VoIP語音網(wǎng)關中TDM控制模塊的設計

Wishbone最先是由Silicore公司提出，現(xiàn)在已被移交給OpenCores組織維護。Wishbone總線規(guī)范是一種片上系統(tǒng)IP核互連體系結(jié)構(gòu)，定義了一種IP核之間共公的邏輯接口，可用于軟核、固核和硬核，對開發(fā)工具和目標硬件沒有特殊要求，并且?guī)缀跫嫒菀延兴械木C合工具，可以用多種硬件描述語言來實現(xiàn)。

TDM控制模塊的設計

● TDM在VoIP語音網(wǎng)關系統(tǒng)中的作用

TDM控制模塊同時接收來自ISDN(綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng))、E1專線或者語音編碼器等不同信源的串行語音數(shù)據(jù)。如圖1，VoIP語音網(wǎng)關的基本功能是完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與外部語音設備數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，TDM接口與以太網(wǎng)接口分別為外部語音設備的數(shù)據(jù)、以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)與網(wǎng)關系統(tǒng)的通信橋梁。該網(wǎng)關SoC系統(tǒng)的處理器采用的是同濟大學微電子中心自主沿發(fā)的高性能低功耗的32位嵌入式CPU BC320。

圖1 TDM控制模塊的作用

● 時分復用原理與TDM數(shù)據(jù)頻率

時分復用是把對信道的使用時間劃分為多個時間幀，進一步把時間幀劃分為n個時間隙(時間間隔)。每一個時間隙分配給一個子信道，從而實現(xiàn)在一個信道上同時傳輸多路信號。時分復用循環(huán)使用時間幀，各路信號循環(huán)順序插入時間幀中的時間隙傳輸。TDM控制模塊的主要作用就是復用多路信號與解復用混合有多路信號的TDM數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 時分復用的時隙

本設計的串行語音數(shù)據(jù)針對E1專線標準，E1主要應用于歐洲，中國也采用該標準。E1標準的數(shù)據(jù)率為2.048Mb/s，每一個時間幀包括30個B子信道，一個D子信道和一個同步子信道，共32個子信道。以語音模擬信道為例，信道帶寬限制為3.4kHz，根據(jù)奈圭斯特定律，子信道采樣速率至少是信號最高頻率的兩倍，通常選擇采樣速率為8kHz。因此，整個TDM信道的比特速率可以達到：

8kb/s832=2048kb/s=2.048 Mb/s，即E1標準規(guī)定的TDM數(shù)據(jù)率。

● 模塊設計

模塊的主要功能是完成多路數(shù)據(jù)的復用和復用數(shù)據(jù)的分解，其關鍵部分就是復用和分解。本設計采用緩存器輔助完成復用和分解，實現(xiàn)兩種協(xié)議數(shù)據(jù)跨時鐘域的轉(zhuǎn)換。本設計模塊主要分三部分，見圖3。

圖3 TDM接口控制模塊的基本結(jié)構(gòu)

串行數(shù)據(jù)接口主要負責串行數(shù)據(jù)與8位寬并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，因為存放數(shù)據(jù)的FIFO是以8bit為一地址空間的。轉(zhuǎn)換由設計的狀態(tài)機來控制：接收 (receive)操作、發(fā)送(transmit)操作和等待，接收就是將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8bit位寬數(shù)據(jù)的過程，發(fā)送與之相反。由于語音數(shù)據(jù)要求雙工機制，由時鐘高低電平來作為發(fā)送和接收狀態(tài)的切換信號，即當時鐘為低時由發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，當時鐘為高時，由接收狀態(tài)切換為發(fā)送狀態(tài)，這樣可以看作接收與發(fā)送是同時進行的。

發(fā)送、接收緩存器不僅包括用于暫時存儲數(shù)據(jù)的FIFO，而且還設計有狀態(tài)機來控制接收、發(fā)送數(shù)據(jù)流。由于跨時鐘域，由雙口RAM組成的FIFO可能會帶來地址比較沖突的問題，本設計采用乒乓機制來完成FIFO，當一個緩存器進行讀操作時，另一個緩存器則進行寫操作，兩者的切換由硬件來完成。以下以接收緩存器為例(數(shù)據(jù)方向從TDM串行數(shù)據(jù)到Wishbone總線并行數(shù)據(jù))來描述本設計。緩存器的大小設計為包含四幀TDM數(shù)據(jù)，因此每個FIFO的大小為8bit324＝1024bit，如圖4。選用乒乓FIFO以及FIFO大小設計的原因如下。

圖4 乒乓FIFO

串行數(shù)據(jù)的時鐘相對于Wishbone總線的時鐘要慢，當兩時鐘域上的數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換時，Wishbone總線可以在很短時間內(nèi)讀寫FIFO，而串行總線需要相對較長的時間讀寫相同數(shù)據(jù)量。盡管如此，在Wishbone總線時鐘頻率相對較慢時，Wishbone總線很可能在下一批串行數(shù)據(jù)寫進FIFO前不能完全讀空FIFO。以接收緩存器為例，如果不考慮處理器(BC320)中斷響應時間和從RAM讀數(shù)據(jù)的時間(待處理的數(shù)據(jù)都要先暫存在Wishbone 總線上掛的RAM中)，從Wishbone總線讀空一個FIFO中的四幀數(shù)據(jù)需要時間為：

1/25M x 32 x 4 = 5.12 x 10^-6 s= 5.12us

25M是本設計在FPGA開發(fā)板進行測試時所采用的時鐘頻率，即測試系統(tǒng)時Wishbone總線上的時鐘頻率。

而在另一邊串行數(shù)據(jù)，當四幀寫滿FIFO后，第五幀的第一個字節(jié)數(shù)據(jù)開始寫入FIFO的準備時間為：

1/24M x 8 = 4 x 10^-6?s = 4us

FIFO中的四幀數(shù)據(jù)被讀空時間大于第五幀的第一個字節(jié)寫入FIFO的準備時間，F(xiàn)IFO的寫滿與讀空都是有硬件產(chǎn)生信號標識，此時FIFO讀空信號標識未產(chǎn)生，不能對同一FIFO進行寫操作，導致待寫數(shù)據(jù)丟失。因此選用兩個FIFO采用乒乓機制來切換讀寫操作，如圖4所示。

在解復用時，數(shù)據(jù)的地址恢復很重要，一個TDM數(shù)據(jù)幀含有32個時隙，每一時隙中的數(shù)據(jù)均來自不同的信道源，本模塊要將復用在一路的TDM數(shù)據(jù)恢復出32路。TDM數(shù)據(jù)的每個時隙含8個bit，而Wishbone總線的數(shù)據(jù)位寬是32位，因此需要四幀的TDM數(shù)據(jù)才能拼接成一路完整32位寬數(shù)據(jù)。相鄰時隙數(shù)據(jù)由于來自不同信道源，暫存在FIFO中的地址不能相鄰，前一時隙中數(shù)據(jù)和后一時隙中數(shù)據(jù)在地址空間上相差4(如圖4)，這樣從初始地址開始，每相鄰四個地址對應的數(shù)據(jù)拼接成一路完整的信號，在Wishbone總線讀取FIFO中數(shù)據(jù)時的地址是按順序的。

本文著重討論了接收緩存器的設計，發(fā)送緩存器與之類似，這里就不再贅述。

Wishbone接口連接TDM控制模塊與Wishbone總線，它的主要功能是設計正確的狀態(tài)機產(chǎn)生有效控制信號來同步數(shù)據(jù)交換。

驗證與結(jié)論

用Verilog語言描述完成TDM控制模塊的設計，并以VoIP語音網(wǎng)關系統(tǒng)為驗證平臺，利用Candence公司的NC-verilog仿真器進行代碼仿真。仿真波形表明，處理器(BC320)對FIFO寫滿產(chǎn)生信號標識的反應時間大約為60個Wishbone總線時鐘周期，這一時間加上Wishbone總線讀空第一個FIFO所用時間后，串行語音數(shù)據(jù)仍在寫進另一個FIFO，Wishbone總線有足夠的空閑等待這個FIFO寫滿標示信號的產(chǎn)生，不會有任何數(shù)據(jù)丟失。

VoIP語音網(wǎng)關系統(tǒng)在型號為Virtex-II Pro FF1152的FPGA開發(fā)板上進行了硬件驗證，TDM控制模塊外接型號為Le88221的SLIC(用戶線接口電路)芯片作為語音信源，利用Chipscope在線掃描TDM控制模塊內(nèi)部、Wishbone總線和處理器(BC320)寄存器的信號變化，并用示波器對SLIC芯片信號進行捕捉。從觀察的信號來看，所設計的TDM控制模塊能夠與系統(tǒng)的其他IP模塊，尤其是處理器(BC320)和以太網(wǎng)模塊正確有效地協(xié)同工作，模塊的功能達到設計要求。