基于VDSL2的武器装备远程通信及同步方法设计

2020-11-16胡江峰查婷婷卢永超

火炮发射与控制学报 2020年3期

穆阳，胡江峰，查婷婷，杨维，卢永超

(西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099)

以太网是当前最为广泛应用的局域网技术，具有极大的带宽和成本优势，在军事领域也得到广泛应用。现代武器装备作战场景中，指挥所与作战单元一般距离较远，而利用非屏蔽双绞线，以太网的最远传输距离仅被限定在100 m以内，难以满足应用需求。这在一定程度上限制了其在武器装备有线通信中的应用。

针对武器装备的典型应用情况，结合上述以太网远程通信及同步存在的传输距离受限、同步精度低等问题，笔者提出了一种基于VDSL2调制技术的以太网远程通信及同步方法。

1 VDSL2接入技术介绍

在xDSL接入技术中，VDSL是目前使用最为广泛和成熟的以太网接入技术。其利用频分复用的原理，将数据信号和电话音频信号调制于各自频段而互不干扰。这样线路上不仅可以传输电话音频信号，同时还可以传输以太网数据信号。为了解决最后一公里的问题，使用VDSL2接入技术，其最大通信距离不小于2 000 m，在500 m距离上/下行速率可达15/45 Mbit/s.另外，VDSL2相比传统接入技术提高了传输距离。因此，被认为是未来主流的宽带接入技术[1]。

2 以太网同步方法概述

2.1 软同步方式

软同步方式一般是通过网络时钟同步协议来实现，包括NTP、SNTP、PTP等。其中，NTP可以使计算机对其服务器或时钟源(包括石英钟、GPS等)做同步化，将计算机时间同步到标准时间，可以在局域网上提供毫秒级的校正[2-4]。SNTP为简单网络时间协议，是由NTP协议改编而来，它主要是用来同步因特网中的时钟，适用于无需完全使用NTP功能的情况。PTP采用主从时钟方式工作，主时钟周期性地发布PTP时间同步协议及时间信息，从时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，据此算出线路时间延迟及主从时间差，利用该时间差来调整本地时间，从而使从设备时间保持与主设备时间一致的频率和相位[5-6]。

基于网络协议的同步方式的主要缺点是：NTP、SNTP协议的同步精度较低，而PTP同步方式除需要具备支持IEEE 1588时间协议的专用硬件外，其软件时钟算法也较为复杂。

2.2 硬同步方式

基于硬件的同步方式，主要依靠GPS接收机、UTC接收机或直接引入专用同步时钟信号线来进行时钟同步。

采用GPS接收机、UTC接收机同步的优点是精确度高，但也存在授时信号易受环境条件限制等问题。同时，还需要专用的GPS-OEM板等来采集GPS时钟信号[2]，设计过程复杂，价格昂贵。

使用专用同步信号线进行同步具有成本低、易实现等优点，近程传输情况下也可保证较高的同步精度。但是对于远程通信，同步信号长距离传输存在传输延迟，影响同步进度。

3 应用场景及同步设计

3.1 应用场景

目前，在武器装备实际应用中，有线通信方式基本是以太网通信为主，以太网数据同步则较多使用基于网络时钟同步协议的软同步方式和基于专用同步时钟信号的硬同步方式。

笔者设计了一种武器装备远程通信及同步方法。系统通信节点包括1个指挥中心和1个火力单元(可扩充)，通过1台以太网交换机进行数据路由和转发。同时，由以太网交换机提供专用RS485同步脉冲信号和以太网同步授时帧。根据距离交换机的远近，可将指挥中心定为本地节点，火力单元定为远程节点。本地节点通过交换机经由VDSL2模块调制后与远程节点进行通信，链路长度设定为500 m. 应用场景如图1所示。

3.2 基于VDSL2的同步设计

在同步方面，为了保证同步的精度和可靠性，系统采用软、硬相结合的方式对网络上的节点进行同步，同步发送周期为20 ms.

1)软同步设计。软同步方式是在硬同步失效情况下，在每个同步周期开始时刻，由交换机通过网络接口分发包含标准时间信息(年-月-日-时-分-秒-毫秒)的同步授时帧，软同步授时帧及其他网络数据接入本地端VDSL2模块网口，经VDSL2模块调制后传输至远程节点。远程节点接收经VDSL2模块解调后的同步授时帧，将同步帧包含的标准时间信息同步到本地时间，并开启定时，在20 ms同步周期内指定时刻发送相应数据。

2)硬同步设计。硬同步方法是在每个同步周期的开始时刻，由交换机通过RS485接口向各节点分发同步脉冲(上升沿有效)。利用VDSL2可将音频信号与以太网信号调制同传的原理，将硬同步RS485脉冲信号通过两芯差分线接入VDSL2模块话路口，通过VDSL2模块调制后与软同步授时帧和其他网络数据进行同传。图1中，VDSL2模块选用符合ITU-TG.993.2标准的Korenix Jet Con 2502 VDSL2扩展器。

由于同传时，硬同步脉冲通过VDSL2模块的话路口传输，同步脉冲会受到话路口阻抗匹配、带通滤波和长距离传输衰减等因素的影响，导致波形失真和延迟。因此，还需要设计图1中的同步脉冲调理模块来消除上述影响，对发生失真和延迟的同步脉冲进行恢复。VDSL2模块接口说明如表1所示。

表1 VDSL2模块接口说明

4 同步脉冲调理模块设计

4.1 基本原理

网络交换机发出的RS485同步脉冲信号传至本地同步脉冲调理模块C2口，并由同步脉冲调理模块处理后通过C1口传输至VDSL2模块话路口。本地VDSL2模块将网口数据与话路口硬同步脉冲信号通过VDSL2口经由500 m被复线同传至远端。

远端VDSL2模块通过VDSL2口接收同传数据，将其中包含同步帧的以太网数据通过网口传输至远程节点，将硬同步脉冲信号通过话路口传输至远端同步脉冲调理模块C1口，经同步脉冲调理模块处理后通过C2口传输至远程节点。

4.2 同步脉冲调理模块硬件设计

本系统中，同步脉冲调理模块分为本地端和远端两个部分，二者硬件结构相同。模块硬件构成主要包括CPLD、RS485接口电路、信号调理电路、电源模块等。结构框图如图2所示。

综合芯片容量需求及成本等因素，选择Altera公司MAXⅡ系列的EPM240芯片作为CPLD控制芯片，RS485接口控制芯片选择Maxim公司的MAX3485芯片。图2中，电源模块为系统提供输入电压。信号调理电路主要针对同步脉冲信号经VDSL2模块调制后可能产生的毛刺和抖动进行消除。同步脉冲调理模块具备两个独立的RS485串行接口，分别称为C1和C2接口。A端和B端分别为485总线上接收和发送的差分信号端，当A端电平高于B端时，代表发送数据1，否则为数据0.

同步脉冲调理模块接口说明如表2所示。

表2 同步脉冲调理模块接口说明

4.3 同步脉冲调理模块软件设计

利用ModelSim软件进行同步脉冲调理模块软件部分设计与仿真，包括本地端模块软件设计和远端模块软件设计两部分。主要功能是动态消除硬同步脉冲经远距离传输所产生的相位延时。软件流程如图3、4所示。

为避免直接回送信号导致总线冲突，远端模块将接收到的同步脉冲信号作2 ms延迟后传回本地模块；本地模块将本地发出的同步脉冲信号与远端传回的同步脉冲信号进行鉴相处理[7-9]，计算鉴相结果，再排除远端添加的2 ms延迟，这样即可得到同步脉冲信号经本地到远端来回产生的延时[10]。用这个延时除以2即得到单向延时。最后，对本地发出的同步脉冲信号补偿相应的相位即可达到消除延迟的目的。

5 同步测试

本设计利用串行总线分析仪等对系统同步性能进行了测试，测试内容包括硬同步信号经VDSL2模块调制前后波形比较、硬同步信号经同步脉冲调理模块处理前后波形比较、同步误差及信号频谱测试。

图5为本地端同步信号测试结果。其中，上方曲线1、2分别为本地端未经VDSL2调制与通过VDSL2调制后的硬同步脉冲信号波形，图5下方左侧为曲线1波形对应频谱，图右侧为曲线2波形对应频谱。

由图5波形曲线及对应频谱图可知：

1)硬同步脉冲信号经VDSL2模块调制后有一定程度的衰减和失真。

2)信号频谱由平坦分布变为集中在某些频段。

图6为本地端与远端硬同步脉冲信号传输情况。其中，图6上方曲线1、2分别为利用RS485信号下降沿检测恢复的本地端发出的同步脉冲TTL信号与远端接收的同步脉冲TTL信号。曲线3为相位提前1 ms的本地端发出的同步RS485脉冲信号与本地端收到远端返回的RS485同步脉冲信号的叠加波形，曲线4为相应远端接收及返回本地端的RS485同步脉冲信号的叠加波形，二者相互对应。

将图6曲线3、4虚线框部分放大后的测量结果如图7所示。

由图6、7波形曲线可知：远端接收的硬同步脉冲信号相较本地端发出的硬同步脉冲信号，在经过500 m被复线传输后，产生延迟约150 μs.

本地端经过鉴相同步后重建的同步脉冲波形如图8所示。

图8中曲线3、4分别为本地端与远端RS485脉冲信号波形，曲线1为本地端发出的原始同步脉冲TTL信号波形，曲线2为本地端经同步脉冲调理模块鉴相处理后重建的同步脉冲与远端返回的同步脉冲的叠加的TTL信号波形。由图8波形曲线可知：同步脉冲信号在经同步脉冲调理模块鉴相处理后，波形出现毛刺和杂波，因此在进行信号同步后还需要信号调理电路滤除毛刺和杂波。

将图8中曲线1、2各同步周期虚线框所示区域放大后进行测量即可得到同步误差测量结果，如图9所示。