DH中STM-1/TU-12解復(fù)用的設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

1引言

SDH(Synchronous Digital Hierarchy)作為當(dāng)今世界信息領(lǐng)域在傳輸技術(shù)方面的發(fā)展和應(yīng)用的熱點(diǎn)，其有效地結(jié)合了高速大容量光纖傳輸技術(shù)和智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。不僅充分顯現(xiàn)出全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的接口、光纖通信容量大、高可靠的自愈能力、低成本、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，而且突現(xiàn)出其復(fù)分接簡(jiǎn)單、電路調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)管理方式靈活、管理信息豐富等技術(shù)優(yōu)越性。為能與現(xiàn)有的準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)網(wǎng)絡(luò)兼容，因此對(duì)2．048Mb／s的E1信號(hào)的支持就尤為重要。SDH采用標(biāo)準(zhǔn)的一套信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，其基本信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)等級(jí)為同步傳輸模塊STM-1，對(duì)應(yīng)速率是155．52Mb／s。從SDH中解復(fù)用出E1信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)PDH在SDH上兼容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文涉及的工作基于SDH幀結(jié)構(gòu)．綜合運(yùn)用了并行幀同步碼組檢測(cè)、并行解擾碼、段開銷處理、指針解釋與調(diào)整、VC-4抽取處理、TU-12支路抽取處理等技術(shù)，用以最終完成從STM-1中抽取TU-12支路的處理過程。

以下詳細(xì)介紹STM-1/TU-12解復(fù)用的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。筆者以支路凈荷處理作為主線，根據(jù)STM-1的幀結(jié)構(gòu)確定了具體電路的實(shí)現(xiàn)方案。本文的創(chuàng)新之處在于系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)了從STM-1到TU-12支路的解復(fù)用詳細(xì)過程，通過并行化處理方式與簡(jiǎn)化，把若干復(fù)雜模塊的設(shè)計(jì)集中在一個(gè)系統(tǒng)中。另外對(duì)VC-4和TU-12進(jìn)行系統(tǒng)化抽取處理和FIFO緩存，旨在降低電路規(guī)模和增加處理效率。

2設(shè)計(jì)思想

根據(jù)ITU-TG．707協(xié)議推薦，STM-1／E1解復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。鑒于圖中解復(fù)用過程，STM-l到TU-12需一次指針處理AU-PTR、若干次解復(fù)用操作。對(duì)本設(shè)計(jì)中從VC-4中抽取TU-12的過程．根據(jù)需提取的目標(biāo)TU-12的Number(0-62)號(hào)碼．直接就可完成VC-4到TU-12的提取過程，無需TUG-3和TUG-2的中間過渡。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)據(jù)此進(jìn)行簡(jiǎn)化。



STM-1的幀結(jié)構(gòu)為9行270列的數(shù)據(jù)塊，傳輸時(shí)由左向右，由上至下順序發(fā)送。每幀的周期為125微秒。因?yàn)門U在VC-4中所占據(jù)的列是固定的，由于指針調(diào)整的存在，TU在STM-1中所占據(jù)的列并不固定。從STM-1中抽取TU-12時(shí)應(yīng)首先完成對(duì)VC-4的解復(fù)用，然后再對(duì)VC-4中抽取其對(duì)應(yīng)的列。另外由于指針的緣故，高階虛容器VC可以有微小的頻率和相位差異，因此處理高階VC需要指針解釋。

對(duì)于一個(gè)完整的STM-1／E1過程：經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的STM-1信號(hào)進(jìn)入接收端，再經(jīng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)、串／并轉(zhuǎn)換、幀定位、BIP-8校驗(yàn)比較、并行解擾碼、BIP-24校驗(yàn)比較．進(jìn)入段開銷處理階段。此后經(jīng)過通道開銷處理、指針解釋及調(diào)整、凈荷定位后，定位后的凈荷即完成解復(fù)用。該過程的原理如圖2所示。



段開銷處理中，再生段和復(fù)用段的誤碼檢測(cè)．對(duì)應(yīng)使用BIP-8、BIP-24校驗(yàn)算法。通過AU-4處的指針解釋，準(zhǔn)確抽取出VC-4，進(jìn)而最后準(zhǔn)確抽取出TU-12。

本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：

(1)將輸入的STM-1信號(hào)字節(jié)串行流中的管理單元AU-4支路凈荷，以VC-4的形式輸出，并進(jìn)一步將低階支路TU-12凈荷轉(zhuǎn)移到相應(yīng)輸出支路單元中。

(2)處理管理單元指針，補(bǔ)償STM-1幀與高階虛容器速率間的準(zhǔn)同步關(guān)系。

(3)檢測(cè)管理單元指針的指針丟失(LOS)、告警指示、新數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)NDF，給出指針工作狀態(tài)，確定其調(diào)整方式。

(4)誤碼檢測(cè)B1(再生段層的誤碼檢測(cè))、B2(復(fù)用段層的誤碼檢測(cè))、B3(VC4誤碼性能，通道BIP-8碼)。

(5)利用搜捕校核／同步保護(hù)的措施(置位同步法)，識(shí)別幀同步狀態(tài)。

3模塊設(shè)計(jì)

STM-1／TU-12具體實(shí)現(xiàn)電路可劃分為5個(gè)功能模塊，按其在解復(fù)用中的先后順序加以介紹，其中每個(gè)功能模塊還可劃分為若干子功能模塊。

(1)并行幀同步碼組檢測(cè)模塊同步碼組長度n、校核計(jì)數(shù)長度α和保護(hù)計(jì)數(shù)長度β是本模塊的重要參數(shù)。幀同步狀態(tài)轉(zhuǎn)移是在校核、失步、同步和保護(hù)4個(gè)狀態(tài)中完成，綜合考慮其性能參數(shù)，選擇2、4、16作為α、β、n的數(shù)值，在此不作詳述。依照相異度最大原則選取A1 A2字節(jié)為幀同步碼組，即f628H。幀同步狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示。



串行幀同步碼組檢測(cè)方式，由于其工作在155．52MHz的速度上，同步碼組匹配的脈沖寬度只有6．43ns，對(duì)于FPGA器件的工藝條件很難達(dá)到穩(wěn)定性能。故而通過8位移位寄存器進(jìn)行串／并轉(zhuǎn)換，并行方式的脈沖識(shí)別寬度為串行方式的8倍。

時(shí)鐘單元完成clk信號(hào)與8分頻后的elk8之間的分頻轉(zhuǎn)換。STM-1幀時(shí)鐘為155．52MHz的clk時(shí)鐘，其它模塊則對(duì)應(yīng)8位并行數(shù)據(jù)的clk8時(shí)鐘，其時(shí)鐘頻率為19．44MHz。

并行幀同步比較電路模塊通過對(duì)輸入的并行數(shù)據(jù)的移位，不斷與同步碼組以字節(jié)為單位匹配比較，直至連續(xù)2次識(shí)別到幀同步碼組出現(xiàn)在兩幀的同一位置出現(xiàn)，進(jìn)而選通幀同步使能信號(hào)framehead。該信號(hào)作為對(duì)幀頭的識(shí)別，為STM-1幀的操作提供了同步保障。

(2)并行解擾模塊ITU-T G．707／Y．1322建議給出的SDH串行幀同步擾碼器,其偽隨機(jī)序列發(fā)生器的生成多項(xiàng)式為由于擾碼器從初始狀態(tài)到任意時(shí)刻的狀態(tài)都可預(yù)先確定，這就為加擾和解擾的并行處理提供了可能。此處的并行擾碼／解擾的處理算法通過并行化的處理方式，使用矩陣法對(duì)串行的處理算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣取八階即可[5]。

根據(jù)ITU-TG．707建議，通過對(duì)STM-1幀中段開銷SOH區(qū)域第一行的所有1行x9N列字節(jié)不擾碼．進(jìn)行透明傳輸，STM-1幀中的其余字節(jié)必須擾碼后傳輸。因此，解擾選擇模塊完成對(duì)SOH首行9字節(jié)的不選通，對(duì)其余字節(jié)則選通。

8路并行解擾模塊，完成的是并行解擾碼的處理過程，以并行狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣作為該模塊的處理算法，該模塊只作解擾處理。

解擾輸出模塊，利用解擾選擇模塊的選通和不選通，針對(duì)選通字節(jié)的使用并行解擾處理后的數(shù)據(jù)作為輸出，不選通字節(jié)使用原始數(shù)據(jù)。不選通的數(shù)據(jù)在整個(gè)過程中都是以無須擾碼及解擾的原始狀態(tài)存在。該模塊完成了對(duì)并行數(shù)據(jù)的擾碼剝離，輸出真實(shí)數(shù)據(jù)。

(3)指針解釋＆恢復(fù)模塊本系統(tǒng)只涉及對(duì)指針AU-4處理，位于STM-1幀的第4行1～9列，用于指示VC-4的首字節(jié)J1在凈負(fù)荷中的具體位置，以便接收端能夠據(jù)此正確分離出VC-4。

根據(jù)ITU協(xié)議，H1、H2字節(jié)對(duì)應(yīng)STM-1幀中管理單元指針AU-PTR的第一和第四個(gè)字節(jié)。讀取H1、H2模塊，用于讀取出存放在H1和H2中的2字節(jié)的數(shù)值。H1 H2的前四比特位為新數(shù)據(jù)標(biāo)志NDF，第三、四比特位是SS比特，后十個(gè)比特位存放指針值。

指針解釋模塊完成對(duì)指針值的讀取解釋。根據(jù)H1和H2字節(jié)的數(shù)值，判斷NDF的狀態(tài)是正常態(tài)、無效態(tài)、凈負(fù)荷新數(shù)據(jù)態(tài)，給出指針值、NDF狀態(tài)使能、CI、AIS使能，若指針有效給出有效使能信號(hào)并輸出其值。指針FSM模塊針對(duì)于指針解釋模塊的輸出情況，相應(yīng)根據(jù)指針有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，轉(zhuǎn)換范圍在正常狀態(tài)、指針丟失狀態(tài)、全1指示狀態(tài)三者之間．并得到指針值、正負(fù)指針調(diào)整情況用來從AU-4中準(zhǔn)確定位并精確提取出VC-4。

(4)VC-4抽取解復(fù)用模塊VC-4在STM-1中抽取處理，其主要部分是一個(gè)FIFO(又稱先入先出存儲(chǔ)器)，是進(jìn)行跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾骷Ｔ撃K分為VC-4寫模塊、VC-4讀模塊和FIFO(VC-4)三部分。

VC-4寫模塊，依靠指針值提取出STM-1中的VC-4部分。根據(jù)指針解釋和恢復(fù)模塊的輸出信號(hào)(指針值、指針正調(diào)整使能、指針負(fù)調(diào)整使能)，選擇正調(diào)整和負(fù)調(diào)整位置相應(yīng)字節(jié)使能，選中所有VC-4的信息字節(jié)，寫入到FIFO中。

VC-4讀模塊，根據(jù)系統(tǒng)中時(shí)鐘頻率，計(jì)算得到讀出數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)時(shí)鐘。在無任何調(diào)整情況下，STM-1是9行270列的結(jié)構(gòu)中，每行中VC-4占據(jù)的是270列中的10～270列，每一行都是如此。因此計(jì)算9／270=1／30．式中270代表總的列數(shù)，9代表9列的段開銷部分．即得到每30次周期中就有1次的段開銷處理。使用模30計(jì)數(shù)器，使用幀同步信號(hào)的標(biāo)識(shí)，每30次中只有1次不選通且需扣除。

FIFO(VC-4)采用的是帶溢出、臨近溢出、半滿、臨近空白、空白檢測(cè)狀態(tài)標(biāo)記的FIFO，確保系統(tǒng)的運(yùn)行無誤。系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)寬度為8位，故FIFO的數(shù)據(jù)帶寬也應(yīng)為8。設(shè)置堆棧的高度為16字節(jié)。溢出、臨近溢出、半滿、臨近空白、空白檢測(cè)的位數(shù)相應(yīng)為16、14、8、2、0。VC-4寫模塊的輸出VC4Write是FIFO的寫入信號(hào)，VC-4讀模塊的輸出VC4Read是FIFO的讀出信號(hào)。VC-4寫模塊的輸出信號(hào)J1作為FTFO開始工作的啟動(dòng)信號(hào)，鑒于VC-4的首字節(jié)為J1，此處的J1用以識(shí)別VC-4起始位置。通過對(duì)寫入數(shù)據(jù)緩存處理．確保以讀出數(shù)據(jù)速率輸出得到VC-4信息。

(5)TU-12支路抽取解復(fù)用模塊該模塊的結(jié)構(gòu)與VC-4抽取解復(fù)用模塊結(jié)構(gòu)完全類似。TU-12支路抽取解復(fù)用模塊分為TU-12寫模塊、TU-12讀模塊、FI-FO(TU-12)三部分。TU-12Delay模塊通過延遲處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流與控制信號(hào)的對(duì)齊。

TU-12寫模塊依靠J1識(shí)別出VC-4信息的到來．其中J1和VC4Write信號(hào)作為其輸入。由于VC-4中包含63路TU-12支路。若需輸出某一路TU-12支路，那么對(duì)這63路的分別抽取就要借助其編號(hào)TU12Num。TU12Num用于直接選中目標(biāo)TU-12支路，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的準(zhǔn)確抽取。該模塊用于把VC-4中的某一TU-12支路的抽取處理，并把得到的目標(biāo)TU-12送到FIFO(TU-12)模塊的寫輸入端，同時(shí)還給出通道BIP-8碼B3字節(jié)(VC-4在STM-1中傳輸?shù)恼`碼性能)。

根據(jù)STM-1幀結(jié)構(gòu)，對(duì)某一固定的TU-12而言，它固定地占有經(jīng)處理后的VC-4凈荷區(qū)的四列．且其在VC-4中列號(hào)是差值為63的等差序列。

TU-12讀模塊的設(shè)計(jì)需要借助頻率的計(jì)算．根據(jù)輸人的STM-1的時(shí)鐘頻率，換算得到TU-12的時(shí)鐘頻率。計(jì)算4／270=1／67．5=2／135，其原理同上，即采用模135計(jì)數(shù)器，對(duì)應(yīng)讀取計(jì)數(shù)位置67和134來完成135的二分頻。

此處的FIFO(TU-12)同上面的完全一致，系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)寬度為8位，故FIFO數(shù)據(jù)帶寬也應(yīng)為8。設(shè)置堆棧的高度為4字節(jié)。溢出、臨近溢出、半滿、臨近空白、空白檢測(cè)的位數(shù)相應(yīng)為4、3、2、1、0。TU12Write和TUl2Read作為寫、讀輸入，最終輸出TU一12支路信號(hào)信息凈荷，且可以指定輸出63路中的任一路TU-12凈荷。

總之，上述五大模塊中，并行幀同步碼組檢測(cè)模塊、指針解釋＆恢復(fù)模塊中還分別涉及幀同步狀態(tài)轉(zhuǎn)移、指針解釋狀態(tài)轉(zhuǎn)移的有限狀態(tài)機(jī)器FSM，對(duì)應(yīng)所有可能狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，因此本設(shè)計(jì)兼顧了狀態(tài)連續(xù)性以保證都是連續(xù)事件。

除了以上五大模塊外，還有針對(duì)段開銷的處理．以B1和B2字節(jié)的誤碼校驗(yàn)作為重點(diǎn)。再生段層BIP-8碼的取出及校核、復(fù)用段層BIP-24的取出及校核，還分別對(duì)應(yīng)相關(guān)模塊。復(fù)用段開銷中的B2字節(jié)需要扣除再生段RSOH全部比特。因此還需扣除處理模塊。BIP-8(B1)和BIP-24(B2)，分別對(duì)應(yīng)解擾前、解擾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行BIP算法，兩者分列并行解擾模塊的一前一后。

4編譯及仿真結(jié)果

筆者使用可綜合的硬件描述語言Verilog HDL，實(shí)現(xiàn)了對(duì)STM-1／TU-12的解復(fù)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在Synop-sys公司VCS平臺(tái)和．Mentor Graphics公司ModelSim平臺(tái)上完成了功能仿真，并在Quartus Ⅱ平臺(tái)上完成動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真。圖4給出了功能仿真圖，從解擾后的STM-1信號(hào)中解復(fù)用出VC-4凈荷信號(hào)，可以看出處理過程中的適當(dāng)延遲。

由圖5可看出，對(duì)于每TU-12支路信號(hào)都固定占據(jù)每STM-1幀中固定的四列情況，輸出的四列信號(hào)共同組成一路TU-12，本仿真選擇輸出的僅為序號(hào)為32的TU-12支路情況，若選擇其它支路只需改變TUl2Num的輸入值即可。



5結(jié)束語

本文分析了STM-1／VC-4解復(fù)用過程的具體實(shí)現(xiàn)方法。提出了整體設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)了具體的電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)方案具體到每模塊端口，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。設(shè)計(jì)使用ALTERA公司的Cyclone系列FPGA EP1C6T144C8器件驗(yàn)證通過。