基于FPGA的PCM30／32路系統信號同步數字復接設計

摘要：在現代數字通信系統中，為了擴大信道的傳輸容量提高信號傳輸效率，常采用數字復接的技術(shù)。在分析了PCM30／32路系統基群信號幀結構的基礎上，以EDA綜合仿真設計軟件QuartusⅡ8．0為開(kāi)發(fā)平臺，利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行系統建模，設計了一種基于FPGA的同步數字信號復接系統。經(jīng)過(guò)對系統的功能仿真測試及綜合布局布線(xiàn)分析，驗證了輸入／輸出的邏輯關(guān)系，實(shí)現了系統中在發(fā)送端進(jìn)行數字復接和接收端同步分解還原的設計要求，功能穩定可靠。
關(guān)鍵詞：FPGA；數字通信；數字復接；幀同步

0 引言
數字通信系統包括發(fā)送設備、接收設備和傳輸設備，在現代數字通信中，為了擴大信道傳輸容量提高傳輸效率，通常需要將若干低速數字碼流按一定的規范復接為一個(gè)高速數據碼流流，以便在高速寬帶信道中傳輸。目前采用較多的技術(shù)是頻分多路復用和時(shí)分多路復用，頻分多路復用適用于模擬通信，例如載波通信；時(shí)分多路多復用適用于數字通信，例如PCM通信。數字復接技術(shù)就是依據時(shí)分復用的基本原理完成數據碼流合并和分解還原的一種專(zhuān)門(mén)技術(shù)，并且是數字通信中的一項基礎技術(shù)。以往的數字復接系統大多采用模擬電路或傳統的ASIC設計，電路復雜龐大且受器件局限性約束；由于近年來(lái)基于FPGA可編程器件的電路設計發(fā)展迅速，可方便反復編寫(xiě)和修改主程序及相關(guān)參數，靈活性和穩定性都很高。本文以我國廣泛應用的PCM30／32基群數字信號為例，介紹這種基于FPGA流程設計的同步數字信號復接和分解方案，使用EDA仿真設計工具QuartusⅡ和Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言對數據復接和分解的關(guān)鍵步驟進(jìn)行功能仿真和驗證。

1 PCM30／32路系統幀結構介紹
時(shí)分復用的基本原理是將時(shí)間段分割成若干路時(shí)隙，每一路信號分配一個(gè)時(shí)隙，幀同步碼和其他業(yè)務(wù)信號、信令信號再分配一個(gè)或兩個(gè)時(shí)隙，這種按時(shí)隙分配的重復性比特即為幀結構。在PCM30／32路基群設備中是以幀結構為單位，將各種信息規律性地相互交插匯成2 048 Kb／s的高速碼流。PCM30／32路系統的整個(gè)系統共分為32個(gè)路時(shí)隙，其中30個(gè)路時(shí)隙分別用來(lái)傳送30路話(huà)音信號，一個(gè)路時(shí)隙用來(lái)傳送幀同步碼，另一個(gè)路時(shí)隙用來(lái)傳送信令碼。
PCM30／32路系統中一個(gè)復幀(1復幀時(shí)間為2 ms)包含16幀，編號分別為F0幀，F1幀，F2幀，…，F15幀，每幀(每一幀的時(shí)間為125μs)又包含有32個(gè)路時(shí)隙，其編號為T(mén)S0，TS1，TS2，…，TS31，每一路時(shí)隙時(shí)間為3．9μs，包含有8個(gè)位時(shí)隙，其編號分別為D1，D2，…，D8，每個(gè)位時(shí)隙的時(shí)間為0．488μs。其中TS1～TS15及TS17～TS31共30個(gè)時(shí)隙用于傳送第1～30路的信息信號。偶幀的TS0時(shí)隙傳送幀同步碼，其碼型為{×0011011}；奇幀TS0時(shí)隙用于傳送幀失步對告和監視告警碼等，碼型為{×1A1SSSSS}。TS16時(shí)隙用于傳送復幀同步信號、復幀失步對告及各路的信令(掛機、撥號、占用等)信號，當TS16用于傳隨信令時(shí)，它的安排是子幀F0的TS16時(shí)隙用于傳復幀失步對告碼及復幀同步碼，F1子幀的TS16時(shí)隙傳送第1路和第16路的信令信號，F2子幀的TS16時(shí)隙傳送第2路和第17路信令信號，依次類(lèi)推，每一子幀內的TS16時(shí)隙只能傳送2路信令信號碼，這樣30路的信令信號傳送一遍需要15個(gè)子幀的TS16時(shí)隙，每個(gè)話(huà)路信令信號碼的重復周期為1個(gè)復幀周期。綜上所述并結合抽樣理論，每幀頻率應為8 000 f／s，幀周期為125μs，所以PCM30／32路系統基群信號總數碼率為：


2 同步數字復接技術(shù)原理
2．1 數字復接系統簡(jiǎn)介
數字復接系統包括發(fā)送端和接收端兩部分，通常稱(chēng)為復接器(Digital Multiplexer)和分接器(Digital Demultiplexer)。數字復接器由定時(shí)單元和復接單元所組成，是把2個(gè)或多個(gè)低速的支路數字信號按照時(shí)分復用方式合并成為一路高速的數字信號的設備；數字分接器是由同步、定時(shí)和分接單元所組成，是把合路數字信號分解還原為原來(lái)的支路數字信號的設備。定時(shí)單元給設備提供統一的基準時(shí)間信號；同步單元可以從接收到的復用信碼中提取與發(fā)送單元相位一致的同步時(shí)鐘信號以及幀同步信號，從而真正實(shí)現數字復接系統的同步特性。在實(shí)際信號傳輸中，發(fā)送端把低速數字信號合并為高速信號的同時(shí)，常插入巴克碼用作幀同步碼，以便于解復用識別定位；在接收端，幀同步碼能否被準確識別直接決定了能否正確地分接還原出各個(gè)支路信號。系統總體結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2．2 時(shí)分復接中的同步技術(shù)
數字通信中的同步技術(shù)，也稱(chēng)為定時(shí)，包括位同步(也稱(chēng)時(shí)鐘同步)和幀同步，這是數字通信系統的一個(gè)重要特征。位同步是最基本的同步，是實(shí)現幀同步的前提，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(lái)的每一個(gè)碼元。為了達到收、發(fā)端頻率同頻、同相，在設計傳輸碼型時(shí)，一般要考慮傳輸的碼型中應含有發(fā)送端的時(shí)鐘頻率成分。這樣，接收端從接收到的經(jīng)過(guò)復用的碼元信號中提取出發(fā)端時(shí)鐘頻率來(lái)進(jìn)而得到同頻、同相的收端時(shí)鐘，就可以做到位同步；幀同步是為了保證收、發(fā)對應的話(huà)路在時(shí)間上保持一致，這樣接收端就能正確接收發(fā)送端送來(lái)的每一個(gè)話(huà)路信號，當然這必須是在位同步的前提下實(shí)現。為了建立收、發(fā)系統的幀同步，需要在每一幀(或幾幀)中的固定位置插入具有特定碼型的幀同步碼。這樣，只要收端能正確識別出這些幀同步碼，就能正確辨別出每一幀的首尾，從而能正確區分出發(fā)端送來(lái)的各路信號。上面介紹的PCM30／32路基群信號的TSO時(shí)隙傳輸的幀同步信號就是為了實(shí)現該功能。