一種被覆線傳輸模塊的設計與實現

亢潤東 白小燕

（中國電子科技集團公司第五十四研究所河北石家莊050081）

1 引言

無論在民用或軍用領域中，被覆線都獲得了廣泛的應用。在民用方面如搶險救災等應急任務中，在軍用方面如野戰通信網的被覆線傳輸設備中。被覆線的這些應用源于其輕便、強度高、經濟實用、利于鋪設的特點，可快速建立通信，贏得寶貴的時間。所以開發用在被覆線上的遠距離傳輸設備具有重要意義。被覆線傳輸設備將本地的數字業務信息復接、編碼并調制成適于被覆線傳輸的模擬信號，其中關鍵的部分稱為傳輸模塊。M28945與M28927是美國Mindspeed公司開發的傳輸組件，支持PCM接口及最新的G.SHDSL標準。介紹了該傳輸芯片組的性能、結構特點及基于其的傳輸模塊軟硬件的實現。

2 被覆線

傳統銅線造價較高，重量大，鋪設不靈活、難度大。信號在雙絞銅線做傳輸媒介傳輸時高頻部分衰減較大，易失真[1]。在低頻部分相頻特性呈非線性，會產生群時延失真，造成碼間串擾。另外，傳統銅線較長距離內2根線路是緊貼在一起的，線路之間易產生串音。

被覆線以鍍錫或鍍鋅鋼線混絞線為導體，外包聚乙烯或聚氯乙烯來絕緣，經雙絞成型（所用被覆線單根線徑0.25 mm）。輕便抗拉、抗老化。2根導線互絞可提高信號抗干擾能力，將串擾減至最小或加以消除。鍍錫或鍍鋅可提高雙絞線的抗電磁干擾能力。無屏蔽外套，直徑小，節省空間，獨立靈活方便鋪設。由于采用了最新的G.SHDSL標準中的TC-PAM作為線路傳輸碼，壓縮了傳輸頻譜，抗噪聲性能提高[2]。被覆線傳輸性能基本等同于雙絞線，但雙絞線遠不如被覆線抗干擾、抗拉、抗腐蝕性強。另外，被覆線收放使用還很方便，所以設計選用了被覆線來作為傳輸介質。

3 傳輸芯片組

G.SHDSL即單對高比特率數字用戶線，是ITU推薦的在雙絞線上對稱雙向傳輸寬帶數據的一種技術，它兼容了迄今為止以往所有DSL技術功能特點，傳輸容量192 kbps～2 312 kbps，8 kbps步進，可以用于話音、數據、視頻等多種傳輸業務[3]。M28945和M28927是美國敏訊公司開發的支持G.SHDSL傳輸協議的芯片組，分別負責數字信號收發、AFE（模擬前端）及線路驅動。

數字信號收發芯片M28945主要由8051內核、ATM與物理層接口信號處理、DSL成幀器、DSP處理器等功能模塊組成。設計主要通過PCM接口接收來自復分接器的碼流，對與外部物理層設備的UTOPIA接口沒有應用。模擬前端芯片M28927主要由DAC、ADC、信號濾波、增益控制、線路驅動等功能模塊組成，完成數字信號與DSL線路信號的轉換。對外提供數字接口和模擬接口。數字接口即與M 28945的AFE串行數據接口（與內部DSP模塊相連）。模擬接口即與被覆線的線路驅動接口。

4 系統軟硬件設計與實現

系統架構簡圖如圖1所示，設計方案分軟硬件2部分來說明。

圖1 系統架構圖

4.1 軟件設計

軟件實現按功能可分為M28945初始化自啟動和主控制CPU（W77E58）處理2部分。軟件工作流程如圖2所示。

圖2 軟件工作流程圖

(1)M28945自啟動

由圖2，M28945芯片內的ROM固化有初始化啟動程序。當系統加電時，程序啟動并完成初始化，完成對各個功能寄存器進行默認值的寫入等操作。

(2)主控制CPU處理

M28945數字信號收發芯片的內部沒有為G.SHDSL底層操作碼留有存儲空間，只能通過每次上電時將外部存儲器（FLASH）內的G.SHDSL底層操作碼由主控制CPU（W77E58）引導進RAM。然后，主控制CPU通過串口收發API（應用數據編程接口）指令與M28945進行通信，M28945內部的8051內核完成解析API命令的功能，隨后送給相應的管理器執行來完成系統功能。特別指出，編寫主控制CPU對M28945的配置程序時應遵守API消息格式[4]，格式如表1和表2所示。

表1 輸入API消息格式[5]

表2 輸出API消息格式[5]

4.2 硬件設計

由圖1的系統架構圖，單片機系統與芯片組具體信號連接關系如圖3所示。系統上電后,M28945的8051微處理器內核執行其內部程序ROM(2KB，不可編程)的初始化啟動程序。初始化完成后，M28945通過串口（P31_TXD0）給主控制CPU（W77E58）串口（RXD）中斷,主控制CPU響應后，主程序轉向下載子程序,通過RS232接口，引導外部FLASH（AT29C010A）內的G.SHDSL底層操作碼進入M28945內的RAM中。引導完成后，主控制CPU通過API消息對系統進行配置和狀態信息讀取。

圖3 單片機系統與芯片組的信號連接

當芯片組被配置完后正常工作時，來自復分接器的鐘碼先通過PCM接口（TPCLK、TPDAT）送予M28945。接著鐘碼進入DSL模塊，輸入數據封裝成DSL鏈路幀。成幀后進入DSP模塊的發送器，進行柵格編碼、成形濾波，再通過AFE串行口將數字信號傳給M28927，經片上線路驅動放大后以差分信號形式（LDOP,LDON）送到被覆線。

接收信息時，M28927將被覆線上的模擬差分信號（VXP,VXN）進行放大，濾波，模數變換，再通過AFE串口將數據送到M28945內的DSP模塊接收器中。因為線路是全雙工通信，在差分信號VXP,VXN中既存在對端發來的有用信號又存在本端發送信號時耦合到自身的干擾回波信號。如圖4所示，平衡混合電路對傳輸線建立數學模型，發送信號通過其后產生一階近似回波，此回波（由差分信號VHP,VHN表示）傳送回M28927內部與線路收到的差分信號VXP,VXN作減法，即得到真正由對端發來的信號。盡管DSP模塊接收器內部有數字抵消器，混合電路還是非常有存在的必要。因為對M28927內的ADC來說，首先在片外減去一階回波信號可有效降低輸入信號電平，這樣就防止了溢出現象的發生，實現了優越的數字信號處理性能[6]。

圖4 線路接口示意圖

DSP模塊既接收AFE串行數字信號（混有殘余回波）又收到DSL模塊發來的經預編碼的數字信號，將這些符號送到數字回波抵消器進行評估，從接收到的AFE串行信號中減去殘余回波響應即得到真正由對端發來的信號，然后輸出給線路均衡器、柵格譯碼后恢復出信息比特。最終經PCM接 口 （RPCLK、RPDAT）送給分接器。線路驅動外圍電路是設計中的重要部分，電路圖如5所示。

圖5 線路驅動外圍電路

其中R12,R14,C7和R13,R15,C8各組成一個低通濾波器，模型如圖 5所示。網絡傳輸函數

，

令R12=R14,得。則截止頻率，目的是消除鏡像頻譜。

另外，根據SHDSL標準，線路標準負載阻抗135歐姆。根據公式 ，可確定線路阻抗匹配電阻R12～R15，其中n為變壓器匝數比（M28927廠家手冊中規定為了獲得足夠的線路驅動電壓，匝數比定為2）。C1,C9,C13跨接在差分信號之間用于抑制差模干擾，防止單條線路受到外界干擾。R5與C3串聯后接在輸入端VHP對芯片內部電路起到隔直限流的保護作用，R6與C4、R16與C11、R17與C12的串聯作用與之相同。

阻容網絡 C2，C5，C6，R7～R11構成平衡混合電路，發端耦合信號通過它后產生發端信號的近似回波。在進行關鍵的PCB布線時，建議要做到下面3點：①差分對信號VXP、VXN與VHP、VHN均要盡可能做到等長度布線，盡可能靠近，盡可能布線要短；②個阻容網絡C1,C3,C4,R5,R6和C11,C12,C13,R16,R17在元器件布置時均要盡可能靠近M28927，避免寄生電容等干擾情況出現；③M28927的兩組線路信號LD_ML、LD_MH和LD_PL、LD_PH之間需要電容補償，這2個電容要盡量靠近M28927放置。

5 結束語

基于M28945和M28927芯片組實現了將數字信號通過被覆線進行遠傳的功能模塊。經測試，當數字信號速率為2 048 kbps時，傳輸距離可達4 km。能夠滿足大部分的有線傳輸需求。另外，設計中外置的FLASH存儲器（AT29C010A）雖然成本較低，但封裝體積較大，印制板面積利用率較低，外圍電路接線較繁，不利于小型化設計。下一步計劃采用內部具有較大容量FLASH的嵌入式處理器（如ARM）來替換，提高設備集成度。

[1]張繼榮.銅纜用戶接入網技術[J].西安郵電學院學報,1998(1):45-50.

[2]葉宇熙,肖鵬,楊遠君.SHDSL接入技術及其應用[J].電信科學,2004,20(3):36-38.

[3]譚文群,侯友國,李院民.G_SHDSL技術在小型水電站自動監控中的應用[J].微計算機信息，2007(3):39-41.

[4]徐愛鈞.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京:電子工業出版社,1998

[5]李恩,何鋒,丁明吉.基于M28945和M28927的G_SHDSL傳輸設備的設計[J].世界電子元器件,2007(2):60-64.

[6]詹特倫,劉偉平,黃紅斌,陳舜兒.基于CX28975芯片組帶E1接口的G_SHDSL設備的設計與實現[J].電信科學，2005(3):50-52.