器件，基于查找表、觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。查找表可等效為16×1 RAM或移位寄存器，提高邏輯利用率，內(nèi)置專用雙端口BlockRAM，方便了系統(tǒng)開發(fā)。

3 設(shè)計(jì)中需要注意的問題

系統(tǒng)中其他相關(guān)設(shè)備對(duì)群路碼流的速率容差要求較為嚴(yán)格，為±50 ppm，因此在選擇全局時(shí)鐘源時(shí)應(yīng)慎重考慮,避免由于時(shí)鐘源造成的碼速抖動(dòng)和漂移。設(shè)計(jì)中應(yīng)多采用同步時(shí)序電路來實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程模塊的功能，以免電路中產(chǎn)生毛刺。接口數(shù)字信號(hào)5 V TTL，內(nèi)部芯片工作電壓3.3 V LVTTL，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

本設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的ISE6.1作為硬件開發(fā)平臺(tái)，并采用VHDL編程語(yǔ)言。程序已通過了綜合實(shí)驗(yàn)，并使用ModelSim軟件進(jìn)行了功能仿真和時(shí)序仿真，仿真結(jié)果正確。在硬件實(shí)現(xiàn)與調(diào)試過程中，將程序下載到Xilinx公司的SPARTANⅡE系列的XC2S300E-6芯片，經(jīng)過整體調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路數(shù)字復(fù)分接器的設(shè)計(jì)。該方法不僅具有通用性、實(shí)用性，而且具有靈活性和程序可移植性，相信在很多行業(yè)都會(huì)得到廣泛應(yīng)用。