基于OTDM的鐵路區(qū)間光纖通信系統(tǒng)復用電路設計

胡祖翰，羅 斌，黃池翔，張志強，唐金成，潘 煒

（1.西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 610031；2.中鐵八局電務工程有限公司 成都 610031）

鐵路沿線的長途電纜線路大多建于80年代，主要用途是為工務施工防護或應急通信等臨時通信提供模擬電話[1]。鐵路既有線采用長途通信電纜加通話柱的方式實現(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]。隨著應急通信增加了視頻傳輸業(yè)務，以及鐵路沿線眾多設施逐漸納入視頻監(jiān)控的范圍等新業(yè)務[4]，這些應用對通信傳輸帶寬的需求增大，以既有長途通信電纜為基礎的區(qū)間通信系統(tǒng)無法滿足這些需求。

本文以OTDM（光時分復用）技術為基礎，研究一種區(qū)間光纖通信系統(tǒng)的時分復用解復用技術，該技術的各路數(shù)據(jù)通過CPLD編程進行電路設計后調制成光信號形式在光域中進行復用，實現(xiàn)了多個無源光接口間信號的準確復用與解復用。

1 時鐘同步的實現(xiàn)

圖1為系統(tǒng)結構圖，區(qū)間兩車站之間構成一個光纖單環(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設置一個終端節(jié)點，節(jié)點包含分路器、光收發(fā)模塊和手持終端設備，可設置在上行光纖或下行光纖上，整個系統(tǒng)為PON（無源光網絡）結構，各個終端節(jié)點通過OTDM實現(xiàn)各節(jié)點和各車站間的數(shù)據(jù)交互。為了成功實現(xiàn)OTDM，首先要使各端時鐘同步。

圖1中下行車站發(fā)射攜帶同步碼的信號，節(jié)點處分路器分下一部分光信號，終端設備接收到信號后進行同步碼檢測，并以此提取出同步時鐘，CPLD電路設計的功能框圖如圖2。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

圖2 同步時鐘框圖

同步碼檢測模塊對收到的信號進行檢測，檢測出同步碼后生成一個同步信號并發(fā)送給運算電路，運算電路根據(jù)收到的同步信號進行一系列運算后將結果送給控制電路，以此產生控制信號控制時鐘發(fā)生器，而時鐘發(fā)生器產生的時鐘又去控制同步碼檢測，在這不斷循環(huán)的過程中，時鐘逐步調節(jié)，最終與下行車站時鐘形成同步。

同步碼檢測示波器觀察結果如圖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模塊檢測到同步碼后產生的同步信號，它緊隨同步碼產生。

圖3 同步碼檢測實驗結果

2 數(shù)據(jù)的復用與解復用

OTDM系統(tǒng)工作時，必須在光域中將信號準確的插入到對應的時隙，不與其他時隙的光信號發(fā)生碰撞干擾。時鐘同步的過程中會生成一個同步信號，基于這個同步信號進行數(shù)據(jù)的復用與解復用，原理如圖4。

圖4 光信號時分復用原理

若一幀分為N個時隙，圖4（a）表示第一個接入系統(tǒng)鏈路的終端，接收到的信號為同步碼，此時其他的時隙都是空閑。進行同步碼檢測后，產生一個同步信號。以同步信號為基準，無需延遲，終端1就將要發(fā)送的1號數(shù)據(jù)插入空閑的時隙1，這個插入的過程信號以光的形式進行，通過一個2x1分路器將主光路信號和終端發(fā)射光信號耦合，復用后的光信號如圖4（a）中復用光信號所示。圖4（b）表示第二個接入系統(tǒng)網絡的終端，接收到的信號為同步碼和1號數(shù)據(jù)，其余時隙空閑，而同步碼檢測產生的同步信號其相對位置與終端1的情況相同，因此終端2以同步信號為基準，需要延遲1個時隙，然后將要發(fā)送的2號數(shù)據(jù)插入時隙2中，復用好的信號如圖4（b）中復用光信號所示。其他終端工作原理相同。

解復用過程與之類似，先進行同步碼檢測，根據(jù)生成的同步信號來確定相對位置，準確的延時或不延時解出對應時隙中的數(shù)據(jù)。

信號復用與解復用電路結構如圖5。clk為控制時鐘，接收到主光路的光信號后，同步碼檢測模塊工作并產生一個同步信號送給時隙定位模塊以及協(xié)議處理模塊,其解復用一個固定的協(xié)議時隙，解出協(xié)議后轉換成電路內部可識別的協(xié)議信號并發(fā)送給時隙定位模塊，其收到同步信號和協(xié)議信號后，確定終端的復用時隙和解復用時隙，根據(jù)同步信號的位置進行對應的延遲，控制信號再分別發(fā)送給復用模塊和解復用模塊，進行數(shù)據(jù)的準確復用和解復用。

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

圖5 信號復用與解復用電路結構圖

3 碼率轉換

復用解復用電路都涉及到了碼率轉換，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，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，針對這3種碼率設計了轉換電路，以2 M/16 M轉換為例如圖6。

圖6 碼率轉換電路

圖6（a）為2 M碼率轉16 M碼率電路框圖。外部輸入2 M碼流，2 MHz時鐘控制碼流進入8位移位寄存器，經過8個周期移位寄存器中存滿8位并行數(shù)據(jù)。256 kHz時鐘控制8位并入并出寄存器讀走這些數(shù)據(jù)。一個6位計數(shù)器對16 MHz時鐘計數(shù)，從“000000”到“111111”共計64個數(shù)。將64個數(shù)分成8個時隙，這里為2 M數(shù)據(jù)分配時隙1，則計數(shù)器從“000000”開始計8個數(shù)，并通過16 M時鐘控制數(shù)據(jù)選擇器在這8個周期內分別選擇發(fā)送寄存器上的8位數(shù)據(jù)，在剩余的7個時隙時間里，可以發(fā)送其他的2 M數(shù)據(jù)或者64 k數(shù)據(jù)。當計數(shù)器計完7個時隙又從“000000”開始計數(shù)，而移位寄存器中的數(shù)據(jù)剛好更新了8位，256 k時鐘的下一個周期也已來臨，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)。這個過程不斷循環(huán)，保證了2 M數(shù)據(jù)的即時發(fā)送，又不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，實現(xiàn)了2 M到16 M碼率的轉換。

圖6（b）為16 M碼率轉2 M碼率電路框圖。本文設計的解復用電路解下所需要的2 M數(shù)據(jù)時，已經是8位并行數(shù)據(jù)結構，因此操作比上面更簡單。256 k時鐘控制8位并入并出寄存器讀走解下的2 M數(shù)據(jù)。一個3位計數(shù)器對2 M時鐘進行計數(shù)。2 M時鐘和計數(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時鐘的下一個周期來臨，更新寄存器上的8位數(shù)據(jù)，這樣循環(huán)發(fā)送，實現(xiàn)16 M到2 M碼率的轉換功能。

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

4 結束語

本文針對鐵路區(qū)間光纖通信系統(tǒng)的PON結構，設計了一種光信號的時分復用及解復用電路。實驗結果表明，數(shù)據(jù)經過電路處理后，可在光纖中準確的復用并傳輸，并且提供了64 k、2 M兩種標準數(shù)據(jù)接口，為鐵路區(qū)間通信網的光纖化改造提供了一種技術方案。

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

[2]鐵路運輸通信設計規(guī)范（TB10006-2005）[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

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