（电路与系统专业论文）基于fpga的sdh复用与解复用的设计.pdf

摘要 摘要 同步光网络( s o n e t ) 的概念出现于1 9 8 4 年，它的提出主要用于消除不兼容的 光接口，并逐步发展成为一种全新的传输网络技术体制。1 9 8 8 年，s o n e t 的概 念得到了国际电信联盟标准部和国际电报电话咨询委员会的认可，同时更名为同 步数字体系( s d h ) 。经过不断地完善和发展，s d h 终于为世界各国均认可的传输 网络统一标准。s d h 主要应用在光纤传输网络，同时在微波通信领域、卫星通信 领域也得到应用，成为通用技术体制。由于s d h 对设备的要求较高、协议和结构 比较复杂，s d h 专用集成电路的设计就成为必然。 本文研究了s d h 中同步复用、解复用的实现原理，以及在f p g a 验证设计 的正确性。设计包括s t m 1 复用到s t m 6 4 中的模块以及由s t m 6 4 分插出s t m 1 的模块。设计的方案可以生产成为新的设备模块，减少s d h 设备的成本。 文章首先介绍了s d h 的原理，分析了技术指标，给出了复用、解复用的路线， 然后在f p g a 开发板中验证了设计的正确性。验证输入信号时通过专用d s 3 芯片 和d s 3 复用成的s t m 1 信号作为检测信号，通过了复用、解复用模块，最终又 恢复了d s 3 信号。采用f p g a 进行设计，周期短，成本低，通过验证的设计，根 据实际需要可以做成专用的芯片。 设计时采用了分模块设计，如果不需要更高速率的s t m n 信号，可以只选 择所需的低速率信号，高速率信号则保留。将来随着系统的升级，到需要时可以 直接把高速率的信号引出来，以满足实际需要。 关键词：s d h ，s t m - n ，f p g a ，并行扰码 a b s t r a c t a b s t r a c t i n19 8 4 ，t h es y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r kw a sp r o p o s e dt oe l i m i n a t em u t u a l l y e x c l u s i v eo ft h el i g h ti n t e r f a c e ，a n di tw a sm a r k e da sak i n do fb r a n d n e wt r a n s m i s s i o n n e t w o r kt e c h n o l o g ys y s t e m i n1 9 8 8 ，t h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n s t a n d a r d so fi n t e r n a t i o n a lt e l e x - t d e p h o n ec o n s u l t a t i o nc o m m i t t e ea p p r o v e dt h e c o n c e p t ，a n ds c o n tw a sr e n a m e da ss y n c h r o n o u sd i g i t a ld y s t e m ( s d h ) ，a tt h es a m e t i m e b yc o n s t a n td e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n t ，s d hw a sr e c o g n i z e da st h eu n i f i e d s t a n d a r do ft h et r a n s m i s s i o nn e t w o r k i tw a sa p p l i c a t e dm a i n l yi n o p t i c a l f i b e r e o m m t m i c a t i o n ，m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o na n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s ，a n db e c a m e t h eg e n e r i ct e c h n o l o g ys y s t e m t h ed e m e n t so fs d ha r er a t h e rc o m p l e x ，s od o e st h e a g r e e m e n t sa n ds t m c t u r e b e c a u s eo fc a u s a t i o n sa b o v e ，a s i ci st h et r e n do f e v o l u t i o n ，c o r ec i r c u i t so fs d he l e m e n t sa r ei m p l e m e n t e db ya s i c t h ep a p e rp r o v i d e st h es o l u t i o n so fs d hs y n c h r o n o u sm u l t i p l e x i n g ，a n dt h e r e a l i z a t i o no fm u l t i p l e x i n gi nf p g a t h ed e s i g ni n c l u d st h es t m - 1s i g n a lm u l t i p l e x m o d u l e sa n dt h es c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p ys t m - 6 4b ys t m - 6 4i n t e r p o l a t i o n p o i n t so u ts t m 一1m o d u l e t h ed e s i g nc o u l db em a d ea san e wd e v i c em o d u l e ，a n d r e d u c et h ec o s to fs d h e q u i p m e n t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，a n a l y s e st h es d ht e c h n o l o g yi n d e x ，a n d a f f o r d st h ew a yo fm u l t i p l e x i n ga n dd e m u l t i p l e x i n g ，a f t e rt h a t ，i tv e r i f i e st h ev i a b i l i t y o fd e s i g ni nt h ef p g ad e v e l o p i n gb o a r d t h ed e t e c t i o ns i g n a li sv e r i f i e dt h r o u g ha s p e c i a ld s 3c h i pa n dd s 3m u l t i p l e x e ds t m 一1 ，v i at h em o d u l e se v e n t u a l l yg e t sd s 3 s i g n a l b e s i d e st h es h o r td e s i g nc y c l e ，l o wc o s t ，a c c o r d i n gt oa c t u a ln e e d s ，t h et e s t d e s i g nc o u l db ep u tt h ep a r t so ft h es p e c i a lc h i p t h e d e s i g nd i v i d si n t ot h es e v e r a lm o d u l e s i f n o tr e q u i r et h eh i g hr a t es i g n l s ，m e y c a no n l yc h o o s et h el o wr a t es i g n a l s ，t h e nt h eh i g hr a t eo fs i g n a li sr e t a i n e d w i t ht h e s y s t e mu p g r a d i n g ，t h eh i g hs p e e ds i g n a l sc a l ld i r e c t l yb eu e s d ，i no r d e rt om e e tt h e n e e d s k e y w o r d s ：s d h ，s t m - n ，f p g a ，p a r a l l e ls c r a m b l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 主d 瘟一披e t u a ：驯。年月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：列拄趄导师签名：蔓必 e t 期：山加年6 月了e t 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着三网融合的实行，大规模开放大容量、高码率的视听业务对带宽的需求 进一步提升，对于现有网络和业务平台的容量和架构都将形成很大的挑战，促进 传输网络进一步的研究。三网融合是指原来传送语音的电话网、传输音视频业务 的广播电视网和交换数据的计算机网的融合，逐步发展成为宽带通信网、数字广 播电视网、新一代互联网，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信 业务。广播电视网实现数字化、演进为下一代网络，是推进三网融合的基础和前 提。 由于光通信具有传输频带宽、通信容量很大、传输距离远、信号传输质量高、 保密性好等优点，同时光纤通信是通信领域里发展最快的技术之一，它已成为当 今信息社会不可或缺的组成部分。光同步数字传送网( s o n e t s d h ) 主要以光纤为 传输媒质，它将随着光纤通信的发展不断壮大，成为现代传输网络的主要组成部 分。 传统的传输网采用准同步数字系列p d h ( p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 传输体制的组建。但是，由于p d h 的复用的方式不能满足大容量传输的要求，而 且规范不统一，使网络互连增加了难度。因此在通信网向大容量、标准化发展时， p d h 传输体制的就成为现代通信网的瓶颈，制约了传输网向更高的速率发展。 与p d h 体制相比，s d h 体制具有很多的优点，它是不同于p d h 体制的全新 的传输体制，在技术体制上进行了根本的变革。现在，虽然出现了一些新的传输 体制，但是还没有可完全替代s d h 的新技术，有的只是现有s d h 技术的发展和 补充，这充分显示了s d h 强大的优势，s d h 体制在传输网络中仍将占有主要地 位。 目前世界各国大多以s d h 作为通信的骨干网络，我国的干线网络也基本采用 s d h 网络。由于s d h 对设备的要求较高、协议和结构比较复杂，因此s d h 专用 集成电路的设计就成为必然。 电子科技大学硕士学位论文 1 2s d h 的概况及现状 自1 9 8 8 年国际电信联盟标准部和国际电报电话咨询委员会认可同步数字体 制s d h 以来，经过十多年的发展，s d h 已经成为综合业务传输网络之一。目前 s d h 已经取代p d h 成为国内外通信网的主要传输体制。 s d h 高速率的2 s g b i t s 、1 0 g b i t s 设备已经商用，此外，采用密集波分复用 ( d w d m ) 技术的4 0 g b i v s 的设备也已经研制成功，并且部分已经商用。一般情况， 这些设备具有强大的数据业务的接入和传送功能，具有升级到下一代的能力，通 常在传输骨干网、发达地区的本地网以及部分本地传输网的核心调度节点可以见 到这些设备的身影。 由于d w d m 技术的出现和发展，s d h 的应用开始向网络边缘转移。而在网 络边缘，由于存在复杂的用户层信号，这就要求s d h 从单一的传输网变为传输网 和业务网一体化的多业务传送平台。多业务传送平台是对传统s d h 设备的改进， 在s d h 帧结构中提供多种不同的业务、协议的接入、汇聚和传输能力，以适应多 业务应用，支持数据智能处理的需求。 从s d h 帧结构中分离出各种支路信号或者各个支路信号复用进s d h 帧结构 中进行传输，最有效的方法就是使用专用芯片实现。由于通信网中的网络设备很 复杂，通常需要很多不同的芯片，发展单片集成就变得尤为重要。但是集成规模 过大，会造成实现困难，这就必须考虑设计的大小，既满足功耗和面积的限制， 又能实现所需的功能。目前，有很多机构正在研究s d h 专用芯片的设计。 传输s d h 信号不仅要求应用较为灵活，而且设备之间具有较高的通用性和兼 容性。目前，对于s d h 信号网络适配方面的设计，国内的相关方案大多是使用多 片专用芯片分别实现各个环节的功能。一方面，系统的集成度不高，还要考虑各 部分电路协调工作的问题，诸如通信、中断响应等；另一方面，一些核心功能的 实现，仍然是分别使用国外的成品芯片。因此，基于f p g a 的设计是更好的选择。 将各个模块集成在一起进行设计，在一片芯片上实现大部分的功能，不仅可以避 免很多电路设计上的麻烦，提高整体系统的稳定性和可靠性，而且可以通过完整 的设计，有效地提高系统的工作效率，同时今后如果有需要，可以很方便的进行 功能上的修改或者扩展。 在流片之前需要对设计进行全面的验证，f p g a 芯片可重复使用的特点，恰 好可以满足反复验证的设计，避免了资源和资金的浪费。 下一代s d h 技术的基本原理就是规定高速率s d h 中的若干s t m 1 信号用 2 第一章绪论 于分组信号的统计复接，其余的s t m 1 信号则用于传统的电路交换信号，这样 s d h 设备就能同时支持电路交换信号和分组信号。基于新技术的系统能将多种网 络单元综合进入到一个操作平台，极大地简化了s d h 传送网，并增加了s d h 网 络的功能，可以动态地增加s d h 传送的有效性和功能，不仅能支持传统的话音业 务，同时也能支持数据和视频业务，而且在系统的安装、维护和成本上均有巨大的 优势。 s d h 技术在核心网中已是一种成熟技术。随着宽带业务需求的增加和网络的 演变发展，s d h 已开始大量进入接入网，其主要的应用方案是以s d h 环形成接 入网的主干层，也可通过s d h 环或点到点等方式直接连接大集团用户，集团用户 通常采用l a n 组建用户驻地网( c p ；其次是以s t m 0 速率连接带宽要求不太 高的用户，目前r r u t 已经开发了相关的新建议。s d h 接入技术的发展趋势也是 要支持口接入，如除携带语音业务量外，利用部分s d h 净荷来传送业务。 1 3f p g a 的优势以及开发工具的简介 1 3 1f p g a 的优点 f p g a 具有非常低的可重复利用设计成本，研发周期短，而且可以在不改变 设备硬件的情况下在线升级。只需用硬件描述语言编写系统功能，并由e d a 工 具转化为下载文件，下载到f p g a 中即可实现该系统功能。如果要再次实现其他 电路功能，只需修改源程序重新产生下载文件即可，f p g a 可以反复利用。电路 的调试、修改也非常方便，只需修改源程序重新下载即可。 f p g a 在系统设计中具有很多优点，主要有： 可以缩小体积、减轻重量、降低功耗、且具有高集成度和高可靠性。 易于获得高性能，能将系统设计、电路设计和工艺设计三者紧密结合起来， 这种一体化的设计有利于获得前所未有的高性能系统。 软件模拟仿真下载到f p g a 并制成专用i c 后，设计者可以直观地测试到 其逻辑功能及性能指标。 1 3 2f p g a 开发流程 在进行设计之前，首先要进行方案论证、设计可行性分析和f p g a 芯片选择 等准备工作。根据设计需要，权衡速度和芯片资源以及成本，合理的选择设计方 电子科技大学硕士学位论文 案和适合的芯片。 f p g a 设计一般都采用自顶向下的设计方法，把系统分成若干个基本模块， 然后再把每个基本模块继续划分，直到已经达到最小粒度，便于后续设计的更改。 开发流程主要包括硬件设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、翻 译实现、布局布线后仿真和芯片编程与调试。 目前，主流的f p g a 芯片生产商都提供了在线逻辑分析仪来进行板级验证。 在线逻辑分析仪只占用芯片少量的逻辑资源，使用集成开发软件中自带的d 核， 就可以在显示终端输出结果，具有很高的实用价值。 1 3 3 开发工具的简介 设计中采用不同厂商的f p g a 芯片，就需要于此芯片对应的开发工具。目前 f p g a 主流- 心h - 片厂商有x i l i n x 和a l t e a ，他们各自的集成开发工具为q u a r t u s 、i s e 。 设计中使用的是x i l i n x 的f p g a 芯片，故简单介绍i s e 集成开发环境。 i s e 是x i l i n x 公司提供的集成化f p g a 开发软件，它的主要功能包括设计输 入、综合、仿真、翻译实现和下载。 表1 - 1i s e 设计工具表 设计输入 综合 仿真实现下载 h d l 文本编辑器 x s th d l t r a n s l a t ei m p a c t e c s 原理图编辑器 f p g ae x p r e s sb e n c h e r m a p s t a t ec a d 状态机编辑器 s y n p l i f y p l a c ea n dp r o m c o r eg e n e r a t o r m o d e l s i mr o u t ef i l e c o n s t r a i n te d i t o r 约束编i o n a e d o x p o w e r f o r m a t t e r 辑器 s p e t r u m i s e 软件提供用于h d l 代码输入和报告查看的i s e 文本编辑器，用于原理图 编辑的工具e c s ( e n g i n e e r i n gc a p t u r es y s t e m ) ，用于i pc o r e 的c o r e g e n e r a t o r ， 用于状态机设计的s t a t e c a d ，以及用于约束文件编辑的c o n s t r a i n te d i t o r 等。综 合工具不但包括了x i l i n x 自身提供的综合工具x s t ，同时还可以集成 m e n t o r g r a p h i c s 公司的l e o n a r d o s p e c t r u m 和s y n p l i e i t y 公司的s y n p l i f y 。i s e 本身 自带了图形化波形编辑功能的仿真工具h d lb e n c h e r ，同时又提供了使用 m o d e l t e c h n o l o g y 公司的m o d e l s i m 进行仿真的接口。实现功能包括了翻译 ( t r a n s l a t e ) 、映射( m a p ) 、布局布线( p l a c ea n dr o u t e ) 等。下载功能包括了b i t g e n ， 4 第一章绪论 用于将布局布线后的设计文件转换为比特流( b i t s t r e a m ) 文件。还包括了i m p a c t 功能，用于进行设备配置和通信，控制将程序烧写到f p g a 芯片中去。同时也可 以通过j t a g 端口，使用专用的下载线，把比特流文件下载f p g a 芯片中。 本文设计功能仿真工具采用了仿真工具h d lb e n c h e r ，综合工具使用了x s t ， 而在板调试就使用了通过j t a g 端口，使用专用的下载线，把比特流文件下载 f p g a 芯片中进行测试。等调测完毕，就可以使用i m p a c t 把控制将程序烧写到 f p g a 芯片中，下次加电可以自动加载f p g a 配置文件，避免每次使用都需要在 完成依次综合、编译实现和下载。 1 4 本文研究内容及章节安排 本文是某公司的“t s 流分插复用进s d h ”项目的一部分，该项目完成后主要 应用数字机项盒当中，主要包括两部分，第一部分是t s 流转换成d s 3 流，第二 部分是d s 3 流转换成s t m - n 中。本文的设计就是第二部分的一部分，主要完成 s t m n 各级信号的复用、解复用。经过验证正确的设计最终将开发为专用芯片， 应用数字机顶盒当中。 本论文主要设计低阶s d h 信号s t m 1 复用成高阶s d h 信号s t m 一6 4 以及高 阶s d h 信号s t m 6 4 解复用成低阶s d h 信号s t m 1 ，并用f p g a 开发板实现这 两个过程。 本文第一章绪论部分介绍了研究背景和意义，s d h 的概况及现状，简单介绍 了f p g a 开发流程以及开发工具。 第二章介绍了s d h 的原理，主要包括s t mn 帧结构以及s d h 复用与解复 用的路线。 第三章详细介绍了用f p g a 实现s t m 一6 4 解复用成s t m 1 的设计，给出了设 计框图，描述了算法，还给出了各个模块的实现方式，得到了功能仿真和板级验 证结果，验证了设计的正确性和可行性。 第四章则介绍了用f p g a 实现s t m 1 复用成s t m 6 4 的设计，给出了设计框 图，描述了算法，还给出了各个模块的实现方式，得到了功能仿真和板级验证结 果，验证了设计的正确性和可行性。 第五章是结论，总结了已经完成的工作，提出了未来需要扩展的部分和扩展 的方法。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1s d h 技术的优点 第二章s d h 原理 传输网络是现代通信网的主要组成部分，而光纤通信以其低廉的价格，优良 的带宽，成为通信网的主要传输手段。由于s d h 组建的网络 1 2 】是一个高度统一 的、标准化的、智能化的网络，采用全球统一的接口，实现了设备多厂家环境的 兼容，在这个网络范围内实现了高效的协调一致的管理和操作，实现了灵活的组 网与业务调度，实现了网络自愈功能，提高网络资源利用率，并且由于维护功能 的加强大大降低了设备的运行维护费用。 s d h 十分适合未来智能化的电信管理网络，可通过软件对网络中的每一个网 元进行本地或远程操作，包括性能监测，服务( 或带宽) 的管理，业务量调度，路 由选择及改变，故障、告警、网络恢复或自愈【3 】等。这种网管不仅简单而且几乎 是实时的，因此不仅降低了网络维护管理的费用，而且大大提高了网络的效率、 灵活性、可靠性与生存力。 2 1 1 接口方面 s d h 体制采用统一的网络节点接口作规范，其内容主要包括数字信号速率等 级、帧结构、复接方式、线路接口、监控管理等。s d h 的线路码型为n r z ，只对 信号进行扰码，不再插入冗余码。光口采用世界性统一标准规范，有利于不同生 产厂商的设备实现互联。 2 1 2 复用方式 n u t 规定了s d h 体制的速率等级，基本的传输速率等级是同步传输模块 一s t m 1 ，相应的串行速率是1 5 5 5 2 m b i t s 4 1 。高等级的数字信号系列有：6 2 2 m b i t s ( s t m - 4 ) 、2 5 g b i t s ( s t m 1 6 ) 、1 0 g b i t s ( s t m 一6 4 ) 、4 0 g b i t s ( s t m 2 5 6 ) ，更高 传输速率等级的还在进一步的研究中。s t m - n ( n i ) 信号是通过将低速率等级的 信息块通过字节间插同步复用而成，每次复用的数量是4 的倍数。 以字节间插方式复用进高速s d h 信号的帧结构中的低速s d h 信号，在高速 6 第二章s d h 原理 s d h 信号的帧结构中的位置是固定的、有规律的，是可预见的。这样就能从高速 s d h 信号中直接分离，插入出低速s d h 信号，简化了信号的复接和分接，使得s d h 体制特g 适合于高速大容量的光纤通信系统。 2 13 兼容性 s d h 有很强的兼容性，可以用s d h 网传送p d h 业务，另外，异步转移模式 的信号( a t m ) 、f d d i 信号等其他体制的信号也可用s d h 网来传输。s d h 网是 由一些s d h 网元组成的，在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连 接的网络。它的基本网元有终端复用器( 卟d 、再生中继器( r e g ) 、分插复用器( a d i v 0 和同步数字交叉连接设备( s d x c ) 等。 s d h 网中用s d h 信号的基本传输模块可以容纳p d h 的三个数字信号系列和 其它的各种体制的数字信号系列删、f d d i 、d q d b 等，从而体现了s d h 的前向兼容性和后向兼容性，确保了p d h 向s d h 及s d h 向a t m 的顺利过渡。 2 14 运行维护方面 s d h 信号的帧结构中安排了丰富的开销字节这些具有运行维护功能的开销 字节的使用，使的网络的监控力度大大加强，维护的自动化程度也也有很大的提 高。s d h 信号丰富的开销字节占用整个帧所有字节的1 2 0 ，增强了o a m 功能【”， 使系统的维护费用降低。因此，s d h 系统的综合成本比p d h 系统的综合成本低， 据估算仅为p d h 系统的6 58 。 2 2s t m n 的帧结构 r r u _ t g 7 0 7 规定了s t m - n 的帧结构的标准形式，是以字节为单位的矩形块 状帧结构。s t m - n 的帧结构如图2 - 1 所示。 一 墨口圈卜 卜叫_ 日啊 一 图2 - 1s t m - n 帧结构图 电子科技大学硕士学位论文 由图可以知道，帧结构中共有9 行，2 7 0 x n 列，共2 4 3 x n 个字节，其共有3 部分组成：段开销( s o h ) ，包括再生段开销( r s o h ) 和复用段开销( m s o h ) ； 管理单元指针( a u p t r ) ；信息净负荷( p a y l o a d ) 。 此外，i t u tg 7 0 7 也规定了s d h 信号帧的传输格式及帧频。信号帧的传输 原则是：帧结构中的数据从左到右，从上到下一个字节一个字节并行或者一个比 特一个比特串行的传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。r r u t 规 定对于任何级别的s t m 。n 帧，帧频是8 0 0 0 帧秒，帧周期恒为1 2 5 i t s ，以6 4 k b i t s 的帧同步信道为基础，这也是s d h 的一大特点。 2 2 1 段开销的内容 段开销是为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须附加的，便于网络运行、 管理和维护使用的字节，当传输质量劣化或传输线路发生故障时能及时地检测、 控制和保护，同时可以借助于网络操作使用的数据通信通道进行高效而全面的网 络运行管理。 再生段开销用于帧定位、再生段的监控和维护管理。在再生段始端产生并装 入，在再生段的末端终结，即从帧中取出并处理。表2 1 给出了r s o h 的字节。 复用段开销用于传送复用段的监控和维护管理。在复用段始端产生，并在复用 段的末端终结，即m s o h 透明通过中继器。表2 2 给出了m s o h 的字节。 表2 1s t m 1 的再生段开销r s o h 的内容 再生 a 1a ia 1 a 2 a 2a 2j o x 段开 b 1e 1 f 1 销d 1d 2d 3 表2 2s t m 1 的复用段开销m s o h 的内容 复用b 2b 2b 2k 1k 2 段开d 4 d 5d 6 销 d 7 d sd 9 d 1 0d l ld 1 2 s l m 1e 2 其中a 1 和a 2 是帧定位字节，通过检测帧同步字节，接收端可以从信息流 中定位、分离出s t m n 帧信号，再通过指针找到该帧中的某一个低速信号。a l 、 a 2 的值是固定的，a 1 为1 1 1 1 0 1 1 0 ( 8 0 f 6 h ) ，a 2 为0 0 1 0 1 0 0 0 ( 8 2 8 h ) 6 】。接收端 第二章s d h 原理 检测信号流中的各个字节，当发现连续出现3 x n 个8 0 f 6 h ，又紧跟着出现3 x n 个8 2 8 h 字节时，就表示开始收到一个s t m n 帧，接收端通过检测每个s t m - n 帧的起点，来区分不同的s t m - n 帧，以达到分离不同帧的目的。 j o 是再生段踪迹字节，根据j o 的值，接收端可以确认与指定的发送端是否 处于持续连接状态。该字节被用来重复地发送端接入点标识符，在同一个运营者 的网络内该字节可为任意字符，而在不同两个运营者的网络边界处要使设备收、 发两端的j 0 字节要匹配。通过j o 字节可使运营者提前发现和解决故障，缩短网 络恢复时间。此外j o 字节还有一个用法。在高阶s t m - n 帧中，装载的每一个 s t m 1 帧的j o 字节定义为该帧的标识符c 1 ，用来标示每个s t m 1 在s t m - n 中 的位置指出该s t m 1 是高阶s t m - n 中的第几个s t m 1 ( 复用层数) 和该c 1 在该s t m 1 帧中的第几列( 复列数) ，可帮助a 1 、a 2 字节进行帧识别。 b 1 是再生段b i p 8 校验字节，主要用于再生段误码监测。3 个b 2 字节一起 存放复用段b i p 2 4 校验字节，用于检测复用段的误码情况。 e 1 和e 2 是公务联络字节，各自提供一个6 4 k b s 的公务联络语音通道。e 1 属于r s o h ，用于再生段的公务联络；e 2 属于m s o h ，用于终端间直达公务联络。 f l 是使用者通路字节，提供速率为6 4 k b i v s 数据语音通路，保留给网络提供 者用于特定维护目的的临时公务联络。 d 1 - d 1 2 是数据通信通路( d c c ) 字节，存储在网元间传输的操作、管理、维 护( o a m ) 数据。其中，d i d 3 是再生段的数据通路字节( d c c r ) ，速率为3 x 6 4 k b i t s = 1 9 2 k b i t s ，用于再生段终端间传送o a m 信息；d 4 d 1 2 是复用段数据通路字节 ( d c c m ) ，共9 x 6 4 k b i t s = 5 7 6 k b i t s ，用于在复用段终端之间传送o a m 信息。 k 1 和k 2 的低5 个比特存放的是自动保护倒换( a p s ) 通路字节，该字节用于 保证设备在出现故障时能自动切换，恢复网络业务；还用于复用段保护倒换自愈 情况。k 2 高3 个比特是复用段远端失效指示( m s r d i ) 字节，表示收信端检测到 数据故障或收到了复用段告警指示信息。其他的比特位没有定义。 s 1 的高4 个比特是同步状态字节，表示i r r u t 规定的不同时钟质量级别，这 四个比特位表示的值越小，代表时钟精度越高。而低4 个比特没有定义，等到需 要时可以在定义。 m 1 是复用段远端误码块指示( m s r e i ) 字节，由接收端回发给发送端。m 1 字节用来存放接收端由b i p 2 4 ( b 2 ) 所检出的误码块的个数，便于发送端了解 接收端的收信误码情况是否满足要求。 此外的字节，其中是与传输媒质有关的字节；是留给各国根据自己的状 9 电子科技大学硕士学位论文 况来定义；空白字节是暂时没有定义的，留作将来使用。 2 2 2 管理单元指针的内容 管理单元指针a u - p t r 是用来指定信息净负荷的第一个字节在s t m - n 帧内 的准确位置的，便于接收端根据这个位置指示符的值( 指针值) 正确分离出信息净 负荷。 s t m 1 的a u p t r 由九个字节组成，为h 1 y y h 2 f f h 3 h 3 h 3 ，其中y = 1 0 0 1 s s l l ，s 比特没有规定具体的值，f = 1 1 1 1 1 1 1 1 。指针的值放在h 1 、h 2 两个 字节的后1 0 个b i t 中，3 个字节为一个调整单位。当装载入s t m 1 的信息速率高 于s t m - 1 帧速率时，h 3 存放的是需要调整的信息的前三个字节；而当装载入 s t m 1 的信息速率低于s t m 1 帧速率时，h 3 存放的是三个伪随机字节。高阶的 s t m n 的a u p t r 是n 个s t m 1 的a u p t r 复用形成的【l 】。 2 3s d h 的复用方式 s d h 的复用包括两种情况：一种是低阶s d h 信号复用成高阶s d h 信号；另 一种是低速支路信号( 例如2 m b i t d s 、3 4 m b i t s 、1 4 0 m b i t s ) 复用成s d h 信号s t m - n 。 为了实现同步复用，在形成s t m 1 速率信号时，需要进行适配，即映射；此外， 通过指针可以完成从s t m - n 帧中任意上、下一个支路信号。由此可见，各种速 率的业务信号复用进s t m n 帧的过程都要经历映射( m a p p i n g ) 、定位( a l i g n i n g ) 和 复用( m u l t i p l e x i n g ) 3 个步骤。 2 3 1 低阶s d h 信号复用成高阶s d h 信号 此种复用方式主要通过字节间插复用方式来完成的，复用原则是4 个复用成 1 个，即4 x s t m 1 一s 4 ，4 s 吼_ 4 一s 刑1 6 。而且复用过程中保持帧频不变， 由此可下一级的s t m n 信号速率是上一级的s t m n 信号速率的4 倍。在进行字 节间插复用过程中，各帧的信息净负荷和指针字节按原码进行间插，而段开销字 节则会有些取舍，同时高阶s t m - n 段开销中还会增加前向检错纠错码f e c 3 1 。图 2 2 给出了复用路线。 1 0 第二章s d h 原理 图2 - 2 低阶s d h 信号复用成高阶s d h 信号路线图 s t m 1 复用成s t m - n 信号的方式有两种：第一种，采用字节间插，n 个s t m 1 信号直接复用成s t m - n 信号；第二种，先将m 个s t m 1 复用成s t m m 信号， 再将n m ( n m ) 个信号按m 个字节单位的码块间插复用成s t m - n 信号。图2 3 给出的是两种方式的实现的过程。 ( 第= 种复甩方式) 图2 - 3s t m - l 信号复用方式 2 3 2 低速支路信号复用成s d h 信号s t m 1 将低速支路信号复用成高速信号通常需要先进行适配处理，即实现系统同步。 这种复用方式是通过指针调整定位技术把各种业务信号复用进s t m - n 帧，经历 电子科技大学硕士学位论文 映射、定位、复用三个步骤嘲。m m tg 7 0 7 规定了一整套完整的复用路线，如 图2 3 所示。 图2 4 低速支路信号复用成s d h 信号s t m 1 路线图 从图2 2 、图2 - 4 中可以看到复用结构包括了一些基本的复用单元：c 容器、 v c 虚容器、t l - j - 支路单元、t u g 支路单元组、a u 管理单元、a u g 管理单元组， 这些复用单元的下标表示与此复用单元相应的信号级别。 首先将各种低速率业务信号的信息结构装载进相应的容器c 中，完成速率调 整。容器c 是一个净负荷容量的定义单元，也是同步信号的一种传递机构，用以 装载异步支路信息单元。该单元中可以通过增加冗余、调整码速和加入调整控制 信息的方式，将异步信号转换成同步信号。各种速率等级的数据流首先进入相应 的接口容器c ，再加入通道开销p o h 就构成了虚容器( v c ) ，这个过程就是映射。 v c 可以分为低阶虚容器和高阶虚容器，v c 1 1 、v c 1 2 和v c 2 是低阶虚容器， v c 3 、v c 4 是高阶虚容器。除了在v c 的组合点和分解点外，v c 可以作为一个 独立载体在s d h 网中传输时保持完整不变，可以从通道中的任何一点取出或插 入，进行同步复用和交叉互连处理。 接着，v c 按照规定的线路进入相应支路单元t u 或管理单元a u 。v c n 到 t u 1 1 或a u n 的转换是码速调整的过程，即复用结构中的定位校准过程。支路单 元t u 作为一种为低阶通道层和高阶通道层提供适配的信息结构，由v c 和 t u p t r 组成。t u p t r 用于指示低阶v c 在s t m n 帧中的加载位置，为支路信 号载入高阶虚容器做准备。一个或多个在高阶v c 净负荷中占有固定位置的t u 组成支路单元组( t u g ) 。管理单元a u 是一种为高阶通道层与复用层提供适配功 能的信息结构，其由高阶虚容器和a u - p t r 组成。其中，a u - p t r 能够准确得指 1 2 第二章s d h 原理 示高阶v c 在s t m - n 帧内的位置，在s t m n 中高阶v c 的位置可以有所浮动， 但a u p t r 本身在s t m - n 帧中的位置固定。支路单元t u 和管理单元a u 均由虚 容器加入相应的指针而形成，包含了实现虚容器跨接与交换的完备信息，便与在 指针的指示下完成跨接与交换。在s t m n 帧内占据固定位置的三个a u 3 或单个 a u 4 按字节间插方式构成了管理单元组a u g 。最终n 个a u g 附加段开销就形 成s t m n 帧。 尽管一种信号复用成s d h 的s t m - n 信号的复用方式有多种，但是对于一个 国家或地区只能采用唯一的复用路线。我国的光同步传输网技术体制规定了以 2 m b i t s 信号为基础的p d h 系列作为s d h 的有效负荷，并选用a u 4 的复用路线， 其结构见图2 5 所示。 2 4s d h 网络的组成 图2 5 我国的s d h 基本复用映射结构 s d h 的网元包括为三大类，有交换设备、传送设备和接入设备【4 】。交换设备 主要是交换机，该交换机配有s d h 标准光接口和电接口，a t m 设备也是交换设 备；传送设备包括终端复用器、分插复用器和数字交叉连接设备及再生中继器； 接入设备包括数字环路载波、光纤环路系统、宽带综合业务数字网、光纤分布式 数据接口、分布式排队双总线业务接入单元等。根据实际情况，采用合适的拓扑 结构，借助上述设备，就可以构成s d h 网络。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于f p g a 的解复用的设计 在i s e 集成开发环境中完成解复用的设计，通过功能仿真、综合、翻译实现、 后时序仿真、板级调试等验证设计与实现是否满足要求。采用可综合的硬件描述 语言v e r i l o gh d l ，实现了对s t m 6 4 解复用成s t m 1 的设计。 3 1 设计框图 设计中可以分为四个功能框图，有时钟生成模块g l be l kr s t 、帧同步码组检 测模块c h e c k f r a m e h e a d 、解复用实现模块d e m u l t i p l i n g 和帧失步处理模块 l o s s y n _ p r o c e s s 。图3 1 给出了设计方框图，给出的是设计中包含的功能，而在实 际设计中有的模块还需要再分解。 t o d d ki n e l k1 5 5 m s l n1 、 g l b c l k _ r s t r e s e l 。 g l b _ r s t d e m u l t i p l i n g 6 4 路信号 s t m1 。 i h e a do u t c l k 4 - 15 5 m r e s e t 1e l k1 5 5 m r e s 吼 1 r 、 o o fd o u r 。 is t m _ 6 4 1 6 3 ：0 b 。 c h e e k f r a m e h c a d e s co o f 。 j t m _ 6 4 1 6 3 ：0 1 0 s _ _ s y n _ p r o e e s s l o fd o u t 。 e s cl o f 。 图3 - 1s t m 6 4 解复用成s t m 1 的框图 其中c l k 一1 5 5 m 是同一个信号，r e s e t 也是同一个信号，只是在不同的功能模 块有可能都有用到这两个信号。图中的各个输入、输出以及中间信号的意义，在 表3 1 中给出了详细的描述