基于CN8980芯片组的HDSL2设备设计

摘 要： 第二代高速数字用户线(HDSL2)是接入网领域的最新一代铜线接入技术。本文介绍了Conexant公司的CN8980芯片组的结构和特性，分析其工作原理，给出了采用CN8980芯片组设计HDSL2设备的方案。
关键词： HDSL2；成帧器；EOC
美国Conexant公司的CN8980芯片组是功能强大的DSL收发器芯片，不但可以用于增强的基于2B1Q和CAP调制技术的第一代HDSL传输设计，而且可以用于基于OPTIS调制技术的HDSL2传输系统的设计，并且完全兼容HDSL2用于T1传输的ANSI标准和HDSL2用于E1传输的ETSI现有规定。它与现有HDSL设备保持良好的兼容性，利于已有HDSL系统的升级换代。

CN8980芯片组的结构与特性
CN8980芯片组由两部分组成：模拟部分和数字部分。
模拟部分
AFE和线路驱动实现线路信号的传送与接收功能，线路信号包含两种模式：HDSL2 OPTIS和HDSL1 2B1Q。其功能模块包含D/A和A/D变换，数据变换的反混叠(anti-aliasing)，信号滤波，增益控制和线路驱动。AFE由DSP收发器进行控制。
数字部分
?可旁路的成帧器/映射器
成帧器/映射器是一个高性能的比特流处理引擎，可以处理任何HDSL帧结构，支持ANSI HDSL2 和ETSI HDSL1标准帧结构。它进行EOC(嵌入操作信道)，和有效载荷比特的插入和提取，数据的加扰处理，比特填充，以及同步检测。CN8980成帧器支持原始速率的T1/E1成帧和非帧模式，同步和异步有效载荷映射，以及每个时隙随机或固定数据插入。此外，它还能够进行外部时隙增减控制，比特误码率测量，以及支持1、2、4、8比特时隙的可编程有效载荷映射。
?采用格栅编码的速率自适应比特泵DSP
速率自适应DSP负责回波抵消，线路均衡和数据编码。能够进行2、4、8、16电平PAM编码，包含集成软件控制的时钟用于恢复和合成功能。DSP模块中的发送器将从DSL成帧器处收到的数据映射成PAM编码的符号，再经格栅编码和发送滤波处理后，发送到AFE。DSP模块中的接收器接收来自AFE的串行数据和比特泵发送的经过预编码的符号，并将这些经过预编码的符号送到回波抵消器(EC)。回波抵消器对回波响应进行评估，并将AFE发来的信号减去回波响应。回波处理后的信号还要通过前向均衡(FFE)和判定反馈均衡(DFE)，最后再由格栅编码调制(TCM)译码器恢复出信息比特。

图1CN8980芯片组功能框图

图2系统基本框图

图3 PCM接口部分连接示意图

图4模拟前端芯片连接示意图

?高性能微内核处理器
片内8051兼容微内核处理器提供DSP控制和调度，另外也可以作为通用控制器对外部器件进行控制，比如控制编解码器或T1/E1成帧器以及与网络管理软件进行通信等。
CN8980芯片组功能框图如图1所示。
在设备结构上，CN 8980支持多信道线路卡。具有以下特性：单个启动ROM装载；每个信道全自动启动排序；每个高速PCM接口允许最大八个设备共享一条通用PCM总线；集成的成帧器支持每个信道的任意时隙分配；信号信道支持点到多点训练。

HDSL2系统总体方案的设计
方案采用单线对HDSL2配置，实现T1/E1数据传输，线路编码为OPTIS技术，采用片内8051进行系统控制。设计中充分考虑了未来的升级与设备扩展，设计了多线对数据与控制接口及配置开关，通过配置开关、软件的改动和外加控制即可实现系统的扩展与升级。在保证对现有HDSL设备兼容的同时，实现了先进的HDSL2技术。系统基本框图如图2所示。
CN8980芯片组采用三芯片方案，即收发器(Zipwire2 Tranciever)、成帧器(Zipwire2 Framer)和模拟部分(Zipwire2 AFE)分别为一枚芯片。
系统有以下两种工作模式：
?单板工作模式，支持1T1、1E1、和单线对可变速率，数据速率范围可以为从144kbps到4624kbps之间，以16kbps为一级的任意速率，即成帧器支持的速率为N*64kbps+16kbps。
?多板工作模式，2块到8块系统电路板通过多板接口进行连接，支持2T1、2E1和3E1 HDSL1配置，可以用于多端口设备和DSLAM设备。

系统各部分的设计

图5 RS-232接口连接示意图

图6 HOST控制连接示意图

图7 主程序流程框图、

PCM总线接口
PCM接口为DSL成帧器与其它标准T1、E1或N×64kbit设备的连接提供接口,采用Rockwell半导体系统公司的Bt8370芯片，支持T1/E1格式的数据收发。Bt8370与HDSL2成帧器之间的连接示意图如图3所示。
图中CLADO、RSBCKI和RCKO是T1/E1接收时钟，RPCMO是T1/E1接收数据，RMSYNC是T1/E1接收复帧同步，TSBCKI和TCKI是T1/E1发送时钟，TPCMI是T1/E1发送数据，TMSYNC是T1/E1发送复帧同步。
模拟前端(AFE)部分
AFE对外提供数字接口和模拟接口。数字接口即DSP接口，与HDSL2收发器的DSP相连，用于数据传输。模拟接口由线路驱动反馈电阻、阻抗匹配电阻、外部混合电路和变压器组成，与双绞线相连。
模拟前端部分是HDSL2收发器与铜双绞线之间的接口，完成HDSL2数字信号与线路模拟信号之间的转换，发送时提供足够的线路发送功率，接收时完成初步的信号滤波等功能。HDSL2线路工作频率较高，这部分的性能直接关系到系统传输性能的好坏。因此，这部分的设计非常关键，元件的选择与电路的设计都有严格的要求。CN8980芯片组用单独的一块芯片完成模拟前端的功能，它与HDSL2收发器之间的连接示意图如图4。
图中ser1_tx、ser2_tx是HDSL2发送数据信号，ser1_rcv、ser1_rcv，ser1_rcv为HDSL2接收数据信号，afe_clk，up_w_da等信号是HDSL2收发器对HDSL2模拟前端芯片的控制信号。
模拟前端比较重要的部分还包括混合电路和过击保护电路，混合电路的目的是建立传输线路的阻抗模型，通过这个阻抗模型生成近似的传输信号回波，将线路变压器上的信号减去这个近似回波就可得到一阶接收信号的近似值。尽管CN8980内部包含数字回波抵消器，但是混合电路减少了模数变换器(ADC)的输入信号电平，有效地减少了短环路上的ADC溢出，增加了接收信号的量化分辨率，从而得到更好的信号处理性能。
系统中包含两个混合电路，可以满足较大范围的环路特性和数据速率。两个混合电路中一个用于高速率情况，一个用于低速率情况，在系统启动时，软件将检测哪一个混合电路能够提供最好的回波抵消性能，从而作出选择。
这部分电路中变压器的选择也是一个值得特别注意的问题。线路变压器实际上是一个高通滤波器，用于传输线路与电路板之间的直流隔离。CN8980要求变压器的匝数比必须为5:1(线路侧:电路侧)。同时变压器的一次电感值L是一个要求非常严格的参数，如果电感值太高，滤波器的截止频率将太低，CN8980的回波抵消器不能抵消回波的低频成分和信号互调干扰；反之，如果L太小，截止频率太高，一部分信号分量被滤除掉，将造成信噪比的降低。最后，变压器的选择还必须考虑回波损耗值，以尽可能的优化系统性能。
在混合电路的设计中采用了NPO和具有低电解吸收率的电容，保证电路具有良好的线性特性和回波抵消性能。通过过击保护电路的设计，使系统具有良好的抗雷击性能。
RS-232接口部分
系统中提供了两路RS-232串行接口，接口驱动芯片采用MAXIM公司的MAX233，接口为标准9针插头。这一部分的电路设计简图如图5所示。
第一路RS-232接口用于PC机或其他网络终端与系统之间的通信，进行网络管理和系统调试等。数据传输采用异步模式：38400波特，一个开始比特，8个数据比特，一个终止比特，没有校验。PC机对系统进行控制时，通过调用系统API命令实现。
第二路RS-232接口被定义为Group talk接口，用于多组CN8980芯片组同时工作时(如多线对工作模式和多电路板堆叠模式)，主芯片组与从芯片组之间的通信，进行控制或进行程序的装载等。同时这路信号提供了一个用于内部底层软件的调试接口。数据传输采用异步模式：115200波特，一个开始比特，8个数据比特，一个终止比特，没有校验。
由于CN8980片内CPU与仿真接口直接并联，为防止在系统调试时发生冲突，在发送数据线上设置了三态门，对片内CPU与仿真接口进行隔离。
HOST端口
在多设备工作模式下，需要外部CPU对各个设备进行协调控制，因此，在系统中设计了HOST端口，它直接与内部HOST总线连接，通向片内CPU。在开发、调试和测试外部CPU控制程序