引言

數字通信網中，為擴大傳輸容量和提高傳輸效率，常運用數字復接技術，將若干低速碼流合并成高速碼流，通過高速信道傳送。而以往的PDH數字復接系統大多采用模擬電路或傳統ASIC設計，電路復雜龐大且受器件限制，靈活性和穩定性都很低，系統的調試修改難度也很大。近年來可編程器件的應用日益廣泛，使用較多的是現場可編程門陣列(FPGA)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)。FPGA器件性能優越，使用方便，成本低廉，投資風險小，使用FPGA設計可以完全根據設計者需要開發ASIC芯片，可方便地反復編寫和修改程序，即使制成PCB后仍能進行功能修改。本文將著重介紹運用FPGA技術實現基群與二次群之間復接與分接系統的總體設計方案。

數字復接基本原理及系統構成

二次群幀結構及其復接子幀結構

按ITU-TG.742協議，工作在8448kbit/s的采用正碼速調整的二次群復接設備幀結構如圖1所示，一幀共有848bit，前12位幀碼組包括幀同步碼10位，碼型為1111010000；失步對告碼，同步為“0”，失步為“1”；國內通信備用碼。Cj1、Cj2、Cj3(j=1，2，3，4)為插入標志碼，Vj(j=1，2，3，4)為碼速調整插入比特，其作用是調整基群碼速。二次群由四支路的子幀構成，子幀結構如圖2所示，一子幀有212bit，1、2、3位碼為幀碼組，記Fj；插入標志碼用Cj表示；碼速調整插入比特用Vj表示。

圖1　二次群幀結構

圖2　復接子幀結構(以第一條支路為例)

復接系統構成

復接系統構成的框圖如圖3。復接時序信號發生器產生碼速調整需要的時序信號，四路基群信號先各自經正碼速調整，變為2.112Mbit/s的同步碼流。合路器順序循環讀取四路碼流，并在每幀開頭插入幀定位信號，輸出8.448Mbit/s的標準二次群。

圖3　復接的系統構成框圖

在接收端，合路碼流先進行幀定位捕獲，判定系統處于同步態、失步態還是過渡態。一旦捕獲到幀定位信號，便驅動分接時序信號發生器工作，產生分路和碼速恢復需要的時序信號，同時分路器工作，把幀定位信號拋掉，順序循環分別送入4個碼速恢復單元，扣除插入碼元，恢復成四路2.048Mbit/s的基群信號。

數字復接系統的FPGA設計

本次FPGA設計采用分層設計，頂層為整個系統的原理框圖(見圖3)，用一些符號表示功能塊，然后把每個功能塊分成若干子模塊，各模塊獨立設計。下面就各模塊的設計思想進行詳細介紹。

復接電路設計

復接電路如圖4所示，它由復接時序發生器、緩存器、碼速調整控制電路、插入碼控制電路、幀定位信號發生器和合路器6個模塊構成。圖中只畫了第一條支路參與復接的實現過程，因為四條支路的過程完全相同，因而略去其余3個支路的電路。

圖4　復接電路框圖

(1)復接時序發生器模塊

輸入為2.112MHz頻率的均勻時鐘，通過該模塊產生插入碼控制電路所需的插入標志時隙脈沖SZ、調整插入時隙脈沖SV、頻率為2.112MHz的非均勻時鐘f(從輸入的均勻時鐘扣除了時隙SZ和SF)和幀定位信號發生器所需的時隙脈沖SF。

(2)緩存器模塊

基群信號以2.048MHz的均勻時鐘clk_wr寫入緩存器，同時以2.112MHz的非均勻時鐘clk_rd讀出，clk_rd由插入碼控制電路產生。該模塊還需輸出每次寫入和讀出一幀數據時第一個clk_wr脈沖P1和clk_rd脈沖P2，送給碼速調整控制電路模塊。在該模塊的設計中，應注意每一幀信息碼的位數不是固定的，必須通過碼速調整控制電路模塊的反饋信號Fn來確定，當反饋信號表明本幀需要調整，則位數為205；反之，位數為206。

(3)碼速調整控制電路模塊

緩存器的寫入脈沖超前于讀出脈沖的時間量稱為讀寫時差，讀寫時差的大小總隨時間不斷變化著。該電路中緩存器的寫入速率低于讀出速率，隨著時間的推移，緩存器中所存信息碼數目越來越少，最后導致“取空”而造成錯誤的數據傳輸。因此，我們必須設定一門限，當信碼數降到門限值時，就進行碼速調整。

通過對各時刻讀寫時差的聯系以及趨向最終狀態變化的分析得出，讀寫時差的最低點總是發生在一幀末尾，而在幀首通過兩脈沖相位差就能判斷本幀是否需要碼速調整。具體地說，P1和P2輸入進行鑒相判決得到幀首的讀寫時差T0，與調整門限值TS進行比較，若T0>TS則本幀不需要調整，反之若T0≤TS，則需要調整。這時模塊輸出反饋信號Fn給緩存器，和調整控制負脈沖Gate給輸入碼控制電路模塊。

(4)插入碼控制電路模塊

該模塊的功能是對緩存器的讀出信息進行插入碼控制，輸出2.112MHz的非均勻時鐘clk_rd和參與合路的支路碼流。為了標志是否在時隙SZ有插入調整比特，就必須引入插入標志碼。通常在一幀中規定一個特定時隙SV，提供一次碼速調整的機會。如果某支路需要進行調整，就在該時隙插入一比特脈沖，如不需要調整則該時隙仍傳支路信息。為確保可靠性，通常采用3位碼作為插入標志碼。如果某支路有插入調整，用標志碼為111來表示，否則用000表示。

(5)幀定位信號發生器模塊

該模塊產生幀同步信號和告警指示碼，幀定位信號可以集中插入，也可以分散到各支路插入，考慮到設備和延遲問題，我們選擇集中插入。

(6)合路器模塊

根據每個時間間隔傳送碼字的多少，有3種排列方式：按位復接、按字復接和按幀復接。其中按位復接要求緩存器容量較小，較易實現，而且二次群幀結構是由4個支路子幀按位復接而成，所以一般采用按位復接，本文采用的也是該方式。該模塊按位順序循環讀取四路碼速調整后的碼流，在對應SF時隙插入幀定位信號“111101000000”，得到二次群信號，即完成整個復接部分。

分接電路設計

分接過程如圖5所示，它是由幀定位捕獲電路、同步時鐘提取電路、分路器、分接時序信號發生器、插入碼扣除控制電路、時鐘平滑電路和碼速恢復控制電路7個模塊構成。由于四路分接電路基本相同，所以略去其余三路電路。

圖5　分接電路框圖

(1)幀定位捕獲電路模塊

該模塊通過捕獲幀定位信號分辨幀首位置，并判定系統的狀態。當連續3次捕獲到幀定位信號，則判定系統處于同步態；之后若連續4次沒捕獲到幀定位信號，則判定系統進入失步態，并關閉分接時序信號發生器，也不再接收數據；一旦捕獲到幀定位信號，便驅動分接時序信號發生器工作，并開始接收數據。這里要求模塊在系統失步后能重新進入同步，如果傳輸中幀同步碼組連續丟失了幾幀，而系統又沒有自恢復能力，那么整個系統將無法再正常工作。

(2)同步時鐘提取模塊

數據流的接收需要與之速率相同的時鐘，這就需要對二次群碼流進行位同步時鐘提取，得到與之速率一致的均勻時鐘給分路器。

(3)分路器模塊

一旦捕獲到幀定位信號，分接器便開始工作，把幀定位信號拋掉，其余在8.448MHz的位同步時鐘下按位順序循環進行同步分離，分別送入4個碼速恢復單元。

(4)分接時序信號發生器模塊

該模塊設計思想基本同于復接時序信號發生器，其基準時鐘由位同步時鐘分頻得到。幀定位捕獲電路驅動它工作，產生幀定位時隙脈沖SF，插入標志時隙脈沖SZ，調整插入時隙脈沖SV和2.112MHz的非均勻時鐘f，送給插入碼扣除控制電路。

(5)插入碼扣除控制電路模塊

該模塊的功能是扣除復接時插入碼流的碼字，輸出作為碼速恢復電路的寫入時鐘clk_wr’，在接收端對收到的SZ時隙的標志碼進行擇多判決，即標志碼中有2個以上為1，判為有插入調整，分接時應將SV時隙內容扣除；否則判為無插入調整，分接時無需扣除SV時隙內容。如果輸入碼流對應SZ時隙出現“1”的個數比“0”的個數多，f中對應SV的一個節拍被扣除；如果對應SZ時隙“0”的個數比“1”的個數多，則f中對應SV的節拍仍起作用。

(6)時鐘平滑電路模塊

該模塊對非均勻時鐘clk_wr’進行平滑均勻，提取2.048MHz的均勻時鐘clk_rd’作為碼速恢復電路的讀出時鐘。這里可用VHDL語言來實現，也可以用一般的二階鎖相環。

(7)碼速恢復電路模塊

從分路器輸出的支路碼流以2.112MHz的非均勻時鐘clk_wr’寫入該模塊，同時以2.048MHz的均勻時鐘clk_rd’讀出，即還原出基群信號，完成整個分接過程。

結束語

系統仿真波形良好，除了允許范圍內的信號延遲外，能準確實現數字信號的復接和分接。本系統采用芯片EPF10K20TC144實現，通過對硬件電路實際測試表明，誤碼率小于0.1%，系統信號平均時延小于4.5μs，去抖效果良好。而且本設計便于擴展，只需修改FPGA中相應控制參數，就可以實現高次群的復接與分接。該系統作為IP核應用于信號傳輸電路，對數字信號，或經PCM編碼調制后的語音信號進行處理，可提高信道的利用率和傳輸質量，也可以進行光電轉換后用于光纖通信或大氣激光通信中。