（通信与信息系统专业论文）eloverip电路仿真适配器的研究与实现.pdf

摘要 舢| f i f f f | f f 洲川i | f 川i f | 舢 y 2 0 6 8 4 9 4 随着网络技术的演进和不同网络间的融合，在下一代网络中，以数据分组为 基本单元进行传输和交换的方式将占据统治地位。如何采用统一的技术解决方案 来构建下一代信息网络，以提供语音、数据和视频等综合服务，实现电路交换向 分组交换过渡并转换，将是下一代通信网络发展的主要研究方向。 1 d m o i p 为这一转变提供了可行的技术保障。t d m o i p 是指在i p 网上进行电 路仿真，实现e 1 厂r 1 、e 3 d s 3 等t d m 业务在p 网上的传送。其基本原理是在i p 网上搭建一个“隧道 ，定时地将t d m 业务封装到分组中，通过i p 网透明传输到 接收端。作为一种过渡方式，它将i p 网络与现有的t d m 网络相连接，实现无缝 接入，在继承t d m 业务服务质量的同时，完成向下一代信息网络的过渡。 本文首先介绍了) m o i p 技术的基本概念及技术要点，重点分析了实现该技 术所面临的挑战，然后结合实验室承担的科研项目完成了t d m o i p 技术的应用实 例e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的系统方案设计及其各个功能模块的实现。该方 案重点描述了时钟恢复模块和队列管理模块等关键模块。时钟恢复模块利用数字 锁相环技术恢复出准确的发端时钟，队列管理模块完成对分组丢失和乱序的处理。 各个模块采用v e r i l o gh d l 语言设计实现，并用m o d e l s i m 对适配器方案进行了时 序仿真。最后在板级进行了多种功能测试，测试结果表明e 1 0 v e r i p 电路仿真适配 器可以实现预期目标。 关键词：电路仿真t d m o i p i pe 1 0 v e r i p 适配器 a bs t r a c t w i 吐lt h ee v o l u t i o no fn e t w o r kt e c l l r l o l o g y 趾dm ec o n v e 唱e n c eb e t w e e nd i 鼠r e n t n e t v v o f k s ，l ew a yo f 仃a n s m i t t i n ga n ds w i t c l l i n g 谢也d a 妞p a c k e t sa si t sb a s i cu n i tw i l l p l a ym ed o n l i n a t er o l ei i l 舭n e x tg e n e m t i o nn e 咖r k ( n g n ) s ot h em a i nr e s e a r c h d i r 。c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm en e x tg e n e r a t i o nc o 珊m u m c a t i o ni st 0b u i l dan e w n e t w o r k ，w i l i c hc a i lp r 0 v i d e 血e 铲a t e ds e 州c e sf o rv o i c e ，d a t a 锄dv i d e ot r a i l s m i t t i o n 锄da c l l i e v et l l e 仃a l l s i t i o n 觚d 仃a i l s f i o 衄a t i o nf b mc i r c u i ts w i t c m n gt o p a c k e t s w i t c h i n g t d m o 圯w m c hc 觚p e f f 0 皿c i r c u i ts i m u l a t i o nt oa c l l i e v et i ) mb u s i n e s ss u c ha s e 1 厂r 1 锄de 3 d s 3i nt l l em 咖r k ，p r o v i d e sav i a b l et e c h i l i c a ls u p p o r tf o rt l l i s t r 趾s f o n l l a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo f t d m o i pi st 0b u i l da t i l l l n e l ，i 芏1t h ei pn e r k ， w l l i c hc a i le n c a p s u la _ t em et d mb u s i n e s si n t op a c k e t sp e r i o d i c a l l y 锄dt 眦s f e rt h e mt o m er e c e i v i n ge n dm r o u g ht l l ei pn e t 、) l ，o r k 觚l s p a r e n t l y a sa 仃a i l s i t i o n a lm o d e ，i t c o i l i l e c t si pn e t w o r k 丽t l le x i s t i n gt d mn e t w o r kt oa c m e v es e 锄l e s sa c c e s s ，锄d c o m p l e t e sn l e 饥m s i t i o nt 0an e x tg e n e r a t i o ni i l f l o m l a t i o nn e 锕o r kw i l i l er e s e i n gt h e s e i c eq u a l 时o ft d mb i l s i n e s s 1 1 1t h i sm e s i s ，t l l eb 商cc 0 n c e p t s 锄dt c c h m c a lp o i n t so ft d m o i pt e c h n o l o g ya r e i n n o d u c e da n dt h ec 谢l e n g e so fr e a l i z a t i o np r i i l c i p 甜l ya r ea n a l y s e d a s 趾印p l i c a t i o n o ft d m o i pt e c l l o l o g y ，t h ed e s i 印o fe 1o v e r i l c h u i te m u l a t i o na d a p t c rs y s t e ma i l d i m p l e m e n t a t i o no ft h ev a r i o u s 向n c t i o n a jm o d u l e si nar e s e a r c hp r o j e c ta r ec o m p l e t e d t h ed e s i 盟m a i l l l yd e s 嘶b e st h ek e ym o d u l e ss u c ha l st 1 1 ec l o c kr e c o v e 巧m o d u l ea n d l eq u e u em a i l a g e m e n tm o d u l e 1 1 1 ec l o c kr e c o v e um o d u l ec a l lr e c o v e ft l l ea c c u r a t e o r i g i n a lc l o c k 晰mn l eu s eo fd 磷t a lp l lt e c h n o l o g y t h eq u e u em a i l a g e m e n tm o d u l e c 强r e a l i z et h ep a c k e tl o s s 锄d l ed i s o r d e rp r o c e s s f u n c t i o n a lm o d u l e si n 仃0 d u c e d a b o v el l a v eb e e ni i l l p l e m e n t e db yv e r i l o gh d l a n da d a p t e rs o l u t i o ni st i m i n g s 妇u l a t e db yt l l et o o lo fm o d e l s i i i l 、池o s ec o p 徊g h ti sm e n t o rg r 印m c sc o 唧r a t i o n f h l a l l y f o rav 撕啊o fb o 莉一l e v e l 缸l c t i o n a lt c s t i n g ，i ts h o w st h a tt h ee 1 0 v e r i pc i r c u i t e m u l a t i o na d a p t e r sc a na c t l i e v et h ed e s i r e do b j e c t i v e s k e y w o r d ：c i r c u i te m u l a t i o n t d m o i pi pe l o v e r i pa d a p t e r 第一章绪论 第一章绪论 1 1t d m o 口技术简介 目前，通信网络发展日新月异，基于快速以太网和网际协议( h l t e m e t p r o t o c o l ， i p ) 框架下的分组网络成为通信领域发展的新趋势。随着全球范围内数据流量的激 增以及未来网络中i p 技术地位的日渐明晰，未来网络的主体架构必定是基于m 框 架，也就是说i p 将是无所不在的。电信运营商也在寻找能够通过这些网络提供语 音和出租线路等增值服务的途径。就许多应用而言，由于m 业务的价格已低于传 统时分复用( n m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 业务的价格，如何在向下一代分 组网络平稳演进的同时支持传统的t d m 业务和其它基于电路的业务，已经吸引越 来越多的人把目光重点放在以i p 技术为基础的研究上。同时，企业也希望一方面 能够将他们的语音和数据业务集中在一起，又能够保留原有传统设备的投资u j 。 如何在m 网和t d m 网之间达到快速、透明的对接是这个研究和应用领域的 主流问题。各大通信设备制造商和网络通信方面的标准机构也一直致力于这个技 术领域的研究和开发。t d m o i p 【1 】【2 】技术就是在这种潮流下提出来的一种在分组交 换网上透明传输电路交换业务的技术。t d m o i p 技术不解析t d m 具体的信令和协 议，并且能仿真t d m 原有的特性。 t d m o i p 的基本原理就是在分组交换网络上建立一个“隧道 ，通过这种通道 将成帧或非成帧的t d m 数据不做任何解释和翻译，封装成d 数据包，通过口网 络透传到对端，实现t d m 业务( 如e 1 或t 1 ) 在分组交换网络中的透明传送，在 目的端将收到的数据包打开并恢复出原始的t d m 数据流，从而使网络另一端的 t d m 设备不必关心其所连接的网络是否是一个t d m 网络，如图1 1 所示。分组 交换网络被用来仿真t d m 电路的行为，故而称为“电路仿真( c e s ) 。c e s 指的 主要是t d m 业务如e 1 厂r l ，e 3 d s 3 或是s t m 1 等在非t d m 网络上的传送，所 以为了更清楚表达其含义，采用t d m o 口来代替c e s o p 。 图1 1 基于分组的电路仿真业务 2 e 1 0 v e r 口电路仿真适配器的研究与实现 t d m o i p 技术最简单的实现方法就是在一个i p 数据报文中封装t d m 数据负 载，再附加口报头。当采用t c p 【p 协议时，需要附加2 0 个字节的t c p 报头，加 上2 0 个字节的i p 报头，一个数据报文就有4 0 个字节的非有效t d m 数据的开销。 若一个m 包传输一个结构化的e l 帧，则有效数据带宽还不到一半。另外t c p 提 供了端到端的可靠连接，它的超时重传机制虽然可以弥补报文丢失带来的影响， 但是这对话音分组用处不大，因为重传的话音分组到达接收端时次序已乱，将被 丢弃。对实时数据传输而言，低延迟和信号的顺序传输至关重要。而丢失几毫秒 的信号通常并不会引起注意。更合理的选择是使用实时传输协议i 玎p ，它的报头 至少1 2 个字节，另外8 字节的u d p 报头和2 0 字节的i p 的报头。这与采用t c p 传输的开销一致【4 】。用4 0 字节的额外开销传送3 1 字节的有效数据负载实在是浪费。 目前解决这一个问题的方法主要有两个。 第一种方法是报头压缩方案。现在已经有i 心c 文档提出t c p 和r t p 的平均 报头减到只有3 个字节，把开销百分比降到8 9 。 第二种方法是把多个帧封装前组成一个超级帧，例如把8 个e 1 帧合并成2 4 8 字节的负载，使得开销百分比下降。合并确实增加了一定的缓冲延迟，但每帧只 有1 2 5 微妙的持续时间。 1 2t d m o i p 关键问题的研究【) j t d m 技术是一种时分复用技术，有严格的系统同步和时钟要求，传送恒定比 特率同步业务，而分组交换网络采用基于统计复用的分组交换技术，接收端与发 送端没有严格的同步要求，链路中不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简 单的码速时钟恢复方式在接收端重建定时信息，两者具有完全不同的特性。所以 在考虑采用分组网络传输t d m 业务时，分组网络必须考虑以下几个关键问题，其 中将重点分析丢包乱序问题和时钟同步问题。 1 2 1 信令的转发 t d m 网中信令按照传送路径的不同分为带内信令、随路信令c a s 和共路信令 c c s 。传送不同信令需采用不同的方式。带内信令的编码在语音信道内，与语音占 用同一个时隙，在t d m o i p 机制下被自动转发；随路信令与语音信令在同一帧中 传输，t d m 是用一个专门的时隙来传输信令，可以被t d m o i p 自动转发；对于公 共信令，通常为5 6 k b i 佻或6 4 k b i 讹链路，占用一个时隙，在这种情况下，信令可 以由t d m o 自动转发或者t d m o i p 从信令网关中以i p 格式获得所需信息，无需 处理就可作为附加信息通过网络传输。 第一章绪论 1 2 2 分组化( 封装) 分组化是将同步的t d m 比特流转换( 封装) 为i p 分组的过程。当然，分组 化时延要尽可能小，最好是一个恒定值。为了减小分组化引入的时延，分组大小 的设置要适中。为了提高传输效率，可以将多个同步比特流封装入一个分组( 例 如将多个e l 厂r 1 数据流封装入一个i p 分组) 。正确的封装和解封装t d m 比特流是 保证仿真业务质量的前提。分组化过程支持结构化和非结构化两种操作模式。对 于非结构化操作，不管数据在电路中的结构如何，都把t d m 业务看做纯粹的比特 流。例如，在非结构化模式中，e 1 电路只被看作是一个2 0 4 8 m b i 低的比特流，而 不考虑帧定位比特的位置和电路中的数据通道。非结构化模式的一个好处是t d m 业务中的信令可以透明传输，这意味着t d m o i p 技术可以与任何类型的t d m 业务 对接，同时不需要转换信令协议，这在一定程度上简化了技术的应用。 1 2 3 分组丢失和乱序【6 】【7 1 任何分组网络都会遇到这样的情况：有时分组不能按顺序到达目的地，或到 达目的地的时间太晚而被抛弃，这样就不可避免地会出现分组丢失。对于不按顺 序到达的分组要重新定序，重定序功能通过分组头部的序列号来实现。t d m 网络 没有分组重传机制，因此不按时到达的分组会被抛弃。而抛弃部分的分组可能对 仿真电路的质量及接收端的定时同步有影响，应采取一定的措施对分组丢失的影 响进行补偿。可采用的方法是在接收端设置抖动缓冲器，在抖动缓冲器中跟踪分 组的序列号( 可以是r t p 中的序列号也可以是t d m o i p 控制字中的序列号) ，当发 现乱序，对i p 分组进行重新排序后再由时钟读出数据，当发现丢包，采用插入填 补方法解决。插入分组可采用：固定分组，即用固定值作为插入分组；重放分组， 即用前一个分组代替丢失分组；插补分组，即通过插补方法来估计丢失分组的值。 接收端必须能对乱序到达的分组进行重新排序，通过使用分组头部的序列号来实 现这一功能。下面是针对分组丢失和乱序提出的一种解决方法。 如图1 2 所示，设r e c e i v e d 为收到的分组序列号，e x p e c t i e d 为期望收到的分 组序列号，d 证为期望的分组序列号和收到的分组序列号之差。定义一个滑动窗口， 滑动窗口的长度为l ，当迟到的分组序列号与当前最后收到的分组序列号的差值在 滑动窗口内时，将迟到的分组排在输出队列中，而在窗口外到达的分组都将被丢 失。滑动窗口的长度受抖动缓冲区长度的限制。 4 e l o v e r 口电路仿真适配器的研究与实现 图1 2 丢包和乱序处理软件流程图 具体步骤如下： 系统初始化，r e c e i v e d 置为0 ，收到第一个分组后，将e x p e c t e d 置为r e c e i v e d 加1 同时建立序列号为i 沁c e i v e d 的实指针，转步骤1 ； 1 收到一个新的分组，比较收到的分组序列号r e c e i v e d 和期待的分组序列号 e x p e c t e d ，如果两者相等，转步骤2 ，否则转步骤3 ； 2 判断缓冲区是否溢出，如果抖动缓冲区上溢则丢掉分组的内容，否则将分 组的内容即有效载荷放进抖动缓冲区，e x p e c t e d 加l ，建立r e c e i v e d 实指针，转 步骤1 ； 3 计算序列号差值d i 行= e x p e c t e d r e i v e d ，如果d 濉 0 ，表示期望的序列 号小于接收到的序列号，转步骤4 ；否则表示期望的序列号大于接收到的序列号， 转步骤6 ； 4 判断有分组丢失，丢失的分组序列号是e x p e c t e d ，e x p e c t e d + 1 ， r e c e i v e d 1 ，丢失的分组个数为m o d ( d i 厅) ，转步骤5 ； 5 判断缓冲区的充溢情况，如果缓冲区没有上溢建立丢失分组e x p e c t e d ， e x p e c t e “l ，r e c e i v e d - 1 的空指针，将收到的分组放进抖动缓冲区同时建立收 第一章绪论 5 到分组的实指针；否则的话就丢失分组同时建立e x p e c t e d ，e x p e c t e d + 1 ，。 r c 优i v e d 1 ，r e c e i v e d 的空指针，返回步骤l ； 6 判断迟到的分组到达，首先判断迟到的分组是否在滑动窗口之外，是的话 就将数据丢失专步骤l ；否则判断抖动缓冲区的充溢情况，如果缓冲区下溢，丢失 分组专步骤l ；如果没有下溢将分组放入抖动缓冲区，同时修改该序列号的空指针 为实指针，转步骤l 。 这种方法很好的解决了分组丢失和乱序问题，对于到达的分组不管是早到还 是迟到，只要抖动缓冲区没满或没有跑出滑动窗口，到达的分组都将直接存入抖 动缓冲区，而排序问题由指向抖动缓冲区地址的指针来完成。指针的管理类似于c 语言的队列管理，指针按序列号排列，如果分组正常到达，那么就建立指向该分 组地址的实指针；如果分组丢失建立一个空指针，等迟到的分组到达后就将该序 列号的空指针修改为实指针。如果空指针所对应的分组一直没有出现，那么说明 分组丢失了。对于丢失的分组可以采用插值技术进行补救，即用前面一个未丢失 的分组来代替丢失的分组，这样做是因为相对平稳的信号意味着丢失的分组可能 与前一个分组相似。 1 2 4 时钟同步 t d m 网络是严格同步的。在公用交换电话及s o n e t s d h 网络，主时钟的节 点为从时钟的节点提供时间参考信号。在网络中通常至少存在一个非常准确的全 网基准参考时钟，这个参考时钟为每个区域的区域参考时钟( 其精确性被称为一 级时钟) 提供时钟参考，一级时钟为二级时钟提供参考时钟，二级时钟为三级时 钟节点提供参考时钟。另外，区域参考时钟也可以来自g p s 。 相比传统t d m 网络，i p 网不带有时钟机制，同时i p 包的延时具有随机性( 即 所谓的抖动) ，因此当t d m 流进入分组网络以后，原先的定时信息也丢失了。接 收端和发送端定时上的不一致，将导致数据的丢失或者拥塞，同样当用户的数据 通过不同的网络时难以给发送端和接收端提供一个共同的网络时钟，因此需要在 接收端恢复出和原先时钟在频率和相位上同步的定时信息。所以，在m 网上传输 t d m 业务的关键是要解决时钟同步问题。 目前，t d m o i p 可采用的几种时钟同步机制有：反馈调节时钟同步、时间标签 时钟同步和自适应时钟同步。本文采用的时间戳方法属于第三种即自适应时钟同 步方法，当在本地网络不能获得公共的参考时钟或在网络中提供的是异步服务时 ( 例如i p e t l l e m e t 网络) 通常采用时间戳【8 】【9 】【1 0 1 的方法。基于时间戳的方法不仅执 行起来比较简单而且提供了一个很好的时钟同步性能，下面是对这种基于时间戳 的自适应时钟同步方法的理论分析。 6 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的研究与实现 在时间戳方法中，发送端向接收端等间隔发送时间戳序列( 可与用户数据分 组一同发送，也可以使用单独的分组发送) ，时间戳记录了同步分组精确的发送 时刻，接收端根据分组到达间隔和分组内的时间戳恢复发送端时钟。由于没有使 用公共的网络参考时钟，接收端通过时间戳的到达图样来锁定恢复时钟。时间戳 法的实质在于向发送端的比特流中定期的插入同步图样。在接收端检测这一同步 图样并以此来产生p l l 的参考信号。 图1 3 基于时间戳的时钟同步方案 基于时间戳的时钟同步方案的结构框图见图1 3 。时间戳法允许多个接收端以 广播或多播的通信方式将时钟同步到发送端。发送端时钟本质上讲由一个振荡器 和一个脉冲计数器组成。振荡器产生一定频率的脉冲并作为脉冲计数器的输入。 其中振荡器的频率即连续脉冲间隔( 振荡器周期) 的倒数。计数器的输出反应了 发送端的时钟频率，并在每一个脉冲到达时增加固定的值。发送时钟信号的采样 值被作为时间戳发往接收端。 接收端的p l l 使用时间戳作为参考信号，将时钟锁定到发送端时钟频率。p l l 主要由四个部分组成：鉴相器、环路滤波器、压控振荡器v c o ( 或者数控振荡器 d c o ) 和脉冲计数器。鉴相器比较参考信号和p l l 输出信号得到误差信号，误差信 号又通过环路滤波器，消除其中可能存在的抖动和噪声。v c o ( 或d c o ) 典型情 况下有一个中心频率，振荡器的输出频率由环路滤波器的输出信号控制。 理想情况下，发送端和接收端存在一个固定的延时，时间戳也是等间隔到达 接收端。但是，这与分组网络中实际情况并不相符。p d v ( 分组时延变化) 使得 时钟同步问题变得更为复杂，p d v 为时间戳到达接收端的时刻引入了抖动，如图 第一章绪论 7 1 4 、1 5 所示。引起接收端观察到的抖动主要有三个原因：首先是发送端时钟与接 收端时钟间的频率漂移。与其他两个原因相比，该原因引入的抖动较小。发送端 的协议栈是导致抖动的第二个原因，它可能影响分组流中的时间戳值。最后，由 于网络交换设备中分组复用和排队延时的变化，分组网络会导致显著的抖动。 时间戳以线速 发送 时间戳到达 接收端 a ) 网络示意图 b ) 时间戳的离开和到达 图1 4 网络抖动对时间戳到达的影响 如图1 4 所示，发送端和接收端都有由内部时钟驱动的独立时间基准，且都以 此来发送和接收数据。接收端将自己的时间基准同步于发送端的频率假定为 e = 1 t 。h z 。事实上，振荡器总是与其正常频率存在着频率偏离( 非恒定值) ，因 此相应的时间基准也并不相同。用t ( n ) 表示发送端的时间基准，用r ( n ) 表示接收 端的时间基准。这两个函数对应于两个时钟在离散时间点n 的时间戳， n = o ，l ，2 ， t ( n ) 卜，_ 叫 发送时间戳差值厂- 一广一 ( p l l 参考)l 三l 坐i ! ! ! ：! ! 垒坠生 - i 到翟烯值回回( p l l 输出)l坠生 i! ! ：! ! _ d ( n ) 一 抖动+ 噪声 图1 5p l l 输入与输出 经过分组网络，时间戳到达接收端的延时是变化的。如果用d ( n ) 和d ( n 1 ) 表 示第n 个和第n 一1 个时间戳到达接收端经历的延时，由网络引入的抖动表示为 j ( n ) = d ( n ) 一d ( n 1 ) 。发送端产生的第n 个和第n 一1 个时间戳的差值定义为 t ( n ) = t ( n ) 一t ( n 1 ) 。在接收端，由接收端时钟测量的第n 个和第n 一1 个时间戳 8 e 1 0 v e r m 电路仿真适配器的研究与实现 的到达时间戳的差值定义为r ( n ) = r ( n ) 一r ( n 1 ) ，如图1 5 所示。需要注意的是： 接收端测量的时间戳差值包括了时间戳的到达抖动，即r ( n ) = t ( n ) 一j ( n ) 。 现在时钟恢复问题可以描述为：当滤除抖动后，应当如何控制接收端的时钟 频率= l 。，使接收端时钟测量的r ( n ) 与发送端时钟的时间戳差值t ( n ) 相等。 这里，t ( n ) 与r ( n ) 的差值形成了一个误差信号：e ( n ) = t ( n ) 一r ( n ) 。误差信 号可由p l l 的环路滤波器过滤，输出结果用来控制接收端v c o ( 或d c o ) 的频率 乏= 1 毛。，如图1 6 所示，其中k 。是d c o 因子。p l l 的功能是控制接收端时钟频率e ， 使误差e ( n ) 为零，此时接收端时钟频率等于发送端时钟频率。 图1 6 输入抖动和p l l 接收端p l l 将t ( n ) 作为其参考输入，同时生成r ( n ) 作为其输出。两个变 量t ( n ) 和r ( n ) 如图1 5 所示。 1 2 5 分组抖动 分组抖动是指由网络引入的分组时延变化，也就是说每一个分组经过网络传 输后的时延是变化的。分组时延变化主要是因为承载t d m 业务的网络是异步的， 每个分组在网络中经过的路径可能不同。分组抖动对于仿真业务的性能影响很大， 必须采取一些补偿措施，可以通过接收端的抖动缓冲器减小分组时延变化的影响。 一方面，当分组抖动很大时，如果抖动缓冲区无法抵消这种抖动引起的负面 效果，抖动缓冲区会出现溢出或者清空现象。这样显然会对时钟恢复造成相当恶 劣的影响，因此抖动缓冲区必须设计得足够大才行。 另一方面，抖动缓冲区越大，带来的时延就越大，其不利影响同样也是很明 显的，所以设计抖动缓冲区必须考虑以下两方面因素： 1 、抖动缓冲区应该设计足够大，大到足以抵消所有抖动和漂移的最大值。 2 、抖动缓冲区又必须尽可能地小，这样带来的时延才相对小些。 在求解抖动缓冲区大小曰。之前先介绍一个剩余抖动的概念： 若接收数据时延抖动用j 表示，通过缓冲区后剩余抖动用，表示，厶。为剩 余抖动允许的最大值，缓冲区大小为b ，。为了防止缓冲区的溢出和清空，同时根 第一章绪论 9 据抖动的随机特性，缓冲区一般会在预存o 5 召。的数据分组后，才开始读取。这样 缓存区可以吸收o 5 以大小的p d v 。据此，剩余抖动的表达式为： f o i j i o 5 民 办= ，+ o 5 吃 ， o 5 吃 抖动缓冲区大小吃可以通过下面的解析式获得： 广一 吃：2 ( 1 巨一k ) ( 1 2 ) yp 其中：仃2 是链路p d v 的标准差。 p 是出现溢出和清空现象的概率。 k 是剩余抖动允许的最大值。 从上面的表达式可以发现抖动缓冲区的大小是与网络的即时状况有关的，即 设置大小前必须知道具体网路状况。由于t d m o i p 实现的是实时e l t 1 数据传输， 故需要应用i c m p 协议处理收到的差错报文，以了解e 1 厂r l 数据在分组网上的数 据传输情况。因此在具体应用时可以在数据分组发送之前，先发送i c m p 探测包，。 探测网络的传输时延和抖动，然后用这个预测值控制对缓冲区大小的设置。 1 3t d m o i p 技术应用 t d m o 口作为一种新兴的传输技术，使得在建设高速城域数据网的同时，可以 充分利用原有的t d m 设备和现有的电路交换资源向用户提供更好的语音和数据 业务，解决了现有t d m 终端设备与数据网络的无缝连接问题。有关t d m o i p 技术 的标准化工作已在有条不紊地展开。i t uy 1 4 1 3 是i t u 关于在m p l s 网络上实现 t d m 的建议。i e t f ( i n t e m e t 工程任务组) 、m p l s ( 多协议标记交换) 和帧中继 联盟以及城域以太网论坛( m e ff o m m ) 也都在积极开展t d m o i p 标准化工作， 标准的制定解决了不同设备制造商之间的互联互通问题。随着相关技术和接入网 络的建设，t d m o i p 方案会被越来越多的运营商采用，因此随着t d m o i p 技术的 应用逐渐增多，提供自主的t d m o i p 技术实现方案，实现自主产品，已是水到渠 成之事。 由于我国采用的是类同于欧洲的标准e 1 技术，所以本文在现有的t d m o i p 技 术标准上，将u d p i p 传输技术与传统的t d m 分时传输技术有机的结合，提出了 一种e 1 0 v e r i p 技术的实现方案，即我们所设计的e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器，接下 来几章中将针对e l o v e r i p 电路仿真适配器的设计具体展开。 l o e l o v e r m 电路仿真适配器的研究与实现 1 4 本文工作和内容安排 本论文通过查阅国内外文献及相关技术标准和草案，对t d m o i p 技术进行深 入系统地分析，并设计了e 1 0 v e r i i ，电路仿真适配器。本文内容安排如下： 第一章对t d m o i p 的技术理论进行详细介绍。首先介绍了t d m o i p 技术的背 景和原理，然后对t d m o i p 技术的关键问题如信令、丢包和乱序及时钟同步等进 行了分析和阐述，并对t d m o i p 技术的应用做了简单介绍，最后对本论文工作和 内容进行了安排。 第二章提出了一种e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器系统设计方案，通过需求分析和 逻辑框图阐述了e l o v e r i p 电路仿真适配器的总体结构和功能。然后依次对各大模 块( e 1 收发器模块、s s r a m 模块、电源模块、m c u 模块、f p g a 模块和p h y 模块) 的硬件设计进行了分析。 第三章是e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器设计方案的具体实现。首先给出e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器实现的具体框图，然后按照划分的模块分别详细描述了每个模块 的主要功能和实现原理。最后，用v e r i l o gh d l 语言、仿真软件m o d e l s i m 实现各 个模块的编程和仿真。 第四章是通过搭建测试平台，对e 1 0 v e d p 电路仿真适配器进行了测试。测试 包括：首先是板级基本通信测试，d s 2 1 5 4 和f p g a 接口测试、d s 2 1 5 4 回环测试、 f p g a 内部回环测试，然后是e l o v e r i p 电路仿真适配器整体功能测试，由浅入深 地验证了e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的功能。 最后是对全文工作的总结和对未来还需进行的一些工作的展望。 第二章e l o v e r m 电路仿真适配器系统设计 l l 第二章e lo v e r i i ) 电路仿真适配器系统设计 2 1e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器系统设计需求 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器主要由以太网m a c 层协议处理单元、恒定比特流数 据处理单元、分组格式转换单元、以太网分组片外共享存储器及高性能嵌入式处 理器组成，完成恒定比特流数据e 1 帧和m 分组之间的格式转换，并实现恒定比 特流速率的提取及恢复。具体的功能需求如下所列： ( 1 ) lo o m b p s 协议处理单元应满足i e e e 8 0 2 3 的m a c 层协议要求： ( 2 ) 提供1 个1 0 0 m b p s 全双工以太网物理接口和2 个2 0 4 8 m h z 的e 1 接口； ( 3 ) 承载e 1 的负载长度可配置，i p 报文e l 数据负载的长短可以指配：6 4 5 1 2 字节； ( 4 ) e 1 接口支持e 1 整体透传，包括e 1 承载的所有信令； ( 5 ) 可灵活设置目的i p 、源m 等，根据i p 地址可以实现点对点和点对多点的 应用； ( 6 ) 可平滑多达3 2 m s 的网络延时抖动； ( 7 ) 支持白适应时钟( 分组网侧恢复的时钟) 同步方式； ( 8 ) 通过t d m 时钟恢复机制，可精确恢复原始时钟；时钟稳定，抖动、漂移 小，符合i t u t 时钟抖动和漂移标准； ( 9 ) 通过i p 网透明传输未成帧e 1 信号，符合g 7 0 3 相关标准。 2 2e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器系统逻辑框图 e l o v e r i p 电路仿真适配器主要包括六大模块：e 1 收发器模块、s s r a m 模块、 电源模块、m c u 模块、f p g a 模块和p h y 模块。其逻辑框图如图2 1 所示。f p g a 模块将来自e l 厂r 1 接口模块的t d m 码流分段封装入分组网数据包，经m i i 接口将 打包后的m a c 帧送入分组网p h y 接口单元，然后进入分组网络。 来自分组网携带e 1 厂r l 数据的分组网数据包，经分组网p h y 接口单元由m i i 口送入f p g a 模块。f p g a 模块将收到的数据包重组恢复为原来的e 1 厂r l 数据码流， 经t d m 接口模块输出。f p g a 模块需要对重组的数据进行复杂的定时处理，和丢 失乱序处理，以便恢复出e 1 厂r 1 码流的码速率，抖动和漂移指标符合t d m 信号的 要求。 设计的难点主要在于电路仿真中分组丢失和乱序的处理及时钟恢复技术的实 现。 1 2 e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器的研究与实现 图2 1e l o v e r i p 电路仿真适配器的逻辑框图 对于电路仿真，涉及的问题主要有e 1 数据的封装，i p 分组的解封装和i p 分 组的网络时延抖动等。这部分主要在f p g a 里完成。f p g a 一边通过m i i 接口与以 太网链路相连，用来接收和发送i p 分组，另一边与e 1 线路接口相连，负责接收 和发送e l 数据。而与e l 线路接口相连的功能由专用的e 1 收发芯片来实现。对于 时钟恢复工作，本文采用f p g a 硬件p l l 的方法来实现。以下详细介绍了f p g a 器件和e 1 收发芯片等的选型。 2 3e 1 0 v e r i p 电路仿真适配器硬件设计及选型 2 3 1f p g a 选型 不论在e l 接收端还是分组网接收端，所需缓存容量不是很大，同时为了缓存 管理的方便，设计采用f p g a 内部洲来实现。同时，考虑到与f p g a 相连接的 外部模块较多，要求器件具有足够的输入输出引脚。据需求分析可知，适配器要 实现适配功能需要f p g a 丰富的逻辑资源和布线资源。为此选择a l t e r a 公司的一 款高性能f p g a 器件一s t r a t i xi i 系列的e p 2 s 1 8 0 【1 1 j ，这款f p g a 的主要特性有： 存储器容量达到9 m b i t s 的内嵌r a m 块、运行频率高达3 7 0 m h z 的d s p 块、1 2 个 可编程锁相环( p l l ) 以及外部存储器的接口等。同时还增加了源同步通道的动态 相位校准( d p a ) 电路和对新的外部存储器接口的支持，如d d r 2s d 删和 r l d r j 气mi i 。该器件还可以采用1 2 8 位a e s 密匙对配置文件进行加密，保证用户 第二章e l o v e r l p 电路仿真适配器系统设计 1 3 设计的安全性。s 删i xi ie p 2 s 1 8 0 不但具有极高的性能和密度，而且还针对器件总 功率进行了优化，同时可以支持高达1 g b p s 的高速差i o ，因而是一款处理速度超 快的f p g a ，能实现最大的系统性能。在此次设计中，两片d s 2 1 5 4 芯片分布在f p g a 的左边，c p u 从另一侧与f p g a 进行连接。 2 3 2e l 芯片选择 为实现该部分功能，本设计采用心i md a l l a s 公司的一路e l 接口芯片 d s 2 l5 4 【1 2 】。该芯片具有如下特点： d s 2 1 5 4 是d a l l a s 公司的e 1 厂r l 收发芯片，符合最新的e l 线路标准，包括 i t ug 7 0 3 、g 7 0 4 、g 7 0 6 、g 8 2 3 、i 4 3 l 、e t s l 3 0 00 1 l 、3 0 02 3 3 、t b r l 2 和t b r l 3 等，该芯片能完成n r z 和h d b 3 码间的相互转换，码率可达2 0 4 8 m b s 。而且在 片内集成了接收n i 屹码的数据时钟和恢复电路，更有利于后级接收电路。片内 d a 能够实现g 7 0 3 标准的输出波形，适用于7 5 欧姆和1 2 0 欧姆特性阻抗的双绞 线，并且具有完善的数据流状态监测功能，可以实现指示数据流的传输状况。 其配置管理接口如下表2 1 所示： 表2 1 管理接口信号表 d s 2 1 5 4方向备注 a d 【7 ：0 】 i 地址数据复用总线 a l e i 地址锁存信号 w rim c u 写使能 r do m c u 读使能 c s o i e 1 的片选信号，由f p g a 提供 i n t o i e 1 的中断信号 b t s i 接口数据线工作模式的选择 d s 2 1 5 4 数据总线可以工作在i n t e l 或m o t o m l a 两种模式下，这里选择i n t e l 方 式，使用特性阻抗1 2 0 欧姆的r j 4 5 平衡双绞线进行数据传输。其中数据输入输出 的变压器选用的是p u l s e 公司的p e 6 5 3 5 l 一路e l 变压器，该芯片的工作电压为 5 v 且由外部电源提供。晶振是2 0 4 8 m h z 无源晶体振荡器。 2 3 3m c u 模块 m c u 模块主要用于系统初始化和网络监控。选择的是m p c 8 2 7 0p 弧忙r q u i c c i i 嵌入式处理器作为m c u 芯片。m p c 8 2 7 0p o w e 门u i c ci i 是目前最先进的为电信 和网络市场而设计的集成通信微处理器。与m p c 8 6 0 相似，m p c 8 2 7 0 也有两个主 要的组成部分：嵌入的p o w e r p c 内核和通信处理模块( c p m ) 。c p m 分担了嵌入 1 4 e 1 0 v e r p 电路仿真适配器的研究与实现 式p o w e r p c 核的外围工作任务，这种双处理器体系结构功耗要低于传统的体系结 构的处理器。 嵌入式处理器通过运行适配器管理软件能够实现对f p g a 和e 1 接口芯片的初 始化、配置和管理等功能。选用m p c 8 2 7 0 不仅因为该芯片的快速通信处理器模块 直接可以提供所需的配置、调试以太网接口，而且因为该芯片有较好的调试和应 用基础。 m c u 通过6 0 x 外部总线与f p g a 电路中的微机接口电路相连接，从而快速实 现数据交互，管理信息传送等功能。设计时在这个模块加上了r s 2 3 2 接口，以备 串口调试需要，增加设计的灵活性。 2 3 4 电源模块与晶振 一电源模块 在一个项目的设计中，对系统进行供电的电源电路的设计占据相当重要的地 位，若设计的电源电路提供的功率过低，则可能导致系统无法运行；若设计的电 源电路功率过高，又可能会导致系统部件被烧坏。所以对电源电路的设计必须谨 慎处理。 f p g a 内核需要的1 2 v 电源通过电源芯片从外部电源转换得到。经过对f p g a 内部逻辑和内嵌删等资源的功耗估算，设计中选用了凌特公司推出的电源芯 片一l t m 4 6 0 0d c d cu m o d u l e ，该芯片可实现电压从5 v 到1 2 v 的转换，可提供的 最大电流为l o a 。 二时钟电路 f p g a 外围器件用到的时钟有2 5 m h z 和6 6 m h z 两种。通过比较多种型号的晶 振芯片，在设计中，晶振芯片选用e p s o n 公司的s g 8 0 0 2 j f 系列芯片。该芯片由 3 3 v 电源供电，适用的温度范围为：4 0 到+ 8 5 ，仅有4 根管脚。s g 8 0 0 2 j f 系 列芯片具有抗震性好，环境承受能力强，输出频率稳定的特点。 由于每一个p h y 都需要一个2 5 m h z 的时钟，这样就需要多个2 5 m h z 的时钟。 若为每一个p h y 设置一个晶振，会造成布局布线繁琐，造成资源的大量浪费，而 一个晶振芯片又不可能同时驱动这么多