基于Nios II的被复线传输设备方案设计

本文介绍了一种采用Altera公司NIOS II嵌入式微处理器实现的被复线传输设备。通过将NIOS II软核处理器、自定义FPGA专用模块、存储器和I/O集成到单块低成本的FPGA上， 组成一个SOPC（片上可编程系统） 系统，实现了E1接口与远传接口之间的相互转换功能。与采用传统ASIC处理器加软件来实现被复线传输设备的方案相比，该方案降低了系统的成本，复杂性和功耗。该设备的远传接口采用美国敏迅公司的CX28945芯片组实现，符合G.SHDSL标准。

【关键词】FPGA E1接口 以太网 G.SHDSL

E1接口作为数字传输系统一次群标准，可用于传送语音、数据、图像等业务，也可用于交换机之间的数字中继。目前，E1接口在分组网、帧中继网、GSM移动基站及军事通信网中得到了广泛的应用。

被复线以其结构强度高、导电性好、线外绝缘皮抗严寒、抗高温、不易老化等特点，被广泛应用于恶劣环境和军事通信中。文中设计的被复线传输设备可方便地实现具有E1接口设备间的语音、数据和图像等远距离传输，也可以利用被复线为远端用户提供高速网络接入等服务。

1 系统总体设计

被复线传输设备主要由E1接口、E1接口控制模块、FPGA处理单元、远传接口控制模块、远传接口、面板控制及显示电路和电源模块组成，设备系统框图如图1所示。

系统中，E1接口和远传接口作为用户接入接口提供E1接口用户和G.SHDSL接口用户的接入。E1接口控制模块由E1帧收发器和变压器组成，主要完成E1帧的成帧和解帧处理。在接收方向，E1帧收发器从线路上的HDB3码流中恢复出E1帧时钟和数据。在发送方向，E1帧收发器则进行与上述过程相反的操作。远传接口控制模块主要由DSL帧收发信机芯片和AFE（模拟前端）驱动芯片组成，完成DSL帧的收发控制。E1接口控制模块和远传接口控制模块之间通过PCM接口连接，完成E1接口与远传接口间的数据收发。

FPGA处理单元由Altera公司的EP4CE40F23I7N和外围电路组成。该设备采用了SOPC设计方案，利用FPGA内部的软核处理器，完成了E1帧收发器芯片和远传接口控制套片的初始化。FPGA专用逻辑模块则完成了接口控制面板的模式检测，速率检测和状态控制等功能。

2 接口电路方案设计

2.1 E1接口电路方案设计

E1接口电路采用PMC公司开发的E1帧收发器芯片PM4351实现。主要由E1帧收发器PM4351和变压器T1137组成，主要完成E1接口数据的码型变换和时钟恢复。在接收方向，E1帧收发器将线路上的HDB3码流变换为NRZ码型的时钟和数据，然后通过PCM接口送到远传模块处理。在发送方向，E1帧收发器PM4351通过PCM接口接收远传模块发送的数据，然后将NRZ码型的时钟和数据转化为适合线路传输的HDB3码流。E1接口实现方案如图2所示。

2.2 远传接口电路方案设计

远传接口电路主要由美国敏讯公司开发的CX28945芯片组和接口变压器构成。该芯片组包括2个芯片：一个是DSL帧收发信机芯片，另一个是AFE（模拟前端）驱动芯片。CX28945芯片组功能框图如图3所示。

模拟部分AFE芯片的主要功能包括A/D和D/A变换、数据变换的反混跌、信号滤波、增益控制和线路驱动等。AFE芯片对外提供数字接口和模拟接口，采用DSP接口与DSL帧收发信机CX28945内部的DSP相连，用于数据传输。模拟接口及DSL传输链路接口与双绞线相连，由线路驱动反馈电阻、阻抗匹配电阻、平衡混合电路、变压器和抗雷击保护电路组成。DSL帧收发信机芯片作为芯片组的核心，包含以下4大功能模块：ATM层传输汇聚功能模块、DSL成帧器功能模块、采用16-PAM（16电平格栅编码脉冲宽度调制）的DSP模块及8051处理器内核。本设计方案中采用该芯片组的PCM接口与E1接口电路连接。远传接口实现方案如图4所示。

2.3 电源模块方案设计

电源模块部分采用TPS54310PWP芯片来实现。该芯片支持3V～6V的输入电压，输出电压范围为0.9V～3.3V，拥有内部集成的60MΩ的MOSFET开关电路，通过SS/ENA引脚控制电压的输出，它采用PWM技术，具有3A的驱动能力，能够满足设计要求。

3 FPGA软件方案设计

本方案中的FPGA处理器单元主要由Altera公司的低功耗FPGA芯片EP4CE40F23I7N和外围电路组成。由于处理器采用软核形式进行设计， 具有很大的灵活性。本文提出的方案是采用内嵌NIOS II微处理器的单块低成本FPGA芯片来实现。利用FPGA内部的NIOS II软核处理器，完成E1帧收发芯片PM4351和远传套片CX28945芯片组的初始化和配置。FPGA专用逻辑模块则完成接口模式检测，速率检测以及状态控制等功能。Nios II软核处理器与外围接口电路的连接框图如图5所示。

系统上电完成后，FPGA内部的专用逻辑模块根据控制面板的接口速率选择和主从控制输入，生成远传接口套片的初始配置指令。FPGA内部的Nios II软核处理器在完成E1帧收发芯片PM4351和远传套片CX28945芯片组初始化后，通过Host Port或RS232接口将配置指令下载到远传套片CX28945芯片组中。为了简化设计，设计中的NIOS II处理器通过RS232接口完成对远传套片芯片组的配置。软件配置完成，远传套片CX28945芯片组激活后即可实现E1接口与远传接口之间的数据收发功能。设备在进行数据收发的同时，可通过观察设备状态指示灯来判断设备的工作状态。

4 结语

根据现实需求，提出了一种基于Nios II的被复线传输设备设计方案。详细介绍了传输设备接口电路设计方案和FPGA软件设计方案。经调试证明，该设备工作正常、稳定，能够实现E1接口和G.SHDSL接口用户间的远距离通信，满足了设计要求。

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作者简介

聂永军（1982-），男，现为深圳电器公司技术中心工程师。主要研究方向为基于FPGA的嵌入式系统设计。

作者单位

深圳电器公司技术中心 广东省深圳市 518001