來源：微計算機信息? ? 作者：李鵬程,顏永紅,帥金曉

在通信領(lǐng)域，采用數(shù)字化，能夠大大提高傳輸?shù)娜萘俊?a href="http://www.brongaenegriffin.com/analog/" target="_blank">模擬的話音信號經(jīng)過脈沖編碼調(diào)制，即PCM 處理（包括抽樣、量化以及編碼三個步驟）后，被變換為一個64Kbit/s 速率的數(shù)字信號。在北美，數(shù)字 復接設(shè)備將24 路話音信號即24 路64Kbit/s 速率的數(shù)字信號按字節(jié)交錯復接成1.544Mbit/s 的高速率信號； 而在歐洲，將30 個獨立64Kbit/s 信道與兩個用于信息控制信道一起同步復接為一個32 個數(shù)字信道幀結(jié) 構(gòu)，其幀重復頻率是8000 幀/秒，復接后比特率是2.048Mbit/s。這就是所謂的E1 信號，它是數(shù)字通信的 基礎(chǔ)，由E1 復接而成的各高次群形成的數(shù)字系列，稱為準同步數(shù)字系列（PDH）。雖然同步數(shù)字系列 （SDH）正逐步取代PDH，但PDH 設(shè)備以低廉，靈活的特點仍然發(fā)揮著它的作用。

1.幀結(jié)構(gòu)

符合G.704 標準的E1 幀結(jié)構(gòu)如圖1 所示，每基本幀由32 個路時隙（ts0“ts31）組成，分別分配給30 個話音數(shù)據(jù)流和相應(yīng)輔助信息。每個路時隙由8bit 碼組成，基本幀幀頻為8K，而每16 基本幀（F0”F15） 構(gòu)成一個復幀，故每個復幀共由4096 比特組成。

復幀結(jié)構(gòu)中的ts1“ts15，ts17”ts31 分別用來傳30 個64kbit/s 數(shù)字信息的數(shù)據(jù)時隙，而ts0 和ts16 用 來傳各種輔助信號，下面分別介紹。

在一個復幀中，基本幀可以分為兩類：奇幀和偶幀。奇幀和偶幀的區(qū)分是通過ts0 的第2bit 來區(qū)分的， 奇幀的bit2 為‘1’。偶幀ts0 時隙的bit2“bit8 是用來傳基本幀對準信號FAS 的。G.704 協(xié)議規(guī)定幀對準信 號FAS 為“0011011”。整個復幀又可以看成由兩個CRC-4 校驗快構(gòu)成，前8 個基本幀為第一校驗塊，根 據(jù)協(xié)議要求的方式對其進行CRC-4 校驗，校驗結(jié)果共4bit 放在偶幀（F0，F(xiàn)2，F(xiàn)4，F(xiàn)6）ts0 的bit1，同 理對后一校驗塊校驗的結(jié)果放在偶幀（F8，F(xiàn)10，F(xiàn)12，F(xiàn)14）ts0 的bit1。同時奇幀的第3bitA1 為對告bit， A1 為‘1’時表示有告警，當收到lof 或者los 時，則將A1 置為‘1’。奇幀ts0 的第1bit 傳復幀定位信號MFAS， 協(xié)議規(guī)定MFAS 為“001011”?？梢钥吹綇蛶ㄎ恍盘枮?bit，而一個CRC 復幀中有8 個奇幀，所以協(xié)議 規(guī)定奇幀（F13，F(xiàn)15）ts0 的第1bit 用來傳誤塊指示比特E0 和E1，當其為‘0’時表示有誤塊。還有奇幀的 第4 至第8bit 為備用bit，不用時應(yīng)置為‘1’。

基本幀的ts16 用來傳信令信號，既可以傳共路信令，也可以傳隨路信令，同樣當其傳隨路信令時每 16 基本幀的ts16 可構(gòu)成16 字節(jié)的信令復幀。復幀的第一幀ts16 的前四個碼位分配給復幀定位使用，其 定位碼組是“0000”，第6bit 為復幀對告比特，無報警時固定為‘1’。復幀中第2”16 幀的ts16 作為30 個話 路的信令時隙，每路信令占4 個碼位（a，b，c，d），在這里以4 比特為單位實現(xiàn)30 路信令的同步交錯 復用，同時（a，b，c，d）不能為“0000”。但由于目前國內(nèi)使用的是公共信令，所以一般使用的幀應(yīng)該 是PCM31 即31 路話路，ts16 傳也為數(shù)據(jù)，本設(shè)計也是針對這種幀結(jié)構(gòu)。

2.系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)包括e1_framer，e1_deframer，e1pi 三個模塊，e1_framer 模塊對待發(fā)送的數(shù)據(jù)組成符合G.704 協(xié)議規(guī)定的E1 幀結(jié)構(gòu)；e1_deframer 模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行解幀，即對幀組成部分的進行分離并加以 解釋；e1pi 模塊負責將數(shù)據(jù)發(fā)送到線路側(cè)同時從線路上接收數(shù)據(jù)，這其中包括對數(shù)據(jù)進行檢測、從數(shù)據(jù) 中恢復出時鐘（收方向）、進行碼型的轉(zhuǎn)換（hdb3 編解碼）、對編碼違例進行檢查。

2.1 e1_pi 模塊設(shè)計

E1_pi 模塊從功能上來說需要處理收發(fā)兩個方向的數(shù)據(jù)。e1_pi 模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示，在收方向上： E1_cru 模塊從輸入信號中提取時鐘完成定時功能；hdb3_decode 和cv_check 模塊分別完成hdb3 的解碼和 做編碼違例檢查；los_det 和ais_det 模塊對輸入信號進行檢測，如果在兩幀時間內(nèi)（512bit）收到的‘0’的 個數(shù)少于或等于2，則給出全1（ais）告警，反之若收到的‘1’的個數(shù)少于或等于2 則給出信號丟失（los） 告警。在發(fā)方向則只需就待發(fā)信息做hdb3 編碼然后發(fā)送到線路上。

E1_cru 模塊是時鐘恢復模塊，設(shè)計思想是先用一個高速的時鐘（本設(shè)計中為65MHz）去采樣頻率為 2.048 MHz 的E1 信號，得到數(shù)據(jù)的變化沿；再根據(jù)變化沿的位置，由高速時鐘分頻產(chǎn)生2.048 MHz 時鐘。

HDB3碼是一種AMI碼的改進型，不僅克服了當AMI碼中出現(xiàn)連“0” 碼定時提取困難的缺點，而且具 有頻譜能量主要集中在基波頻率以下，占用頻帶較窄的優(yōu)點。其編碼原則可以簡述為：（1） 當連“0” 碼 的個數(shù)不大于3時， “1” 碼變?yōu)椤埃?”、“－1” 交替脈沖；（2） 當代碼序列中出現(xiàn)4個連“0” 碼或超過4 個連“0”碼時，把連“0” 段按4個“0” 分節(jié)，即“0000”，并使第4個“0” 碼變?yōu)椤?” 碼，用V 脈沖（破壞脈沖） 表示，且V脈沖極性與其前一個“1” 脈沖極性相同；（3） 必須使相鄰的破壞點之間有奇數(shù)個“1” 碼。 如果原序列中破壞點之間的“1” 碼為偶數(shù)，則必須補為奇數(shù)，即將破壞節(jié)中的第一個“0” 碼變?yōu)椤?”，用 B脈沖表示。B脈沖極性與其前一個“1” 脈沖極性相反。

假設(shè) hdb3 數(shù)據(jù)線分別為hdb3p 和hdb3n，從hdb3 編碼規(guī)則可以得出hdb3 編碼違例的發(fā)生包括在以 下四種情況中：（1）hdb3p 和hdb3n 上同時出現(xiàn)‘1’；（2）將hdb3p 和hdb3n 或操作，得到合路數(shù)據(jù)，此 數(shù)據(jù)上出現(xiàn)4 連0 或者大于4 連0 的情況；（3）hdb3p 或者hdb3n 上出現(xiàn)連續(xù)‘1’的情況，即數(shù)據(jù)中出現(xiàn) 連續(xù)的正極性/負極性B 脈沖；（4）兩次破壞點之間的B 脈沖個數(shù)不為奇數(shù)個；若檢測到以上四種情況中 的一種，就會產(chǎn)生編碼違例告警（cv）。

2.2 e1_framer 模塊設(shè)計

該模塊為成幀模塊，根據(jù)G.704 幀結(jié)構(gòu)標準，在每復幀不同的基本幀ts0 時隙插上開銷比特（包括幀 同步碼，復幀同步碼和對告等），同時需要對整幀做crc-4 校驗，crc-4 產(chǎn)生方法采用 x4 + x + 1 序列（10011）， 把校驗結(jié)果放在下一幀的相應(yīng)位置上，然后依次將開銷比特和數(shù)據(jù)發(fā)出。

2.3 e1_deframer 模塊設(shè)計

e1_deframer 模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示，關(guān)于e1 幀的解幀，最重要的是做到基本幀和復幀的同步，只有同 步了才能依次取出各話路信息，另一方面就是如果檢測到傳輸過程中出現(xiàn)了問題需要給出告警指示。 df_timer 是定時模塊為其他模塊提供時隙計數(shù)（ts_cnt），基本幀計數(shù)（bf_cnt），復幀計數(shù)（mf_cnt）；df_shf 為移位寄存器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從串行輸入到并行輸出的作用；df_crc 模塊完成crc_4 校驗并比較結(jié)果，出錯則 給出告警，crc_cnt 模塊用來對crc 誤塊進行計數(shù)，這是判斷l(xiāng)of 的條件之一。df_fsm 是核心模塊主要做基 幀和復幀同步，然后產(chǎn)生告警。

根據(jù)G.706 規(guī)定的幀同步算法，基本幀同步的過程如圖4 所示，系統(tǒng)復位即進入基本幀搜索狀態(tài)， 當收到正確的幀定位信號（FAS=“0011011”）后進入狀態(tài)1；在狀態(tài)1 檢測下一幀ts0 的bit2，看是否為1， 如果為1 則進入狀態(tài)2 反之則進入狀態(tài)3 后回到搜索態(tài)；在狀態(tài)2 時檢查下一幀是否包含正確的FAS， 如果正確則進入同步態(tài)，反之回到搜索態(tài)。

在基本幀同步的情況下如若出現(xiàn)以下情況，則會出現(xiàn)幀失步，狀態(tài)機恢復到搜索態(tài)：（1）檢測到三 個偶幀連續(xù)的錯誤FAS；（2）奇幀ts0 的bit2 出現(xiàn)三個連續(xù)的錯誤；（3）出現(xiàn)復幀丟失（lomf）；（4）在 1s 內(nèi)，即1000 個CRC-4 塊中出現(xiàn)大于等于915 個誤塊。在幀失步狀態(tài)后自動回到基本幀搜索狀態(tài)，并給 出lof 告警、向下插AIS、發(fā)對告A=‘1’、停止CRC-4 性能監(jiān)視。

對于復幀同步采用的算法是：在8ms 時間（4 個CRC 復幀）內(nèi)至少出現(xiàn)2 次復幀同步信號“001011” （由奇幀ts0 第1 比特構(gòu)成），則認定復幀已經(jīng)同步；而在復幀已同步的情況下連續(xù)4 幀沒有找到正確的 MFAS 則認為復幀已經(jīng)失步，需重新定位。復幀失步需給出lomf 告警。另外對于傳隨路信令的幀結(jié)構(gòu)還 存在ts16 復幀同步問題，由于國內(nèi)不常采用，在此就不贅述。

3.仿真驗證

本設(shè)計采用VHDL 語言進行了RTL 級的描述，用modelsim 對設(shè)計進行了仿真，經(jīng)過FPGA 驗證后， 各功能都得到正確地實現(xiàn)，最后采用FUJITSU 的CS86MN 工藝得到ASIC 實現(xiàn)。

下圖給出了系統(tǒng)部分RTL 級仿真波形。 仿真系統(tǒng)采用的是E1 環(huán)回模式，即從E1 接口出來的hdb3 信號又給到接口的輸入，從圖a 中可以反映 出發(fā)送前的nrz 信號跟接收后解碼出來的nrz 信號是一樣的，只是時間上有些延遲，由此證明編解碼模塊是 正確的。 圖b 反映的是E1 解幀模塊中基本幀同步的過程，從圖中可以看到基本幀的同步經(jīng)歷了找到FAS，下一 幀為奇幀，再一幀又找到FAS，這樣三個步驟，這也是符合G.706 標準的。

4.結(jié)論

本文描述了E1 幀的基本結(jié)構(gòu)，詳細介紹了E1 基本幀和CRC 復幀同步的算法，采用VHDL語言對符 合G.704 和G.706 標準的成／解幀電路進行了RTL 描述，并最終得到ASIC實現(xiàn)。實驗證明，該系統(tǒng)的時鐘 恢復模塊能達到通信的指標，HDB3 編解碼模塊能有效進行編解碼工作，并能正確檢測到線路上編碼違例的情況，各項告警均符合標準的要求，具有很強的實用價值。同時該電路設(shè)計相對于以往的設(shè)計來說具有面 積小的特點，在保證質(zhì)量的前提下節(jié)約了成本。

本文作者創(chuàng)新點：1.充分利用了標準中規(guī)定的預(yù)留比特形成了新的CRC 復幀結(jié)構(gòu)，有利于在通信中發(fā)現(xiàn)錯誤； 2.對編解碼模塊進行了優(yōu)化設(shè)計，達到縮小芯片面積的目的。

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