基于OTDM的鐵路區(qū)間光纖通信系統(tǒng)復(fù)用電路設(shè)計(jì)

胡祖翰，羅 斌，黃池翔，張志強(qiáng)，唐金成，潘 煒

（1.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031；2.中鐵八局電務(wù)工程有限公司 成都 610031）

鐵路沿線的長(zhǎng)途電纜線路大多建于80年代，主要用途是為工務(wù)施工防護(hù)或應(yīng)急通信等臨時(shí)通信提供模擬電話[1]。鐵路既有線采用長(zhǎng)途通信電纜加通話柱的方式實(shí)現(xiàn)鐵路沿線的區(qū)間通信。根據(jù)規(guī)范要求[2]，區(qū)間通信以共線方式提供3—4路電話通道[3]。隨著應(yīng)急通信增加了視頻傳輸業(yè)務(wù)，以及鐵路沿線眾多設(shè)施逐漸納入視頻監(jiān)控的范圍等新業(yè)務(wù)[4]，這些應(yīng)用對(duì)通信傳輸帶寬的需求增大，以既有長(zhǎng)途通信電纜為基礎(chǔ)的區(qū)間通信系統(tǒng)無(wú)法滿足這些需求。

本文以O(shè)TDM（光時(shí)分復(fù)用）技術(shù)為基礎(chǔ)，研究一種區(qū)間光纖通信系統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用解復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)的各路數(shù)據(jù)通過(guò)CPLD編程進(jìn)行電路設(shè)計(jì)后調(diào)制成光信號(hào)形式在光域中進(jìn)行復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)無(wú)源光接口間信號(hào)的準(zhǔn)確復(fù)用與解復(fù)用。

1 時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，區(qū)間兩車站之間構(gòu)成一個(gè)光纖單環(huán)，光纖分為上行光纖和下行光纖，根據(jù)規(guī)范要求每隔1.5 km設(shè)置一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)包含分路器、光收發(fā)模塊和手持終端設(shè)備，可設(shè)置在上行光纖或下行光纖上，整個(gè)系統(tǒng)為PON（無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)）結(jié)構(gòu)，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)OTDM實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)和各車站間的數(shù)據(jù)交互。為了成功實(shí)現(xiàn)OTDM，首先要使各端時(shí)鐘同步。

圖1中下行車站發(fā)射攜帶同步碼的信號(hào)，節(jié)點(diǎn)處分路器分下一部分光信號(hào)，終端設(shè)備接收到信號(hào)后進(jìn)行同步碼檢測(cè)，并以此提取出同步時(shí)鐘，CPLD電路設(shè)計(jì)的功能框圖如圖2。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 同步時(shí)鐘框圖

同步碼檢測(cè)模塊對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出同步碼后生成一個(gè)同步信號(hào)并發(fā)送給運(yùn)算電路，運(yùn)算電路根據(jù)收到的同步信號(hào)進(jìn)行一系列運(yùn)算后將結(jié)果送給控制電路，以此產(chǎn)生控制信號(hào)控制時(shí)鐘發(fā)生器，而時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘又去控制同步碼檢測(cè)，在這不斷循環(huán)的過(guò)程中，時(shí)鐘逐步調(diào)節(jié)，最終與下行車站時(shí)鐘形成同步。

同步碼檢測(cè)示波器觀察結(jié)果如圖3。上方是接收到的數(shù)據(jù)流，攜帶的同步碼為“10110101”，下方的窄脈沖為檢測(cè)模塊檢測(cè)到同步碼后產(chǎn)生的同步信號(hào)，它緊隨同步碼產(chǎn)生。

圖3 同步碼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 數(shù)據(jù)的復(fù)用與解復(fù)用

OTDM系統(tǒng)工作時(shí)，必須在光域中將信號(hào)準(zhǔn)確的插入到對(duì)應(yīng)的時(shí)隙，不與其他時(shí)隙的光信號(hào)發(fā)生碰撞干擾。時(shí)鐘同步的過(guò)程中會(huì)生成一個(gè)同步信號(hào)，基于這個(gè)同步信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的復(fù)用與解復(fù)用，原理如圖4。

圖4 光信號(hào)時(shí)分復(fù)用原理

若一幀分為N個(gè)時(shí)隙，圖4（a）表示第一個(gè)接入系統(tǒng)鏈路的終端，接收到的信號(hào)為同步碼，此時(shí)其他的時(shí)隙都是空閑。進(jìn)行同步碼檢測(cè)后，產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)。以同步信號(hào)為基準(zhǔn)，無(wú)需延遲，終端1就將要發(fā)送的1號(hào)數(shù)據(jù)插入空閑的時(shí)隙1，這個(gè)插入的過(guò)程信號(hào)以光的形式進(jìn)行，通過(guò)一個(gè)2x1分路器將主光路信號(hào)和終端發(fā)射光信號(hào)耦合，復(fù)用后的光信號(hào)如圖4（a）中復(fù)用光信號(hào)所示。圖4（b）表示第二個(gè)接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的終端，接收到的信號(hào)為同步碼和1號(hào)數(shù)據(jù)，其余時(shí)隙空閑，而同步碼檢測(cè)產(chǎn)生的同步信號(hào)其相對(duì)位置與終端1的情況相同，因此終端2以同步信號(hào)為基準(zhǔn)，需要延遲1個(gè)時(shí)隙，然后將要發(fā)送的2號(hào)數(shù)據(jù)插入時(shí)隙2中，復(fù)用好的信號(hào)如圖4（b）中復(fù)用光信號(hào)所示。其他終端工作原理相同。

解復(fù)用過(guò)程與之類似，先進(jìn)行同步碼檢測(cè)，根據(jù)生成的同步信號(hào)來(lái)確定相對(duì)位置，準(zhǔn)確的延時(shí)或不延時(shí)解出對(duì)應(yīng)時(shí)隙中的數(shù)據(jù)。

信號(hào)復(fù)用與解復(fù)用電路結(jié)構(gòu)如圖5。clk為控制時(shí)鐘，接收到主光路的光信號(hào)后，同步碼檢測(cè)模塊工作并產(chǎn)生一個(gè)同步信號(hào)送給時(shí)隙定位模塊以及協(xié)議處理模塊,其解復(fù)用一個(gè)固定的協(xié)議時(shí)隙，解出協(xié)議后轉(zhuǎn)換成電路內(nèi)部可識(shí)別的協(xié)議信號(hào)并發(fā)送給時(shí)隙定位模塊，其收到同步信號(hào)和協(xié)議信號(hào)后，確定終端的復(fù)用時(shí)隙和解復(fù)用時(shí)隙，根據(jù)同步信號(hào)的位置進(jìn)行對(duì)應(yīng)的延遲，控制信號(hào)再分別發(fā)送給復(fù)用模塊和解復(fù)用模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確復(fù)用和解復(fù)用。

假設(shè)系統(tǒng)碼率為16 Mbit/s，則復(fù)用模塊發(fā)射的信號(hào)碼率和解復(fù)用模塊接收到的信號(hào)碼率都為16 Mbit/s，而終端設(shè)備提供2種碼率的接口，分別為2 Mbit/s（G.703）和64 kbit/s（G.703），因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行碼率的轉(zhuǎn)換。在復(fù)用部分，碼率轉(zhuǎn)換模塊會(huì)接收到來(lái)自外部的64 kbit/s和2 Mbit/s串行碼流，用16 MHz時(shí)鐘控制碼率轉(zhuǎn)換模塊分別對(duì)這兩串碼流進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成16 Mbit/s高速碼流送給復(fù)用模塊發(fā)送出去。同理，解復(fù)用模塊首先將16 Mbit/s碼率的2 M數(shù)據(jù)和64 k數(shù)據(jù)分別解出來(lái)，然后送給碼率模塊轉(zhuǎn)換成低速的2 Mbit/s和64 kbit/s碼流分別送給外部設(shè)備。

圖5 信號(hào)復(fù)用與解復(fù)用電路結(jié)構(gòu)圖

3 碼率轉(zhuǎn)換

復(fù)用解復(fù)用電路都涉及到了碼率轉(zhuǎn)換，本文中的數(shù)據(jù)主要有64 kbit/s、2 Mbit/s和16 Mbit/s這3種碼率，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，針對(duì)這3種碼率設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電路，以2 M/16 M轉(zhuǎn)換為例如圖6。

圖6 碼率轉(zhuǎn)換電路

圖6（a）為2 M碼率轉(zhuǎn)16 M碼率電路框圖。外部輸入2 M碼流，2 MHz時(shí)鐘控制碼流進(jìn)入8位移位寄存器，經(jīng)過(guò)8個(gè)周期移位寄存器中存滿8位并行數(shù)據(jù)。256 kHz時(shí)鐘控制8位并入并出寄存器讀走這些數(shù)據(jù)。一個(gè)6位計(jì)數(shù)器對(duì)16 MHz時(shí)鐘計(jì)數(shù)，從“000000”到“111111”共計(jì)64個(gè)數(shù)。將64個(gè)數(shù)分成8個(gè)時(shí)隙，這里為2 M數(shù)據(jù)分配時(shí)隙1，則計(jì)數(shù)器從“000000”開始計(jì)8個(gè)數(shù)，并通過(guò)16 M時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)選擇器在這8個(gè)周期內(nèi)分別選擇發(fā)送寄存器上的8位數(shù)據(jù)，在剩余的7個(gè)時(shí)隙時(shí)間里，可以發(fā)送其他的2 M數(shù)據(jù)或者64 k數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)完7個(gè)時(shí)隙又從“000000”開始計(jì)數(shù)，而移位寄存器中的數(shù)據(jù)剛好更新了8位，256 k時(shí)鐘的下一個(gè)周期也已來(lái)臨，寄存器的8位數(shù)據(jù)再次更新，數(shù)據(jù)選擇器選擇發(fā)送新的8位數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)，保證了2 M數(shù)據(jù)的即時(shí)發(fā)送，又不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，實(shí)現(xiàn)了2 M到16 M碼率的轉(zhuǎn)換。

圖6（b）為16 M碼率轉(zhuǎn)2 M碼率電路框圖。本文設(shè)計(jì)的解復(fù)用電路解下所需要的2 M數(shù)據(jù)時(shí)，已經(jīng)是8位并行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此操作比上面更簡(jiǎn)單。256 k時(shí)鐘控制8位并入并出寄存器讀走解下的2 M數(shù)據(jù)。一個(gè)3位計(jì)數(shù)器對(duì)2 M時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)。2 M時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器共同控制數(shù)據(jù)選擇器選擇發(fā)送寄存器上的8位數(shù)據(jù)，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，256 k時(shí)鐘的下一個(gè)周期來(lái)臨，更新寄存器上的8位數(shù)據(jù)，這樣循環(huán)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)16 M到2 M碼率的轉(zhuǎn)換功能。

64 k碼率和16 M碼率的相互轉(zhuǎn)換與上述方式原理一樣，只是計(jì)數(shù)器位數(shù)有所區(qū)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路區(qū)間光纖通信系統(tǒng)的PON結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種光信號(hào)的時(shí)分復(fù)用及解復(fù)用電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)電路處理后，可在光纖中準(zhǔn)確的復(fù)用并傳輸，并且提供了64 k、2 M兩種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口，為鐵路區(qū)間通信網(wǎng)的光纖化改造提供了一種技術(shù)方案。

[1]李 雷. 鐵路通信各專業(yè)業(yè)務(wù)及接入方式探討[J]. 鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010，7（4）：5-7.

[2]鐵路運(yùn)輸通信設(shè)計(jì)規(guī)范（TB10006-2005）[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[3]盧燕飛，劉葉青，馮玉珉. 采用CPH技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵路專用通信系統(tǒng)中多方通信功能的研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2004，26（3）： 119-122.