基于MT9172的K口通信模塊設(shè)計(jì)

孫 偉，鮑凱凱，代振濤，武亮明，周 文

(北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭(zhēng)已成為未來我軍的主要戰(zhàn)場(chǎng)[1-2]。應(yīng)用于各類信道接口單元的通信接口模塊層出不窮。本文設(shè)計(jì)的K口通信模塊具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)，通過該接口不僅可以實(shí)現(xiàn)與新一代通信控制器連接，還可以與野戰(zhàn)交換機(jī)、K接口遙控終端等設(shè)備互聯(lián)互通，具備同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和數(shù)字語音的功能。

1 方案設(shè)計(jì)

本文K口通信模塊采用FPGA+硬件接口芯片MT9172的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)，可以提供全雙工128 Kbit/s的傳輸通道，用戶端提供標(biāo)準(zhǔn)TDM口進(jìn)行數(shù)據(jù)接入，支持多種編碼體制的話音業(yè)務(wù)和電臺(tái)參數(shù)配置、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其中FPGA主要完成K接口的鏈路層協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)TDM接口數(shù)據(jù)收發(fā)，時(shí)隙復(fù)接與數(shù)據(jù)緩沖，完成與電臺(tái)間的同步與信令握手流程。硬件接口芯片MT9172與網(wǎng)絡(luò)變壓器HR070620配合完成K接口物理層處理，實(shí)現(xiàn)單線對(duì)上全雙工數(shù)字通信，與FPGA間通過收發(fā)獨(dú)立的串行數(shù)據(jù)流通信。

本設(shè)計(jì)中FPGA采用Xilinx公司技術(shù)成熟的Spartan-3A系列的XC3S700A[3]。其具有可靠性高、成本低、邏輯資源豐富的特點(diǎn)。其基本屬性為700K邏輯門，1472個(gè)CLBs，5888個(gè)Slices，92 Kb分布式RAM，360 Kb集成RAM，8個(gè)DCMs，能夠?yàn)闉楦呷萘俊⒊杀久舾蓄悜?yīng)用提供超低成本、高性能的邏輯解決方案。

K接口的物理層處理采用了Zarlink公司的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)接口芯片MT9172(簡(jiǎn)稱DNIC)[4]，該芯片采用自適應(yīng)回波抵消技術(shù)，可在單對(duì)線路上實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)字傳輸，傳輸速率可選為80 kbit/s或160 kbit/s，普通的雙絞線傳輸距離可達(dá)4 km，與ISDN的2B+D數(shù)據(jù)格式相兼容。其內(nèi)部，具有幀同步析取和時(shí)鐘析取能力，可為外部電路提供時(shí)鐘。

圖1 MT9l72 內(nèi)部原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

本方案中選擇的MT9172具有多種操作模式，可通過引腳MS0-2選擇，兩種主要操作模式為MOD(透?jìng)髂Ｊ?和DN(數(shù)字網(wǎng)絡(luò))模式。MOD模式速率可選為80/160 kbit。在DN模式時(shí)，線路按照ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))格式傳輸B、D通道數(shù)據(jù)，速率可選為80/160 kbit。DN模式時(shí)，CD口和DV口為標(biāo)準(zhǔn)的串行總線接口(ST-BUS)，并且，在MOD模式，CD口和DV口以80 kbit/s或160 kbit/s的速率透?jìng)鞔袛?shù)據(jù)。其他模式包括：主、從、單口、雙口模式，主從模式時(shí)，時(shí)間基準(zhǔn)和幀同步信號(hào)由外部提供或從線路提取。雙口模式時(shí)，CD口和DV口都活動(dòng)，單口模式時(shí)，CD口不活動(dòng)，所有信息通過DV口傳輸。對(duì)于線路上兩個(gè)DNIC，必須分別設(shè)置為主、從，MOD模式下只有雙口模式。

本設(shè)計(jì)中MT9172工作在模式1，為透?jìng)髂Ｊ?MOD)、主模式。其他配置采用默認(rèn)模式2配置，此時(shí)，DNIC速率配置為160 kbit/s，預(yù)擾碼器、診斷寄存器復(fù)位等功能全部不使能。其中，時(shí)鐘鎖相環(huán)路的時(shí)鐘改用了8.192 MHz，K口實(shí)際工作于128 Kbit/s。系統(tǒng)端DV口及相應(yīng)的時(shí)鐘接入FPGA，透明數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA處理后分為數(shù)據(jù)和語音，經(jīng)過FPGA內(nèi)部緩存，時(shí)隙再分配后由TDM口發(fā)送出去。具體電路連接關(guān)系如圖2所示。

3 邏輯設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中FPGA與MT9172之間通過DV接口進(jìn)行全

雙工串行數(shù)據(jù)收發(fā)，該接口的數(shù)據(jù)收發(fā)分別同步于發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘，發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘由MT9172提供，都為128 kbps。FPGA需要根據(jù)K接口協(xié)議完成與短波電臺(tái)/超短波電臺(tái)K口間的鏈路同步、環(huán)路信令交互、對(duì)透明數(shù)據(jù)按時(shí)隙接收、緩存、發(fā)送的工作，設(shè)計(jì)在ISE14.7環(huán)境下，采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

3.1 K口協(xié)議

K口具有多種工作模式，其中工作于模式3適用于新一代VHF/HF電臺(tái)K接口，模式3又細(xì)分為兩種模式：模式3-32K、模式3-64K，模式3-32K的電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸速率為32 Kbps，語音采用64 Kbps的PCM編碼。模式3-64K的電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸速率為64 Kbps，語音采用32 Kbps的ADPCM編碼。本方案根據(jù)通信應(yīng)用需求，采用模式3-32K，其幀格式如圖3所示。

在這種模式下，K口數(shù)據(jù)幀速率為16 Kbit/s，每幀由8 bit數(shù)據(jù)構(gòu)成， 劃分為8個(gè)時(shí)隙，每個(gè)bit為一個(gè)時(shí)隙。K口數(shù)據(jù)幀格式各字段含義如下：

1)同步：同步碼采用地域網(wǎng)中繼群規(guī)約中規(guī)定，本端未同步前發(fā)反碼111100010011010，本端同步后發(fā)正碼000011101100101；

2)環(huán)路信令、話音指示：話音編碼指示時(shí)隙。設(shè)備同步后首先使用該時(shí)隙交互環(huán)路信令，環(huán)路信令交互完畢后，該時(shí)隙作為PCM的高/低4 bit指示位，當(dāng)時(shí)隙1為“0”時(shí)表示是同一字節(jié)的高4 bit，為“1”時(shí)表示為低4 bit，同一字節(jié)的高位先發(fā)送；

3)控制、數(shù)據(jù)包：包括電臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、信道參數(shù)的設(shè)置、查詢、加注和信令信息業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包：IP數(shù)據(jù)包和非IP數(shù)據(jù)。不同類型的數(shù)據(jù)采用相應(yīng)的HDLC格式封裝。

圖2 M79172外圍電路圖

圖3 K接口數(shù)據(jù)幀格式

4)PCM話音：編碼速率為64kbps的PCM話音數(shù)據(jù)，由4、5、6、7四個(gè)時(shí)隙傳送。

K接口數(shù)據(jù)幀各時(shí)隙的數(shù)據(jù)采用bit交織的復(fù)接方式，具體的形式如圖4所示。

圖4 模式3-32K bit交織復(fù)接方式

其中第一列共15位組成同步碼，第二列，環(huán)路信令溝通階段，每8幀組成一個(gè)8 bit的環(huán)路信令字節(jié)，環(huán)路信令溝通完成后，每1 bit指示語音數(shù)據(jù)的高/低位；第3、4列每4幀組成1字節(jié)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，最后4列每2幀組成l字節(jié)的PCM語音數(shù)據(jù)。

3.2 設(shè)備識(shí)別

K接口設(shè)備識(shí)別的過程描述：首先，物理連接建立后，K口通信模塊和信道設(shè)備分別檢測(cè)到對(duì)端的同步碼后，由失步狀態(tài)進(jìn)入鏈路幀同步狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行環(huán)路信令溝通，設(shè)備類型信息的交互就在這個(gè)一過程完成，溝通成功雙方進(jìn)入鏈路識(shí)別狀態(tài)，溝通失敗則繼續(xù)進(jìn)行環(huán)路信令溝通。在鏈路識(shí)別的基礎(chǔ)上，上層軟件可以通過K口與信道設(shè)備進(jìn)行過手，握識(shí)別手成功則進(jìn)入握手狀態(tài)，握手失敗則退回到鏈路識(shí)別狀態(tài)。圖5是K口設(shè)備識(shí)別的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。在設(shè)備識(shí)別的過程中，設(shè)備信息的交互是通過環(huán)路信令溝通來完成的。

圖5 K口設(shè)備識(shí)別狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.3 邏輯實(shí)現(xiàn)

本方案FPGA邏輯功能主要包括：

1)實(shí)現(xiàn)鏈路幀同步，分為同步碼的發(fā)送和接收；

2)實(shí)現(xiàn)鏈路幀數(shù)據(jù)的交織/解交織；

3)實(shí)現(xiàn)環(huán)路信令溝通，并上報(bào)連接狀態(tài)；

4)實(shí)現(xiàn)TDM接口的數(shù)據(jù)收發(fā)、時(shí)鐘生成。

FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 FPGA邏輯設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)中FPGA邏輯設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)為鏈路同步檢測(cè)、環(huán)路信令溝通和TDM數(shù)據(jù)收發(fā)。鏈路同步檢測(cè)中關(guān)鍵設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)接收寄存器、計(jì)數(shù)器、同步檢測(cè)模塊；環(huán)路信令溝通關(guān)鍵設(shè)計(jì)包括環(huán)路信令寄存器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)FIFO。本小節(jié)就關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)原理作詳細(xì)介紹。

3.3.1 數(shù)據(jù)接收寄存器

由于鏈路同步碼共15位，需15個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)幀的同步時(shí)隙組成。為完整接收15位同步碼，設(shè)計(jì)120位的移位寄存器，按接收位時(shí)鐘移位，移位完成后，抽取移位寄存器的8n-2(n=1，2，…，15)位組成線路同步碼，并與協(xié)議約定值比對(duì)，如與正碼比對(duì)一致，則認(rèn)為檢測(cè)到正同步碼，與反碼比對(duì)一致，則認(rèn)為檢測(cè)到反同步碼。

3.3.2 同步檢測(cè)模塊

鏈路同步檢測(cè)模塊具體原理為，鏈路開始處于失步狀態(tài)，發(fā)送模塊發(fā)反碼。接收模塊每接收1位數(shù)據(jù)，就檢測(cè)是否構(gòu)成同步碼，檢測(cè)失敗，等待下一位數(shù)據(jù)，檢測(cè)成功，進(jìn)入預(yù)同步狀態(tài)。此時(shí)，計(jì)數(shù)器啟動(dòng)工作，發(fā)送模塊發(fā)正碼，當(dāng)計(jì)數(shù)器為119時(shí)，再進(jìn)行檢測(cè)是否為正碼，如為正碼，鏈路同步正常，后計(jì)數(shù)器從0開始繼續(xù)計(jì)數(shù)。如出現(xiàn)計(jì)數(shù)器為119時(shí)，同步碼檢測(cè)失敗，則鏈路由同步狀態(tài)進(jìn)入失步狀態(tài)，發(fā)送模塊發(fā)反碼。

3.3.3 環(huán)路信令溝通

環(huán)路信令溝通是一個(gè)雙向交互的過程，需要K口接發(fā)模塊協(xié)同工作，環(huán)路信令寄存器鎖存信道設(shè)備發(fā)送的環(huán)路信令信息，狀態(tài)機(jī)根據(jù)收到的環(huán)路信令信息完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)的狀態(tài)信息。環(huán)路信令溝通具體內(nèi)容包括：

1)Wait_AA：等待接收OxAA(收到AA發(fā)A0)；

2)Wait_F6：等待接收OxF6(收到F6發(fā)E0)；

3)Wait_CO_FO：等待接收OxCO或OxFO，OxCO為VHF，OxFO為HF(收到C0/F0發(fā)FC)；

4)Wait_E8：等待接收OxE8，VHF/HF都使用64 Kbit/s的PCM模式(收到E8發(fā)FA)；

5)Wait_AA_55：環(huán)路信令交互完成，時(shí)隙位變?yōu)楦叩椭甘疚唬掷m(xù)等待OxAA或0x55。

具體環(huán)路信令交互流程如圖7所示。

圖7 環(huán)路信令交互流程圖

3.3.4 TDM收發(fā)模塊

本方案中TDM接口按E1基本幀格式傳輸數(shù)據(jù)，其基本幀長為256個(gè)bit，時(shí)長T=125 μs，分為32個(gè)時(shí)隙，每8 bit一個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙速率為64 kbps。K口模式3-32 K的電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)際傳輸速率為32 Kbps，語音數(shù)據(jù)傳輸速率為64 Kbps?？紤]速率匹配需求，設(shè)計(jì)占用1時(shí)隙作為業(yè)務(wù)類型指示，2時(shí)隙低4位傳輸電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，3時(shí)隙傳輸PCM語音編碼。其中1時(shí)隙為0xA1時(shí)指示1時(shí)隙電臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效，為0xA2時(shí)指示3時(shí)隙PCM語音編碼數(shù)據(jù)有效，為0xA3時(shí)指示1、2時(shí)隙數(shù)據(jù)都有效。發(fā)送方向，F(xiàn)PGA接收TDM數(shù)據(jù)后完成串并轉(zhuǎn)換，并存儲(chǔ)到內(nèi)部構(gòu)建的FIFO中，等待K口發(fā)送單元讀取并發(fā)送。接收方向，TDM發(fā)送單元讀取FIFO數(shù)據(jù)，完成并串轉(zhuǎn)換，并按約定時(shí)隙發(fā)送到處理器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別將K口通信模塊與超短波、短波電臺(tái)K口相連接，使用ISE軟件，調(diào)用XILINX公司在線調(diào)試軟件chipscope，設(shè)置觸發(fā)條件，在線觀測(cè)FPGA內(nèi)部信號(hào)，如圖8所示。其sync_flag_pre為1時(shí)指示收到對(duì)端電臺(tái)反碼，sync_flag為1指示收到對(duì)端正碼，鏈路處于同步狀態(tài)，hlxl_reg持續(xù)為0x55或0xAA,指示環(huán)路信令已交互完畢，此時(shí)環(huán)路信令位變?yōu)楦叩椭甘疚?，所以持續(xù)為0x55或0xAA。此時(shí)電臺(tái)K口狀態(tài)顯示：K口已連接，如圖8所示。

圖8 FPGA內(nèi)部信號(hào)測(cè)試

經(jīng)檢驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的K口通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與新一代短波/超短波電臺(tái)間K口通信。并且，由于FPGA具備的可編程靈活性，根據(jù)應(yīng)用需求，可方便實(shí)現(xiàn)接口擴(kuò)展與改進(jìn)，能廣泛應(yīng)用于各類通信控制器、野戰(zhàn)交換機(jī)、K接口遙控終端等設(shè)備上。

[1] 趙 珺.便攜式通信終端設(shè)計(jì)[J].通信設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2016(7):59-60.

[2] 司朝良.MT9172及其在基帶調(diào)制解調(diào)器中的應(yīng)用[J].通信及網(wǎng)絡(luò)元器件,2003(9):57-60.

[3] Xilinx Spartan-3A FPGA Family:Data Sheet[Z].2010.

[4] Zarlink Semiconductor．ISO2-CMOS ST-BUS Family MT9171/72 Digital Subscriber Interface Circuit/Digital Network Interface Circuit[Z].1999,2．