一款基于芯片RC7017設計的PDH光端機和芯片故障排查

潘福初，秦莫萍

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引 言

PDH 光端機設備在作為一種點對點傳輸設備，具有統一的比特率，統一的標準，為不同廠家設備間的互聯提供了可能，網絡管理能力大大加強。同時采用字節復接技術，使網絡中上下支路十分簡單，使用操作簡單，在很多場合適用和具有優勢。基于芯片RC7017 設計的這款PDH 光端機具備了常用的E1 接口、話音接口和以太網接口，實用性強，性價比高；芯片RC7017 實際使用設計和其故障排查過程指導，完善其應用和排故。

1 光端機設計

1.1 接口需求

設計的PDH 光端機設備要具備以下功能接口和要求：（1）PDH 光接口數量：1 路；（2）以太網接口數量：1 路；（3）E1 接口數量：4 路；（4）二線話音接口數量：4 路；（5）交流電源接口（220 V）：1 路；本PDH 光端機設備為點對點應用，如圖1所示。

圖1 PDH 光端機點對點應用

1.2 設計方案

根據設備的功能接口要求，設備硬件實現可以按模塊化設計為四個部分：接口電路、數字信號光傳輸模塊、電源模塊和光模塊，如圖2所示。

圖2 光端機原理框圖

接口電路分為三部分：話音信號電路模塊、E1 接口電路、以太網接口電路，它主要完成接口阻抗變換和信號電平轉換工作。數字信號光傳輸模塊是以高速的PDH 芯片為核心，可以完成外圍的話音、以太網、E1 等業務的復接，最后通過線路接口發送到光模塊。光模塊的作用是把數字信號光傳輸模塊的數字信號轉換成光信號進行傳輸。

電源模塊為整個設備提供電源及相應的供電保護措施。

1.2.1 接口電路

接口電路用來通過機箱與其他電路或設備相連，接口電路主要是實現信號接口阻抗匹配和信號電平轉換工作。其分為三部分：話音信號電路模塊、E1 接口電路、以太網接口電路。話音信號處理電路模塊主要是完成四路用戶和中繼話音業務，接口電路采用集成的話音模塊，通過可編程電路控制四路話音模塊的工作和實現話音信號的復接和分接工作，完成轉換成E1 接口的復接和分接；E1 接口電路主要是完成2.048 Mbit/s 的E1 業務的HDB3 電平轉換工作，轉換后的信號可直接用PDH 芯片進行傳輸；以太網接口電路可以實現以太網信號的電平轉換工作，接口可實現10M/100M 接口自適應。

1.2.2 數字信號光傳輸模塊

數字信號光傳輸模塊是以高速的PDH 芯片為核心，配合外圍的以太網、E1 等接口芯片，完成將各種數字業務進行混合復用，最后通過線路接口發送到光模塊。

如圖3所示，以太網、E1 等信號進入設備后，經過相應的接口轉換芯片（話音模塊接口是通過轉換成E1）進入到PDH 芯片中，然后各種數據在成幀器中進行數據和開銷的復接。為了能夠實現光路的傳輸和時鐘的提取，復接后的數據要進行編碼，編碼完成后進行并/串轉換，最后產生PCML 線路發送數據，送到光模塊進行光電轉換。接收過程相反，光模塊將接收到的光信號轉換為PCML 線路接收數據發送到PDH 芯片，芯片內部首先進行時鐘提取和數據恢復，然后將恢復的數據利用線路提取的時鐘進行串/并轉換，解碼后送到解幀器，通過解幀器將數據進行分解，分解出各種業務數據，并進行誤碼統計和輸出指示。

圖3 數字信號光傳輸模塊原理框圖

本模塊使用的PDH 芯片型號為RC7017，可以很好地完成上述功能的實現，其具體參考管腳排列和管腳的定義說明詳見其使用用戶手冊，RC7017 集成了光線路處理功能，并具有兩組PCML 線路接口，可以在兩組PCML 接口之間實現保護倒換，每組PCML 接口均可實現ALS（Automatic Leaser Shutdown/Reduction）功能，可以直接與光收發模塊進行交互，簡化了設計。本光端機只有1 路光接口，所以采用1 組PCML 接口即可，上述數字信號光傳輸模塊的光發送和光接收設計采用市場上技術成熟的光收發一體模塊完成即可。

光端機只用1 路光接口，設計采用的PCML 接口為A 口，電路邏輯設計連接圖如圖4所示。

圖4 光口部分連接圖

芯片的E1 接口信號為差分信號，電路邏輯設計連接圖如圖5所示。

圖5 E1 接口電路連接圖

以太網接口電路邏輯設計連接圖如圖6所示。

圖6 以太網接口電路連接圖

1.2.3 電源模塊

電源模塊是設備正常工作的關鍵模塊之一，除了要滿足設備工作所需的功耗要求，還應該具有防雷擊、過壓過流保護等相關保護電路，并且滿足模擬電路對電源低紋波噪聲的要求。本光端機工作的芯片集成電路等電源都是5 V 及以下的電壓，可以設計輸出5 V 的電源盤來提供工作電源；其他5 V 以下的工作電源，采用專用5 V 電源轉換芯片，完成電源的轉換輸出。

電源盤是由交流濾波器、保護電路、AC/DC 變換模塊和DC/DC 變換模塊等組成，這些器件和模塊可以選用市場上價格合適，符合要求的功能模塊器件，不需單獨設計，其信號流程和原理如圖7所示。

圖7 電源模塊原理框圖

2 故障排查

根據上述方案設計的PDH 光端機，很好地完成設計需求，設備工作穩定可靠。在其調試生產過程中，設備工作不正常產生誤碼時，作為PDH 核心芯片的RC7017 是重點排查對象，我們排查芯片的思路可以從簡單到復雜仔細排查：

（1）芯片工作不正常，有時會發熱損壞，我們可以先檢查其外觀是否有燒毀發黃等現象存在，若沒有，我們可以進行下一步，通過使用儀器儀表測量其工作電壓是否正常，RC7017 的工作電壓是3.3 V，通過芯片資料文件可以知道管腳1，18，37，54，73，90，116，126，51（3.3 V 模擬電源，用于光接口）都是電源管腳，可以使用萬用表測量工作電壓值，如果電壓值不是3.3 V，需要排查是RC7017 故障引起的電源不正常，還是提供電源的電路輸出不正常。

（2）排除了電壓故障的情況下，我們可以測量其時鐘輸入是否正常，其系統時鐘輸入管腳有兩個，影響系統的工作，分別為24 管腳CLK65MI（系統時鐘，頻率為65.536 MHZ/±50 PPM，電壓值5 V），49 管腳CLK9MI（系統時鐘，頻率為9.375 MHZ/±30 PPM，電壓值5 V），還有以太網工作使用的MII 接口工作時鐘管腳為72 腳MTXC 和74 腳MRXC，我們使用合適的示波器來測量時鐘，要觀察波形、幅度，毛刺，頻率值等，如果時鐘有問題，則會導致芯片相應功能部分錯誤。

（3）作為與光接口轉換連接的PCML 接口，其數據異常等現象，會導致后面的光數據異常傳到給對方的設備，可以使用示波器來測量信號，觀察有無異常。如果排查了以上步驟都無異常發現，可以從芯片自帶的調試功能配置來排查。光口環回排查，RC7017 具備本地環回功能，可以通過管腳LINE_LOOPI 或者UART 接口指令設置，通過設置環回來判斷光模塊到芯片光接口內部寄存器線路是否工作正常。RC7017 支持E1 支路的本地和對端環回，E1 支路環回控制通過E1_LOOPI 管腳輸入，本地還是對端環回通過LOOP_FN_SELI 管腳選擇；在使用中，可以通過外接器件對8 路E1 支路單獨設置環回，也可以用一個撥碼開關統一設置環回，E1 支路環回控制還可以通過UART 接口指令設置，在配置指令中有8 bit 本地指令環回控制和8 bit 對端指令環回控制；當E1 誤碼時，可以使用此操作來判斷本端或者對端線路到芯片寄存器的工作是否正常。RC7017 芯片E1 環回的兩個方向如圖8所示。

圖8 E1 環回兩種方式圖

（4）以上排查方法基本可以解決芯片RC7017常見故障，但有時也會遇到疑難特例問題，需要具體單獨分析解決。下面是某種比較難排查的故障現象：在一次實際調試過程中，發現光端機光路接收正常，但所有業務不通的故障。故障條件下通過FPGA 程序操作RC7017 的UART 接口對E1 進行軟件環回，業務正常；和正常設備單向對測，發現是光發送方向故障，環回RC7017 輸出PCML 差分電信號，故障復現，初步確認故障原因為RC7017 發送電信號故障，與光模塊無關。用200 M 示波器測量RC7017 發送PCML 電信號，發現經過匹配電路后進入光模塊的PCML 電信號幅度明顯變低，而RC7017 從光模塊接收到的PCML 電信號無明顯衰減，檢查電路原理圖發現匹配電路完全按RC7017 芯片手冊推薦電路設計。常溫觀察常溫故障業務板光發送信號眼圖很差，信號抖動較大，經常超出模板；同時觀察低溫工作時，故障業務板光發送信號眼圖較差，信號也抖動較大，已經很接近模板邊沿。把發送眼圖故障情況錄像反饋RC7017 芯片廠家后，廠家建議查看RC7017 的輸出PCML 信號波形；使用4G 高速示波器，測量RC7017 的輸出PCML 信號波形發現疊加有約1.3 MHz 低頻干擾信號。斷開和光模塊連接的耦合電容后去掉光模塊信號連接，干擾信號仍存在，確定干擾信號為RC7017 芯片本身產生。嘗試斷開RC7017 外圍時鐘以及RC7017 復位信號強制拉低，RC7017 PCML 信號輸出端干擾信號仍然存在。因為之前已經換過不同批次RC7017芯片，基本可以排除芯片問題，懷疑可能是芯片外圍電路引起RC7017 產生自激震蕩疊加到PCML 信號輸出端。通過分析電路原理圖，逐漸縮小范圍到BIASEO 管腳接入外圍偏置電路。光接口的外圍電路如圖4所示。拆除C89 后干擾信號消除，測量拆下來的C89 電容（0603-1 μF）容值只有0.1 μF，而設計本身要求C89 電容值為1 μF，重新焊接C89 電容為0603-1 μF 后，干擾信號消除，常溫發送眼圖穩定，業務正常無誤碼，故障未復現。

3 結 論

基于RC7017 芯片設計的PDH 光端機能提供E1、話音、以太網接口，技術成熟，設計不復雜，可通過點對點光纜連接傳輸應用。通過排查工作電壓、時鐘、PCML 接口數據、控制人為生產錯焊等手段可以很好地決PDH 芯片RC7017的故障排查。