基于CX28975芯片組帶多種接口的G.SHDSL傳輸設備的設計與實現

林曉峰+張云勇

【摘 要】通過對美國敏訊（Mindspeed）公司開發的CX28975芯片組的結構和特性進行介紹，分析了該芯片組的工作原理，并提出了一種利用該芯片組設計的帶以太網、UART接口的G.SHDSL多速率傳輸設備的軟硬件實現方案和程序流程，最終根據該方案實現了在一對雙絞線上傳輸對稱的、全雙工的信號。

【關鍵詞】G.SHDSL CX28975 以太網 PowerPC

1 引言

G.SHDSL是在一對雙絞線或其它傳輸特性相似的金屬傳輸線上傳輸雙向對稱寬帶業務的一種技術，遵循ITU-T G.991.2協議標準。與傳統的ADSL技術不同，G.SHDSL支持雙向對稱通信，其最令人矚目的改進就是解決了DSL技術的頻譜兼容性問題[1-2]，大大延長了傳輸距離。

該技術的另一個優勢是較高的對稱寬帶。采用16級TC-PAM線路編碼的SHDSL收發器，每對雙絞線可提供192kbit/s～2.312Mbit/s的對稱速率，而對于擴展應用所支持的4線捆綁傳輸模式提供加倍的寬帶[3-4]。G.SHDSL能夠自動適應各種傳輸速率，用戶可以方便地在各類新舊應用模式中靈活配置，服務提供商也能夠據此提供服務層應用，滿足用戶多樣化的需求。G.SHDSL幀模式傳輸的高效性和低延時，保證了對語音、視頻以及高速數據等多種業務的良好支持。

2 CX28975性能特性

2.1 硬件特性

CX28975芯片組由集成電路M28945（DSL成幀器與DSP）、M28927（AFE）實現，其實現了在一對雙絞傳輸線上全雙工、長距離數字傳輸功能。從應用的角度看，可看作數據調制解調器，即通過對數據的處理，使其變換為適于在線路上進行長距離傳輸的形式。CX28975收發器主要組成部分及信號流程如圖1所示：

在發送方向，PCM信號（時鐘、數據、幀格式）經DSL成幀器轉換成SHDSL幀，SHDSL幀在DSP單元經TC-PAM編碼、濾波得到所需的時域和頻域特性，送到AFE（模擬前端）單元，經D/A、濾波、線路驅動后傳送到傳輸線路；在接收方向，傳輸線路接收的信號送入AFE單元，經接收放大、A/D變換送入DSP單元，在DSP單元，接收信號與回波抵消器信號混合以抵消發送串擾信號，之后經均衡、解碼，恢復出比特信息，恢復的SHDSL幀信號經DSL成幀器還原為PCM信號。MCU為收發器內部微控制器，起到內部控制管理和對外通信的作用，外部處理器通過主機接口或串行通信口對收發器進行控制。

2.2 軟件特性

SHDSL收發器與外部處理器之間的通信基于請求-響應機制的對等通信協議，利用SHDSL芯片組的API命令集、通過并行接口或RS232串行接口，實現對收發器的監控。發送請求API命令時，需嚴格遵守API消息格式，否則無法實現對收發器的監控。SHDSL管理軟件層次圖如圖2所示：

對SHDSL收發器的監控包括對芯片組代碼的下載、工作模式配置、激活SHDSL鏈路、監視鏈路狀態及傳輸性能等。SHDSL管理各個模塊在主控模塊的調度下實時運行。SHDSL芯片組的運行代碼需要正確的加載和校驗，缺少運行代碼的SHDSL芯片組是無法被激活的。

3 系統設計與實現

CX28975芯片組是高度集成化的專用DSL收發芯片，由于內嵌RISC處理器，特別易于外部處理器和芯片內部通信，設計中以CX28975芯片組為傳輸單元核心器件。選擇嵌入式計算機作為核心處理器，實現以太網接口標準IEEE802.3 10Base-T，完成與業務復分接之間的通信，同時以太網接口提供在以太網環境下的數據通信。按IEEE802.3標準，以太網接口提供物理層和數據鏈路層的媒體訪問控制子層（MAC）功能。物理層功能包括曼徹斯特線路編碼、發送信號成形和信號接收；MAC層功能包括數據幀格式和載波偵聽多路訪問/沖突檢測。同時，計算機單元通過將寫在FLASH中的SHDSL芯片組的運行代碼下載到該芯片組中，完成對該芯片組工作模式的配置，激活其鏈路和監視鏈路狀態及傳輸性能等任務。當SHDSL鏈路激活并穩定后，計算機單元將需要傳輸的業務通過PCM總線利用TDM時分復用技術、SHDSL傳輸技術完成，從而實現了業務在一對雙絞線上的傳送和接收。

3.1 硬件設計

如圖3所示，設備從邏輯上可以劃分為計算機單元、業務復分接、人機界面、SHDSL傳輸單元、業務及其接口（以太網收發器、異步數據接口）。

計算機單元是軟件運行的硬件平臺，完成各個功能單元的監控、多種業務通信接口、通信協議運行、多業務統計復用等功能。計算機單元以通信協議處理器MPC860構成計算機系統，系統主頻頻率為50MHz、有16MB內存和2MB FLASH存儲器。MPC860內部集成了32位PowerPC內核、通信處理模塊（CPM），無縫支持DRAM、SDRAM、FLASH等存儲器。本系統采用了MPC860的串行通信控制器、以太網接口控制、HDLC協議處理、串行管理控制器、時隙分配器等資源，各個功能單元都在計算機單元的控制下完成其功能。由MPC860構成的計算機單元如圖4所示：

業務復分接電路完成以太幀數據信號、異步數據信號、其它數字信號以及管理信息的復接與分接，即在發送方向上將多種業務信號及管理信息復合并適配到SHDSL傳輸單元的PCM總線上，在接收方向上將SHDSL傳輸單元的PCM總線的復合信號分解為多種業務信號及管理信息，硬件時分復用由FPGA集成電路EP1C12實現。各類業務可根據帶寬需要固定占用PCM總線時隙，用不同的時隙來區分不同的業務。也可用軟件統計復用技術，在發送方向，本端設備將各類業務數據及要傳送到對端的控制命令采用消息格式封裝，加上不同的數據類型字段，將統計復用DSL協商后建立起來的時隙傳送到對端；在接收方向，本端設備將從消息格式通道接收到對端的報文后，根據報文頭部的數據類型字段進行解復用，區分凈荷數據類型，發往不同的數據端口荷模塊。endprint

以太網接口由MPC860的串行通信控制器和以太網收發器實現，物理層功能由以太網收發器集成電路實現；MPC860的SCC1設置為以太網模式，實現MAC層功能、成幀、沖突處理、發送與接收網絡管理、內部與外部自環測試等功能。以太網收發器單元完成以太幀數據的物理層收發功能，其數據通過串行通信口與計算機單元交換。UART功能通過通信協議處理器MPC860的串行通信控制器實現。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）設置為UART模式，在發送和接收方向均配置適當大小的數據緩存區，以保證較高的數據傳輸效率和較低的傳輸時延；通過數據傳輸波特率的跟蹤調整，保證雙向數據連續傳輸無差錯。

人機界面單元完成SHDSL線路傳輸速率、主從端等參數的設置。

SHDSL傳輸單元完成數據成幀與解幀、線路編碼與解碼、回撥抵消、線路驅動等功能，實現高速數字傳輸。為使SHDSL傳輸單元的傳輸性能達到最優，在選擇變壓器和設計平衡混合電路時要特別注意。變壓器的選型要關注其參數特征，選擇與配套變壓器相同特性參數的變壓器或者更好特性的變壓器。平衡混合電路在參照手冊給出的參考電路圖時，一定要注意電容、電阻的材料和高精度，這樣在對傳輸鏈路進行阻抗模型建立時才能更精確，由此增加了接收信號的量化分辨率，從而使信號的處理性能更好。由于對平衡混合電路中電容、電阻材料的注意，使得SHDSL傳輸單元的傳輸性能不會隨著溫度的變化而有明顯的下降[5]。

3.2 軟件設計

設備軟件基于VxWorks嵌入式實時操作系統。VxWorks操作系統包括進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等部分，并可按應用需求進行裁剪，以最小的硬件資源實現應用系統的高效、穩定運行。

設備軟件體系結構如圖5所示。在層次上，可分為與硬件細節無關的上層應用程序、與物理硬件相關的板級支持包（BSP）和底層驅動程序、VxWorks嵌入式操作系統微內核和VxWorks庫函數。

設備的應用軟件部分分為主控、SHDSL管理、數據流轉處理、設備管理和人機界面等主要功能模塊。各個功能模塊及其子模塊依據其功能和實時性要求不同，劃分為按實時關系的中斷服務程序以及不同優先級的任務。各個功能模塊之間的相互關系如圖6所示。

主控模塊是設備軟件的核心部分，它通過VxWorks的消息隊列通信機制調度各個模塊的運行，根據設備的運行狀態，發起實現各個功能模塊的程序進程和任務，接收來自各個功能模塊的消息，監控設備的運行狀態，是以消息驅動為核心、以設備狀態遷移為流程的循環任務。其主要功能包括：通信處理器外設初始化；發起人機界面任務；調度SHDSL管理模塊，初始化和配置SHDSL芯片組，建立本端設備和對端設備的SHDSL連接，發起對通信鏈路的監控任務；建立本端與對端的數據鏈路層連接；發起設備控制接口任務、響應設備控制器的命令；向各個任務和模塊發送、接收消息，調度各個模塊的操作；接收人機命令配置設備參數；建立和控制設備運行狀態遷移；維護設備運行信息等。為保障信令信息在經過遠程傳輸后的可靠性、準確性以及信令傳輸的實時性要求，信令傳輸采用具有檢錯能力的數據鏈路層協議以及滑動窗口的差錯重傳機制。

4 結束語

本文通過對CX28975芯片組硬件、軟件的介紹，設計了以該芯片組為傳輸單元、計算機單元為系統中心、多種接入方式并存的G.SHDSL傳輸設備，實現了多種業務在一對雙絞線上的復用傳輸，系統傳輸性能測試結果滿足指標要求[6]。對于不同的雙絞線線徑，傳輸距離是不同的，傳輸指標也是不一樣的。設備具有良好的可擴展性，可增加多種接入方式，完成各類業務的傳輸應用。其適用于網絡通信中的支線通信，特別是快速組建臨時通信網絡，可用于點對點、點對多點等多業務遠程通信及多業務遠程接入電話交換網絡、數據（分組）交換網絡、E1網絡和IP網絡等。

參考文獻：

[1] SHDSL對稱高速數字用戶線路接入技術[J]. 電子元器件應用， 2006（3）： 40-42.

[2] 成際鎮，林曉勇，邵園園，等. SHDSL接入技術研究進展與網絡應用[J]. 信息安全與通信保密， 2007（1）： 74-76.

[3] 王麗納. 基于SHDSL的IP-DSLAM線路終端板的開發與研究[D]. 南京： 東南大學， 2006.

[4] ITU-T. Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Line（Shdsl） transceivers-For approval.G.991.2[S]. Geneva Switzerland： ITU-T， 2003.

[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林曉峰. SHDSL系統設計與實現[J]. 移動通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint

以太網接口由MPC860的串行通信控制器和以太網收發器實現，物理層功能由以太網收發器集成電路實現；MPC860的SCC1設置為以太網模式，實現MAC層功能、成幀、沖突處理、發送與接收網絡管理、內部與外部自環測試等功能。以太網收發器單元完成以太幀數據的物理層收發功能，其數據通過串行通信口與計算機單元交換。UART功能通過通信協議處理器MPC860的串行通信控制器實現。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）設置為UART模式，在發送和接收方向均配置適當大小的數據緩存區，以保證較高的數據傳輸效率和較低的傳輸時延；通過數據傳輸波特率的跟蹤調整，保證雙向數據連續傳輸無差錯。

人機界面單元完成SHDSL線路傳輸速率、主從端等參數的設置。

SHDSL傳輸單元完成數據成幀與解幀、線路編碼與解碼、回撥抵消、線路驅動等功能，實現高速數字傳輸。為使SHDSL傳輸單元的傳輸性能達到最優，在選擇變壓器和設計平衡混合電路時要特別注意。變壓器的選型要關注其參數特征，選擇與配套變壓器相同特性參數的變壓器或者更好特性的變壓器。平衡混合電路在參照手冊給出的參考電路圖時，一定要注意電容、電阻的材料和高精度，這樣在對傳輸鏈路進行阻抗模型建立時才能更精確，由此增加了接收信號的量化分辨率，從而使信號的處理性能更好。由于對平衡混合電路中電容、電阻材料的注意，使得SHDSL傳輸單元的傳輸性能不會隨著溫度的變化而有明顯的下降[5]。

3.2 軟件設計

設備軟件基于VxWorks嵌入式實時操作系統。VxWorks操作系統包括進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等部分，并可按應用需求進行裁剪，以最小的硬件資源實現應用系統的高效、穩定運行。

設備軟件體系結構如圖5所示。在層次上，可分為與硬件細節無關的上層應用程序、與物理硬件相關的板級支持包（BSP）和底層驅動程序、VxWorks嵌入式操作系統微內核和VxWorks庫函數。

設備的應用軟件部分分為主控、SHDSL管理、數據流轉處理、設備管理和人機界面等主要功能模塊。各個功能模塊及其子模塊依據其功能和實時性要求不同，劃分為按實時關系的中斷服務程序以及不同優先級的任務。各個功能模塊之間的相互關系如圖6所示。

主控模塊是設備軟件的核心部分，它通過VxWorks的消息隊列通信機制調度各個模塊的運行，根據設備的運行狀態，發起實現各個功能模塊的程序進程和任務，接收來自各個功能模塊的消息，監控設備的運行狀態，是以消息驅動為核心、以設備狀態遷移為流程的循環任務。其主要功能包括：通信處理器外設初始化；發起人機界面任務；調度SHDSL管理模塊，初始化和配置SHDSL芯片組，建立本端設備和對端設備的SHDSL連接，發起對通信鏈路的監控任務；建立本端與對端的數據鏈路層連接；發起設備控制接口任務、響應設備控制器的命令；向各個任務和模塊發送、接收消息，調度各個模塊的操作；接收人機命令配置設備參數；建立和控制設備運行狀態遷移；維護設備運行信息等。為保障信令信息在經過遠程傳輸后的可靠性、準確性以及信令傳輸的實時性要求，信令傳輸采用具有檢錯能力的數據鏈路層協議以及滑動窗口的差錯重傳機制。

4 結束語

本文通過對CX28975芯片組硬件、軟件的介紹，設計了以該芯片組為傳輸單元、計算機單元為系統中心、多種接入方式并存的G.SHDSL傳輸設備，實現了多種業務在一對雙絞線上的復用傳輸，系統傳輸性能測試結果滿足指標要求[6]。對于不同的雙絞線線徑，傳輸距離是不同的，傳輸指標也是不一樣的。設備具有良好的可擴展性，可增加多種接入方式，完成各類業務的傳輸應用。其適用于網絡通信中的支線通信，特別是快速組建臨時通信網絡，可用于點對點、點對多點等多業務遠程通信及多業務遠程接入電話交換網絡、數據（分組）交換網絡、E1網絡和IP網絡等。

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[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林曉峰. SHDSL系統設計與實現[J]. 移動通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint

以太網接口由MPC860的串行通信控制器和以太網收發器實現，物理層功能由以太網收發器集成電路實現；MPC860的SCC1設置為以太網模式，實現MAC層功能、成幀、沖突處理、發送與接收網絡管理、內部與外部自環測試等功能。以太網收發器單元完成以太幀數據的物理層收發功能，其數據通過串行通信口與計算機單元交換。UART功能通過通信協議處理器MPC860的串行通信控制器實現。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）設置為UART模式，在發送和接收方向均配置適當大小的數據緩存區，以保證較高的數據傳輸效率和較低的傳輸時延；通過數據傳輸波特率的跟蹤調整，保證雙向數據連續傳輸無差錯。

人機界面單元完成SHDSL線路傳輸速率、主從端等參數的設置。

SHDSL傳輸單元完成數據成幀與解幀、線路編碼與解碼、回撥抵消、線路驅動等功能，實現高速數字傳輸。為使SHDSL傳輸單元的傳輸性能達到最優，在選擇變壓器和設計平衡混合電路時要特別注意。變壓器的選型要關注其參數特征，選擇與配套變壓器相同特性參數的變壓器或者更好特性的變壓器。平衡混合電路在參照手冊給出的參考電路圖時，一定要注意電容、電阻的材料和高精度，這樣在對傳輸鏈路進行阻抗模型建立時才能更精確，由此增加了接收信號的量化分辨率，從而使信號的處理性能更好。由于對平衡混合電路中電容、電阻材料的注意，使得SHDSL傳輸單元的傳輸性能不會隨著溫度的變化而有明顯的下降[5]。

3.2 軟件設計

設備軟件基于VxWorks嵌入式實時操作系統。VxWorks操作系統包括進程管理、存儲管理、設備管理、文件系統管理、網絡協議及系統應用等部分，并可按應用需求進行裁剪，以最小的硬件資源實現應用系統的高效、穩定運行。

設備軟件體系結構如圖5所示。在層次上，可分為與硬件細節無關的上層應用程序、與物理硬件相關的板級支持包（BSP）和底層驅動程序、VxWorks嵌入式操作系統微內核和VxWorks庫函數。

設備的應用軟件部分分為主控、SHDSL管理、數據流轉處理、設備管理和人機界面等主要功能模塊。各個功能模塊及其子模塊依據其功能和實時性要求不同，劃分為按實時關系的中斷服務程序以及不同優先級的任務。各個功能模塊之間的相互關系如圖6所示。

主控模塊是設備軟件的核心部分，它通過VxWorks的消息隊列通信機制調度各個模塊的運行，根據設備的運行狀態，發起實現各個功能模塊的程序進程和任務，接收來自各個功能模塊的消息，監控設備的運行狀態，是以消息驅動為核心、以設備狀態遷移為流程的循環任務。其主要功能包括：通信處理器外設初始化；發起人機界面任務；調度SHDSL管理模塊，初始化和配置SHDSL芯片組，建立本端設備和對端設備的SHDSL連接，發起對通信鏈路的監控任務；建立本端與對端的數據鏈路層連接；發起設備控制接口任務、響應設備控制器的命令；向各個任務和模塊發送、接收消息，調度各個模塊的操作；接收人機命令配置設備參數；建立和控制設備運行狀態遷移；維護設備運行信息等。為保障信令信息在經過遠程傳輸后的可靠性、準確性以及信令傳輸的實時性要求，信令傳輸采用具有檢錯能力的數據鏈路層協議以及滑動窗口的差錯重傳機制。

4 結束語

本文通過對CX28975芯片組硬件、軟件的介紹，設計了以該芯片組為傳輸單元、計算機單元為系統中心、多種接入方式并存的G.SHDSL傳輸設備，實現了多種業務在一對雙絞線上的復用傳輸，系統傳輸性能測試結果滿足指標要求[6]。對于不同的雙絞線線徑，傳輸距離是不同的，傳輸指標也是不一樣的。設備具有良好的可擴展性，可增加多種接入方式，完成各類業務的傳輸應用。其適用于網絡通信中的支線通信，特別是快速組建臨時通信網絡，可用于點對點、點對多點等多業務遠程通信及多業務遠程接入電話交換網絡、數據（分組）交換網絡、E1網絡和IP網絡等。

參考文獻：

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[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林曉峰. SHDSL系統設計與實現[J]. 移動通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint