一种被覆线传输模块的设计与实现

亢润东 白小燕

（中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081）

1 引言

无论在民用或军用领域中，被覆线都获得了广泛的应用。在民用方面如抢险救灾等应急任务中，在军用方面如野战通信网的被覆线传输设备中。被覆线的这些应用源于其轻便、强度高、经济实用、利于铺设的特点，可快速建立通信，赢得宝贵的时间。所以开发用在被覆线上的远距离传输设备具有重要意义。被覆线传输设备将本地的数字业务信息复接、编码并调制成适于被覆线传输的模拟信号，其中关键的部分称为传输模块。M28945与M28927是美国Mindspeed公司开发的传输组件，支持PCM接口及最新的G.SHDSL标准。介绍了该传输芯片组的性能、结构特点及基于其的传输模块软硬件的实现。

2 被覆线

传统铜线造价较高，重量大，铺设不灵活、难度大。信号在双绞铜线做传输媒介传输时高频部分衰减较大，易失真[1]。在低频部分相频特性呈非线性，会产生群时延失真，造成码间串扰。另外，传统铜线较长距离内2根线路是紧贴在一起的，线路之间易产生串音。

被覆线以镀锡或镀锌钢线混绞线为导体，外包聚乙烯或聚氯乙烯来绝缘，经双绞成型（所用被覆线单根线径0.25 mm）。轻便抗拉、抗老化。2根导线互绞可提高信号抗干扰能力，将串扰减至最小或加以消除。镀锡或镀锌可提高双绞线的抗电磁干扰能力。无屏蔽外套，直径小，节省空间，独立灵活方便铺设。由于采用了最新的G.SHDSL标准中的TC-PAM作为线路传输码，压缩了传输频谱，抗噪声性能提高[2]。被覆线传输性能基本等同于双绞线，但双绞线远不如被覆线抗干扰、抗拉、抗腐蚀性强。另外，被覆线收放使用还很方便，所以设计选用了被覆线来作为传输介质。

3 传输芯片组

G.SHDSL即单对高比特率数字用户线，是ITU推荐的在双绞线上对称双向传输宽带数据的一种技术，它兼容了迄今为止以往所有DSL技术功能特点，传输容量192 kbps～2 312 kbps，8 kbps步进，可以用于话音、数据、视频等多种传输业务[3]。M28945和M28927是美国敏讯公司开发的支持G.SHDSL传输协议的芯片组，分别负责数字信号收发、AFE（模拟前端）及线路驱动。

数字信号收发芯片M28945主要由8051内核、ATM与物理层接口信号处理、DSL成帧器、DSP处理器等功能模块组成。设计主要通过PCM接口接收来自复分接器的码流，对与外部物理层设备的UTOPIA接口没有应用。模拟前端芯片M28927主要由DAC、ADC、信号滤波、增益控制、线路驱动等功能模块组成，完成数字信号与DSL线路信号的转换。对外提供数字接口和模拟接口。数字接口即与M 28945的AFE串行数据接口（与内部DSP模块相连）。模拟接口即与被覆线的线路驱动接口。

4 系统软硬件设计与实现

系统架构简图如图1所示，设计方案分软硬件2部分来说明。

图1 系统架构图

4.1 软件设计

软件实现按功能可分为M28945初始化自启动和主控制CPU（W77E58）处理2部分。软件工作流程如图2所示。

图2 软件工作流程图

(1)M28945自启动

由图2，M28945芯片内的ROM固化有初始化启动程序。当系统加电时，程序启动并完成初始化，完成对各个功能寄存器进行默认值的写入等操作。

(2)主控制CPU处理

M28945数字信号收发芯片的内部没有为G.SHDSL底层操作码留有存储空间，只能通过每次上电时将外部存储器（FLASH）内的G.SHDSL底层操作码由主控制CPU（W77E58）引导进RAM。然后，主控制CPU通过串口收发API（应用数据编程接口）指令与M28945进行通信，M28945内部的8051内核完成解析API命令的功能，随后送给相应的管理器执行来完成系统功能。特别指出，编写主控制CPU对M28945的配置程序时应遵守API消息格式[4]，格式如表1和表2所示。

表1 输入API消息格式[5]

表2 输出API消息格式[5]

4.2 硬件设计

由图1的系统架构图，单片机系统与芯片组具体信号连接关系如图3所示。系统上电后,M28945的8051微处理器内核执行其内部程序ROM(2KB，不可编程)的初始化启动程序。初始化完成后，M28945通过串口（P31_TXD0）给主控制CPU（W77E58）串口（RXD）中断,主控制CPU响应后，主程序转向下载子程序,通过RS232接口，引导外部FLASH（AT29C010A）内的G.SHDSL底层操作码进入M28945内的RAM中。引导完成后，主控制CPU通过API消息对系统进行配置和状态信息读取。

图3 单片机系统与芯片组的信号连接

当芯片组被配置完后正常工作时，来自复分接器的钟码先通过PCM接口（TPCLK、TPDAT）送予M28945。接着钟码进入DSL模块，输入数据封装成DSL链路帧。成帧后进入DSP模块的发送器，进行栅格编码、成形滤波，再通过AFE串行口将数字信号传给M28927，经片上线路驱动放大后以差分信号形式（LDOP,LDON）送到被覆线。

接收信息时，M28927将被覆线上的模拟差分信号（VXP,VXN）进行放大，滤波，模数变换，再通过AFE串口将数据送到M28945内的DSP模块接收器中。因为线路是全双工通信，在差分信号VXP,VXN中既存在对端发来的有用信号又存在本端发送信号时耦合到自身的干扰回波信号。如图4所示，平衡混合电路对传输线建立数学模型，发送信号通过其后产生一阶近似回波，此回波（由差分信号VHP,VHN表示）传送回M28927内部与线路收到的差分信号VXP,VXN作减法，即得到真正由对端发来的信号。尽管DSP模块接收器内部有数字抵消器，混合电路还是非常有存在的必要。因为对M28927内的ADC来说，首先在片外减去一阶回波信号可有效降低输入信号电平，这样就防止了溢出现象的发生，实现了优越的数字信号处理性能[6]。

图4 线路接口示意图

DSP模块既接收AFE串行数字信号（混有残余回波）又收到DSL模块发来的经预编码的数字信号，将这些符号送到数字回波抵消器进行评估，从接收到的AFE串行信号中减去残余回波响应即得到真正由对端发来的信号，然后输出给线路均衡器、栅格译码后恢复出信息比特。最终经PCM接 口 （RPCLK、RPDAT）送给分接器。线路驱动外围电路是设计中的重要部分，电路图如5所示。

图5 线路驱动外围电路

其中R12,R14,C7和R13,R15,C8各组成一个低通滤波器，模型如图 5所示。网络传输函数

，

令R12=R14,得。则截止频率，目的是消除镜像频谱。

另外，根据SHDSL标准，线路标准负载阻抗135欧姆。根据公式 ，可确定线路阻抗匹配电阻R12～R15，其中n为变压器匝数比（M28927厂家手册中规定为了获得足够的线路驱动电压，匝数比定为2）。C1,C9,C13跨接在差分信号之间用于抑制差模干扰，防止单条线路受到外界干扰。R5与C3串联后接在输入端VHP对芯片内部电路起到隔直限流的保护作用，R6与C4、R16与C11、R17与C12的串联作用与之相同。

阻容网络 C2，C5，C6，R7～R11构成平衡混合电路，发端耦合信号通过它后产生发端信号的近似回波。在进行关键的PCB布线时，建议要做到下面3点：①差分对信号VXP、VXN与VHP、VHN均要尽可能做到等长度布线，尽可能靠近，尽可能布线要短；②个阻容网络C1,C3,C4,R5,R6和C11,C12,C13,R16,R17在元器件布置时均要尽可能靠近M28927，避免寄生电容等干扰情况出现；③M28927的两组线路信号LD_ML、LD_MH和LD_PL、LD_PH之间需要电容补偿，这2个电容要尽量靠近M28927放置。

5 结束语

基于M28945和M28927芯片组实现了将数字信号通过被覆线进行远传的功能模块。经测试，当数字信号速率为2 048 kbps时，传输距离可达4 km。能够满足大部分的有线传输需求。另外，设计中外置的FLASH存储器（AT29C010A）虽然成本较低，但封装体积较大，印制板面积利用率较低，外围电路接线较繁，不利于小型化设计。下一步计划采用内部具有较大容量FLASH的嵌入式处理器（如ARM）来替换，提高设备集成度。

[1]张继荣.铜缆用户接入网技术[J].西安邮电学院学报,1998(1):45-50.

[2]叶宇熙,肖鹏,杨远君.SHDSL接入技术及其应用[J].电信科学,2004,20(3):36-38.

[3]谭文群,侯友国,李院民.G_SHDSL技术在小型水电站自动监控中的应用[J].微计算机信息，2007(3):39-41.

[4]徐爱钧.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京:电子工业出版社,1998

[5]李恩,何锋,丁明吉.基于M28945和M28927的G_SHDSL传输设备的设计[J].世界电子元器件,2007(2):60-64.

[6]詹特伦,刘伟平,黄红斌,陈舜儿.基于CX28975芯片组带E1接口的G_SHDSL设备的设计与实现[J].电信科学，2005(3):50-52.