西安西北工業(yè)大學(xué)（710072）史國(guó)煒 陳 明
西安中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)工程院（710086） 梁晉濤
摘要：介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）的同步數(shù)字體制（SDH）數(shù)字交叉連接（SDXC）矩陣的設(shè)計(jì)原理，該矩陣可以實(shí)現(xiàn)2條STM-1輸入信號(hào)中126個(gè)TU-12支路之間任意的無(wú)阻塞交叉連接。該交叉連接矩陣使SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)具有靈活的組網(wǎng)方式及有效的自動(dòng)化管理和維護(hù)功能。
關(guān)鍵詞：同步數(shù)字體制（SDH） SDH數(shù)字交叉連接（SDXC） 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）
SDH數(shù)字交叉連接（SDXC）設(shè)備是SDH光纖傳輸網(wǎng)的重要網(wǎng)元，是一種兼有復(fù)用、配線、保護(hù)/恢復(fù)、監(jiān)控和網(wǎng)管的多功能傳輸設(shè)備。SDXC設(shè)備的核心器件是交叉連接矩陣，用以實(shí)現(xiàn)N條輸入信號(hào)中一定等級(jí)的各個(gè)支路之間任意的交叉連接。
目前國(guó)外進(jìn)口的SDXC專(zhuān)用集成電路，由于為了兼顧各種不同速率信號(hào)間的交叉連接，大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能冗余、價(jià)格昂貴。本文介紹了一種根據(jù)實(shí)際傳輸系統(tǒng)需要而設(shè)計(jì)的SDXC矩陣，由于功能專(zhuān)一，因而其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPGA）即可實(shí)現(xiàn)。該SDXC矩陣可以實(shí)現(xiàn)2條STM-1輸入信號(hào)中126個(gè)TU-12支路之間任意的完全無(wú)阻塞交叉連接，已成功地應(yīng)用于我部研制的SDH光纖傳輸系統(tǒng)（155Mbps）中。
1 STM-1的復(fù)用結(jié)構(gòu)
本文所介紹的SDXC矩陣是一個(gè)雙入雙出交叉連接矩陣，輸入輸出碼流為STM-1信號(hào)，最小交叉連接單位為STM-1幀結(jié)構(gòu)中的1列（4列構(gòu)成1個(gè)TU-12）。為了說(shuō)明該SDXC矩陣交換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有必要先對(duì)STM-1的幀結(jié)構(gòu)以及STM-1信號(hào)中低階信號(hào)向高階信號(hào)復(fù)用的過(guò)程及結(jié)構(gòu)作一個(gè)分析。
如圖1所示，國(guó)際電聯(lián)在ITU-T G.707中，對(duì)STM-1信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)作了規(guī)定。規(guī)定STM-1幀由9行270列的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成。傳輸時(shí)按由左到右、由上到下的順序排成串行碼流依次傳輸，幀周期為125μs。其中第一行包含9個(gè)開(kāi)銷(xiāo)字節(jié)和261個(gè)凈荷字節(jié)（圖中陰影部件）。開(kāi)銷(xiāo)區(qū)域又分為段開(kāi)鎖區(qū)（SOH）和管理單元指針區(qū)。SOH主要包含幀的配置、操作及管理信息。指針用來(lái)指示數(shù)據(jù)在凈荷區(qū)的實(shí)際起始點(diǎn)。凈荷區(qū)包含數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)以及低階信號(hào)在向高階信號(hào)復(fù)用時(shí)所加入的通道開(kāi)銷(xiāo)。
在我們的設(shè)計(jì)中，最小的交換支路單元為T(mén)U-12，它在STM-1信號(hào)中的復(fù)用過(guò)程如圖2所示。
首先，準(zhǔn)同步信號(hào)E1進(jìn)入容器C-12，再經(jīng)過(guò)碼速調(diào)整被映射進(jìn)虛容器VC-12，然后經(jīng)指針調(diào)整被適配到支路單元TU-12中，由TU-12開(kāi)始實(shí)現(xiàn)低階信號(hào)向高階信號(hào)的復(fù)用。3個(gè)TU-12的時(shí)隙數(shù)據(jù)通過(guò)字節(jié)間插復(fù)用成1個(gè)支路單元組TUG-2；7個(gè)TUG-2通過(guò)7個(gè)字節(jié)的字節(jié)間插復(fù)用成1個(gè)更大的支路單元組TUG-3；同樣，3個(gè)TUG-3通過(guò)3字節(jié)的間插復(fù)用進(jìn)入慮容器VC-4，然后再經(jīng)指針調(diào)整被適配進(jìn)管理單元AU4及管理單元組AUG，最后加上開(kāi)銷(xiāo)部分構(gòu)成SDH的STM-1幀。
我們可以用圖3來(lái)說(shuō)明了63個(gè)TU-12映射和復(fù)用到一個(gè)STM-1幀（確切地說(shuō)是VC-4）中的過(guò)程以及各個(gè)TU-12在VC-4中位置。
如圖3所示，每個(gè)VC-4所包含的3個(gè)TUG-3可以被編號(hào)為1～3，每個(gè)TUG-3所包含的7個(gè)UTG-2可以被編號(hào)為1～7，而每個(gè)TUG-2所包含的3個(gè)TU-12又可以被編號(hào)為1～3。注意，由圖可以看出，每個(gè)TU-12在STM-1中占4列。我們可以用K、L、M來(lái)表示某個(gè)TU-12在STM-1中的位置，其中M表示該TU-12的在TUG-2中的編號(hào)，L表示它所在的TUG-2號(hào)（1～7），K表示它所在的TUG-3號(hào)（1～3）。則TU-12（K，L，M）在VC-4中的列數(shù)可用下面的公式表示：
列數(shù)=10+[K-1]+3×[L-1]+21×[M-1]+63×[X-1],其中X=1～4。
例如，TU-12（1，1，1）位于VC-4的第10、73、136、199列；而TU-12（3，7，3）位于VC-4的第72、135、198、261列。
由此可以看出，STM-1中的TU-12 交換實(shí)際上是STM-1中列的交換。
假設(shè)要將TU-12（1，1，1）交換到TU-12（3，7，3）的位置上，只需鈄VC-4的第10、73、136、199列交換到VC-4的第72、135、198、261列。需要注意的是，這種交換的實(shí)現(xiàn)必須要保證AU-4的指針調(diào)整要被TU的指針調(diào)整所吸收，使STM-1中的TU處于固定的位置以便進(jìn)行交換。
2 SDXC交叉矩陣的設(shè)計(jì)原理
如圖4所示，我們所設(shè)計(jì)的SDXC矩陣是一個(gè)雙入雙出交叉連接矩陣，它包含兩上交換單元。每個(gè)交換單元實(shí)現(xiàn)兩路STM-1碼流的單步無(wú)阻塞時(shí)隙交換。每次時(shí)隙交換以STM-1幀中的1行（270字節(jié)）為單位，因此交換幀的速率為STM-1幀速率的9倍。同一個(gè)交換單元中的兩個(gè)時(shí)隙交換器與同一條輸出總線相連，并且由同一個(gè)連接存儲(chǔ)器控制。
圖5為交換單元的結(jié)構(gòu)框圖。每個(gè)交換單元包含一對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，一個(gè)連接存儲(chǔ)器以及一個(gè)輸出復(fù)用器。下面分別介紹。
2.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
如圖5所示，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包含兩頁(yè)容量均為270×8bit的雙口RAM，由它們構(gòu)成雙緩存的交換核。在每一個(gè)交換幀周期中，輸入STM-1碼流數(shù)據(jù)在時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的寫(xiě)地址的控制下，被順序地寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一頁(yè)RAM（非激活頁(yè)）中。
同時(shí)按照連接存儲(chǔ)器提供的地址表，將上一個(gè)交換幀所寫(xiě)入的STM-1碼流數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的另一頁(yè)RAM（激活頁(yè)） 中讀出來(lái)。這兩頁(yè)RAM的功能（讀、寫(xiě)）將在每個(gè)交換幀的邊界翻轉(zhuǎn)，這樣可以使每個(gè)交換幀輸出的碼流具有固定的幀延遲（1個(gè)交換幀周期，約為14μs），以便最終形成完整連續(xù)的STM-1輸出數(shù)據(jù)碼流。每個(gè)交換單元所包含的兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，分別對(duì)應(yīng)于交換單元的兩個(gè)輸入總線。
2.2連接存儲(chǔ)器
參看圖5，連接存儲(chǔ)器由雙頁(yè)容量均為270×13bit的雙口RAM構(gòu)成。在每一個(gè)交換幀周期內(nèi)，交換信息在時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的讀地址的控制下，被順序地由連接存儲(chǔ)器的激活頁(yè)中讀出來(lái)，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀地址和輸出復(fù)用器的控制信息。通過(guò)一條共同的總線接口，可讀寫(xiě)連接存儲(chǔ)器，因此連接存儲(chǔ)器具有可編程性。通過(guò)編程即可對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和輸出復(fù)用器的交叉動(dòng)作進(jìn)行配置，這種配置以時(shí)隙為單元。我們可以將預(yù)定的交叉連接信息寫(xiě)入連接存儲(chǔ)器的非激活頁(yè)，而后在交換幀的邊界對(duì)這兩頁(yè)RAM的功能（讀、寫(xiě)）進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。
2.3 輸出復(fù)用器
參看圖5，輸出復(fù)用器由選擇邏輯構(gòu)成，這些邏輯由連接存儲(chǔ)器控制，因此也是可編程的。輸出復(fù)用器的功能是選擇交換單元輸出時(shí)隙的數(shù)據(jù)源（輸入A、輸入B）。
這樣，通過(guò)兩個(gè)交換單元即可對(duì)兩條輸入的STM-1碼流中的TU-12支路進(jìn)行任意的時(shí)隙交換和交叉連接，形成兩條支路重組的STM-1輸出碼流。
本文介紹了一種根據(jù)實(shí)際傳輸系統(tǒng)需要而設(shè)計(jì)的基于FPGA的SDXC矩陣。該交叉連接矩陣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低廉等特點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于我部研制的SDH光纖傳輸系統(tǒng)（155Mbps）中。
