基于CX28975芯片组带多种接口的G.SHDSL传输设备的设计与实现

林晓峰+张云勇

【摘 要】通过对美国敏讯（Mindspeed）公司开发的CX28975芯片组的结构和特性进行介绍，分析了该芯片组的工作原理，并提出了一种利用该芯片组设计的带以太网、UART接口的G.SHDSL多速率传输设备的软硬件实现方案和程序流程，最终根据该方案实现了在一对双绞线上传输对称的、全双工的信号。

【关键词】G.SHDSL CX28975 以太网 PowerPC

1 引言

G.SHDSL是在一对双绞线或其它传输特性相似的金属传输线上传输双向对称宽带业务的一种技术，遵循ITU-T G.991.2协议标准。与传统的ADSL技术不同，G.SHDSL支持双向对称通信，其最令人瞩目的改进就是解决了DSL技术的频谱兼容性问题[1-2]，大大延长了传输距离。

该技术的另一个优势是较高的对称宽带。采用16级TC-PAM线路编码的SHDSL收发器，每对双绞线可提供192kbit/s～2.312Mbit/s的对称速率，而对于扩展应用所支持的4线捆绑传输模式提供加倍的宽带[3-4]。G.SHDSL能够自动适应各种传输速率，用户可以方便地在各类新旧应用模式中灵活配置，服务提供商也能够据此提供服务层应用，满足用户多样化的需求。G.SHDSL帧模式传输的高效性和低延时，保证了对语音、视频以及高速数据等多种业务的良好支持。

2 CX28975性能特性

2.1 硬件特性

CX28975芯片组由集成电路M28945（DSL成帧器与DSP）、M28927（AFE）实现，其实现了在一对双绞传输线上全双工、长距离数字传输功能。从应用的角度看，可看作数据调制解调器，即通过对数据的处理，使其变换为适于在线路上进行长距离传输的形式。CX28975收发器主要组成部分及信号流程如图1所示：

在发送方向，PCM信号（时钟、数据、帧格式）经DSL成帧器转换成SHDSL帧，SHDSL帧在DSP单元经TC-PAM编码、滤波得到所需的时域和频域特性，送到AFE（模拟前端）单元，经D/A、滤波、线路驱动后传送到传输线路；在接收方向，传输线路接收的信号送入AFE单元，经接收放大、A/D变换送入DSP单元，在DSP单元，接收信号与回波抵消器信号混合以抵消发送串扰信号，之后经均衡、解码，恢复出比特信息，恢复的SHDSL帧信号经DSL成帧器还原为PCM信号。MCU为收发器内部微控制器，起到内部控制管理和对外通信的作用，外部处理器通过主机接口或串行通信口对收发器进行控制。

2.2 软件特性

SHDSL收发器与外部处理器之间的通信基于请求-响应机制的对等通信协议，利用SHDSL芯片组的API命令集、通过并行接口或RS232串行接口，实现对收发器的监控。发送请求API命令时，需严格遵守API消息格式，否则无法实现对收发器的监控。SHDSL管理软件层次图如图2所示：

对SHDSL收发器的监控包括对芯片组代码的下载、工作模式配置、激活SHDSL链路、监视链路状态及传输性能等。SHDSL管理各个模块在主控模块的调度下实时运行。SHDSL芯片组的运行代码需要正确的加载和校验，缺少运行代码的SHDSL芯片组是无法被激活的。

3 系统设计与实现

CX28975芯片组是高度集成化的专用DSL收发芯片，由于内嵌RISC处理器，特别易于外部处理器和芯片内部通信，设计中以CX28975芯片组为传输单元核心器件。选择嵌入式计算机作为核心处理器，实现以太网接口标准IEEE802.3 10Base-T，完成与业务复分接之间的通信，同时以太网接口提供在以太网环境下的数据通信。按IEEE802.3标准，以太网接口提供物理层和数据链路层的媒体访问控制子层（MAC）功能。物理层功能包括曼彻斯特线路编码、发送信号成形和信号接收；MAC层功能包括数据帧格式和载波侦听多路访问/冲突检测。同时，计算机单元通过将写在FLASH中的SHDSL芯片组的运行代码下载到该芯片组中，完成对该芯片组工作模式的配置，激活其链路和监视链路状态及传输性能等任务。当SHDSL链路激活并稳定后，计算机单元将需要传输的业务通过PCM总线利用TDM时分复用技术、SHDSL传输技术完成，从而实现了业务在一对双绞线上的传送和接收。

3.1 硬件设计

如图3所示，设备从逻辑上可以划分为计算机单元、业务复分接、人机界面、SHDSL传输单元、业务及其接口（以太网收发器、异步数据接口）。

计算机单元是软件运行的硬件平台，完成各个功能单元的监控、多种业务通信接口、通信协议运行、多业务统计复用等功能。计算机单元以通信协议处理器MPC860构成计算机系统，系统主频频率为50MHz、有16MB内存和2MB FLASH存储器。MPC860内部集成了32位PowerPC内核、通信处理模块（CPM），无缝支持DRAM、SDRAM、FLASH等存储器。本系统采用了MPC860的串行通信控制器、以太网接口控制、HDLC协议处理、串行管理控制器、时隙分配器等资源，各个功能单元都在计算机单元的控制下完成其功能。由MPC860构成的计算机单元如图4所示：

业务复分接电路完成以太帧数据信号、异步数据信号、其它数字信号以及管理信息的复接与分接，即在发送方向上将多种业务信号及管理信息复合并适配到SHDSL传输单元的PCM总线上，在接收方向上将SHDSL传输单元的PCM总线的复合信号分解为多种业务信号及管理信息，硬件时分复用由FPGA集成电路EP1C12实现。各类业务可根据带宽需要固定占用PCM总线时隙，用不同的时隙来区分不同的业务。也可用软件统计复用技术，在发送方向，本端设备将各类业务数据及要传送到对端的控制命令采用消息格式封装，加上不同的数据类型字段，将统计复用DSL协商后建立起来的时隙传送到对端；在接收方向，本端设备将从消息格式通道接收到对端的报文后，根据报文头部的数据类型字段进行解复用，区分净荷数据类型，发往不同的数据端口荷模块。endprint

以太网接口由MPC860的串行通信控制器和以太网收发器实现，物理层功能由以太网收发器集成电路实现；MPC860的SCC1设置为以太网模式，实现MAC层功能、成帧、冲突处理、发送与接收网络管理、内部与外部自环测试等功能。以太网收发器单元完成以太帧数据的物理层收发功能，其数据通过串行通信口与计算机单元交换。UART功能通过通信协议处理器MPC860的串行通信控制器实现。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）设置为UART模式，在发送和接收方向均配置适当大小的数据缓存区，以保证较高的数据传输效率和较低的传输时延；通过数据传输波特率的跟踪调整，保证双向数据连续传输无差错。

人机界面单元完成SHDSL线路传输速率、主从端等参数的设置。

SHDSL传输单元完成数据成帧与解帧、线路编码与解码、回拨抵消、线路驱动等功能，实现高速数字传输。为使SHDSL传输单元的传输性能达到最优，在选择变压器和设计平衡混合电路时要特别注意。变压器的选型要关注其参数特征，选择与配套变压器相同特性参数的变压器或者更好特性的变压器。平衡混合电路在参照手册给出的参考电路图时，一定要注意电容、电阻的材料和高精度，这样在对传输链路进行阻抗模型建立时才能更精确，由此增加了接收信号的量化分辨率，从而使信号的处理性能更好。由于对平衡混合电路中电容、电阻材料的注意，使得SHDSL传输单元的传输性能不会随着温度的变化而有明显的下降[5]。

3.2 软件设计

设备软件基于VxWorks嵌入式实时操作系统。VxWorks操作系统包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等部分，并可按应用需求进行裁剪，以最小的硬件资源实现应用系统的高效、稳定运行。

设备软件体系结构如图5所示。在层次上，可分为与硬件细节无关的上层应用程序、与物理硬件相关的板级支持包（BSP）和底层驱动程序、VxWorks嵌入式操作系统微内核和VxWorks库函数。

设备的应用软件部分分为主控、SHDSL管理、数据流转处理、设备管理和人机界面等主要功能模块。各个功能模块及其子模块依据其功能和实时性要求不同，划分为按实时关系的中断服务程序以及不同优先级的任务。各个功能模块之间的相互关系如图6所示。

主控模块是设备软件的核心部分，它通过VxWorks的消息队列通信机制调度各个模块的运行，根据设备的运行状态，发起实现各个功能模块的程序进程和任务，接收来自各个功能模块的消息，监控设备的运行状态，是以消息驱动为核心、以设备状态迁移为流程的循环任务。其主要功能包括：通信处理器外设初始化；发起人机界面任务；调度SHDSL管理模块，初始化和配置SHDSL芯片组，建立本端设备和对端设备的SHDSL连接，发起对通信链路的监控任务；建立本端与对端的数据链路层连接；发起设备控制接口任务、响应设备控制器的命令；向各个任务和模块发送、接收消息，调度各个模块的操作；接收人机命令配置设备参数；建立和控制设备运行状态迁移；维护设备运行信息等。为保障信令信息在经过远程传输后的可靠性、准确性以及信令传输的实时性要求，信令传输采用具有检错能力的数据链路层协议以及滑动窗口的差错重传机制。

4 结束语

本文通过对CX28975芯片组硬件、软件的介绍，设计了以该芯片组为传输单元、计算机单元为系统中心、多种接入方式并存的G.SHDSL传输设备，实现了多种业务在一对双绞线上的复用传输，系统传输性能测试结果满足指标要求[6]。对于不同的双绞线线径，传输距离是不同的，传输指标也是不一样的。设备具有良好的可扩展性，可增加多种接入方式，完成各类业务的传输应用。其适用于网络通信中的支线通信，特别是快速组建临时通信网络，可用于点对点、点对多点等多业务远程通信及多业务远程接入电话交换网络、数据（分组）交换网络、E1网络和IP网络等。

参考文献：

[1] SHDSL对称高速数字用户线路接入技术[J]. 电子元器件应用， 2006（3）： 40-42.

[2] 成际镇，林晓勇，邵园园，等. SHDSL接入技术研究进展与网络应用[J]. 信息安全与通信保密， 2007（1）： 74-76.

[3] 王丽纳. 基于SHDSL的IP-DSLAM线路终端板的开发与研究[D]. 南京： 东南大学， 2006.

[4] ITU-T. Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Line（Shdsl） transceivers-For approval.G.991.2[S]. Geneva Switzerland： ITU-T， 2003.

[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林晓峰. SHDSL系统设计与实现[J]. 移动通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint

以太网接口由MPC860的串行通信控制器和以太网收发器实现，物理层功能由以太网收发器集成电路实现；MPC860的SCC1设置为以太网模式，实现MAC层功能、成帧、冲突处理、发送与接收网络管理、内部与外部自环测试等功能。以太网收发器单元完成以太帧数据的物理层收发功能，其数据通过串行通信口与计算机单元交换。UART功能通过通信协议处理器MPC860的串行通信控制器实现。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）设置为UART模式，在发送和接收方向均配置适当大小的数据缓存区，以保证较高的数据传输效率和较低的传输时延；通过数据传输波特率的跟踪调整，保证双向数据连续传输无差错。

人机界面单元完成SHDSL线路传输速率、主从端等参数的设置。

SHDSL传输单元完成数据成帧与解帧、线路编码与解码、回拨抵消、线路驱动等功能，实现高速数字传输。为使SHDSL传输单元的传输性能达到最优，在选择变压器和设计平衡混合电路时要特别注意。变压器的选型要关注其参数特征，选择与配套变压器相同特性参数的变压器或者更好特性的变压器。平衡混合电路在参照手册给出的参考电路图时，一定要注意电容、电阻的材料和高精度，这样在对传输链路进行阻抗模型建立时才能更精确，由此增加了接收信号的量化分辨率，从而使信号的处理性能更好。由于对平衡混合电路中电容、电阻材料的注意，使得SHDSL传输单元的传输性能不会随着温度的变化而有明显的下降[5]。

3.2 软件设计

设备软件基于VxWorks嵌入式实时操作系统。VxWorks操作系统包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等部分，并可按应用需求进行裁剪，以最小的硬件资源实现应用系统的高效、稳定运行。

设备软件体系结构如图5所示。在层次上，可分为与硬件细节无关的上层应用程序、与物理硬件相关的板级支持包（BSP）和底层驱动程序、VxWorks嵌入式操作系统微内核和VxWorks库函数。

设备的应用软件部分分为主控、SHDSL管理、数据流转处理、设备管理和人机界面等主要功能模块。各个功能模块及其子模块依据其功能和实时性要求不同，划分为按实时关系的中断服务程序以及不同优先级的任务。各个功能模块之间的相互关系如图6所示。

主控模块是设备软件的核心部分，它通过VxWorks的消息队列通信机制调度各个模块的运行，根据设备的运行状态，发起实现各个功能模块的程序进程和任务，接收来自各个功能模块的消息，监控设备的运行状态，是以消息驱动为核心、以设备状态迁移为流程的循环任务。其主要功能包括：通信处理器外设初始化；发起人机界面任务；调度SHDSL管理模块，初始化和配置SHDSL芯片组，建立本端设备和对端设备的SHDSL连接，发起对通信链路的监控任务；建立本端与对端的数据链路层连接；发起设备控制接口任务、响应设备控制器的命令；向各个任务和模块发送、接收消息，调度各个模块的操作；接收人机命令配置设备参数；建立和控制设备运行状态迁移；维护设备运行信息等。为保障信令信息在经过远程传输后的可靠性、准确性以及信令传输的实时性要求，信令传输采用具有检错能力的数据链路层协议以及滑动窗口的差错重传机制。

4 结束语

本文通过对CX28975芯片组硬件、软件的介绍，设计了以该芯片组为传输单元、计算机单元为系统中心、多种接入方式并存的G.SHDSL传输设备，实现了多种业务在一对双绞线上的复用传输，系统传输性能测试结果满足指标要求[6]。对于不同的双绞线线径，传输距离是不同的，传输指标也是不一样的。设备具有良好的可扩展性，可增加多种接入方式，完成各类业务的传输应用。其适用于网络通信中的支线通信，特别是快速组建临时通信网络，可用于点对点、点对多点等多业务远程通信及多业务远程接入电话交换网络、数据（分组）交换网络、E1网络和IP网络等。

参考文献：

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[4] ITU-T. Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Line（Shdsl） transceivers-For approval.G.991.2[S]. Geneva Switzerland： ITU-T， 2003.

[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林晓峰. SHDSL系统设计与实现[J]. 移动通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint

以太网接口由MPC860的串行通信控制器和以太网收发器实现，物理层功能由以太网收发器集成电路实现；MPC860的SCC1设置为以太网模式，实现MAC层功能、成帧、冲突处理、发送与接收网络管理、内部与外部自环测试等功能。以太网收发器单元完成以太帧数据的物理层收发功能，其数据通过串行通信口与计算机单元交换。UART功能通过通信协议处理器MPC860的串行通信控制器实现。MPC860的SCC4（串行通信控制器4）设置为UART模式，在发送和接收方向均配置适当大小的数据缓存区，以保证较高的数据传输效率和较低的传输时延；通过数据传输波特率的跟踪调整，保证双向数据连续传输无差错。

人机界面单元完成SHDSL线路传输速率、主从端等参数的设置。

SHDSL传输单元完成数据成帧与解帧、线路编码与解码、回拨抵消、线路驱动等功能，实现高速数字传输。为使SHDSL传输单元的传输性能达到最优，在选择变压器和设计平衡混合电路时要特别注意。变压器的选型要关注其参数特征，选择与配套变压器相同特性参数的变压器或者更好特性的变压器。平衡混合电路在参照手册给出的参考电路图时，一定要注意电容、电阻的材料和高精度，这样在对传输链路进行阻抗模型建立时才能更精确，由此增加了接收信号的量化分辨率，从而使信号的处理性能更好。由于对平衡混合电路中电容、电阻材料的注意，使得SHDSL传输单元的传输性能不会随着温度的变化而有明显的下降[5]。

3.2 软件设计

设备软件基于VxWorks嵌入式实时操作系统。VxWorks操作系统包括进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等部分，并可按应用需求进行裁剪，以最小的硬件资源实现应用系统的高效、稳定运行。

设备软件体系结构如图5所示。在层次上，可分为与硬件细节无关的上层应用程序、与物理硬件相关的板级支持包（BSP）和底层驱动程序、VxWorks嵌入式操作系统微内核和VxWorks库函数。

设备的应用软件部分分为主控、SHDSL管理、数据流转处理、设备管理和人机界面等主要功能模块。各个功能模块及其子模块依据其功能和实时性要求不同，划分为按实时关系的中断服务程序以及不同优先级的任务。各个功能模块之间的相互关系如图6所示。

主控模块是设备软件的核心部分，它通过VxWorks的消息队列通信机制调度各个模块的运行，根据设备的运行状态，发起实现各个功能模块的程序进程和任务，接收来自各个功能模块的消息，监控设备的运行状态，是以消息驱动为核心、以设备状态迁移为流程的循环任务。其主要功能包括：通信处理器外设初始化；发起人机界面任务；调度SHDSL管理模块，初始化和配置SHDSL芯片组，建立本端设备和对端设备的SHDSL连接，发起对通信链路的监控任务；建立本端与对端的数据链路层连接；发起设备控制接口任务、响应设备控制器的命令；向各个任务和模块发送、接收消息，调度各个模块的操作；接收人机命令配置设备参数；建立和控制设备运行状态迁移；维护设备运行信息等。为保障信令信息在经过远程传输后的可靠性、准确性以及信令传输的实时性要求，信令传输采用具有检错能力的数据链路层协议以及滑动窗口的差错重传机制。

4 结束语

本文通过对CX28975芯片组硬件、软件的介绍，设计了以该芯片组为传输单元、计算机单元为系统中心、多种接入方式并存的G.SHDSL传输设备，实现了多种业务在一对双绞线上的复用传输，系统传输性能测试结果满足指标要求[6]。对于不同的双绞线线径，传输距离是不同的，传输指标也是不一样的。设备具有良好的可扩展性，可增加多种接入方式，完成各类业务的传输应用。其适用于网络通信中的支线通信，特别是快速组建临时通信网络，可用于点对点、点对多点等多业务远程通信及多业务远程接入电话交换网络、数据（分组）交换网络、E1网络和IP网络等。

参考文献：

[1] SHDSL对称高速数字用户线路接入技术[J]. 电子元器件应用， 2006（3）： 40-42.

[2] 成际镇，林晓勇，邵园园，等. SHDSL接入技术研究进展与网络应用[J]. 信息安全与通信保密， 2007（1）： 74-76.

[3] 王丽纳. 基于SHDSL的IP-DSLAM线路终端板的开发与研究[D]. 南京： 东南大学， 2006.

[4] ITU-T. Single-Pair High-Speed Digital Subscriber Line（Shdsl） transceivers-For approval.G.991.2[S]. Geneva Switzerland： ITU-T， 2003.

[5] G.shdsl Multimode AFE/Line Driver Data Sheet[Z]. Mindspeed TechnologiesTM inc， 2003.

[6] 林晓峰. SHDSL系统设计与实现[J]. 移动通信， 2012（S1）： 107-110.★endprint