一款基于芯片RC7017设计的PDH光端机和芯片故障排查

潘福初，秦莫萍

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004）

0 引 言

PDH 光端机设备在作为一种点对点传输设备，具有统一的比特率，统一的标准，为不同厂家设备间的互联提供了可能，网络管理能力大大加强。同时采用字节复接技术，使网络中上下支路十分简单，使用操作简单，在很多场合适用和具有优势。基于芯片RC7017 设计的这款PDH 光端机具备了常用的E1 接口、话音接口和以太网接口，实用性强，性价比高；芯片RC7017 实际使用设计和其故障排查过程指导，完善其应用和排故。

1 光端机设计

1.1 接口需求

设计的PDH 光端机设备要具备以下功能接口和要求：（1）PDH 光接口数量：1 路；（2）以太网接口数量：1 路；（3）E1 接口数量：4 路；（4）二线话音接口数量：4 路；（5）交流电源接口（220 V）：1 路；本PDH 光端机设备为点对点应用，如图1所示。

图1 PDH 光端机点对点应用

1.2 设计方案

根据设备的功能接口要求，设备硬件实现可以按模块化设计为四个部分：接口电路、数字信号光传输模块、电源模块和光模块，如图2所示。

图2 光端机原理框图

接口电路分为三部分：话音信号电路模块、E1 接口电路、以太网接口电路，它主要完成接口阻抗变换和信号电平转换工作。数字信号光传输模块是以高速的PDH 芯片为核心，可以完成外围的话音、以太网、E1 等业务的复接，最后通过线路接口发送到光模块。光模块的作用是把数字信号光传输模块的数字信号转换成光信号进行传输。

电源模块为整个设备提供电源及相应的供电保护措施。

1.2.1 接口电路

接口电路用来通过机箱与其他电路或设备相连，接口电路主要是实现信号接口阻抗匹配和信号电平转换工作。其分为三部分：话音信号电路模块、E1 接口电路、以太网接口电路。话音信号处理电路模块主要是完成四路用户和中继话音业务，接口电路采用集成的话音模块，通过可编程电路控制四路话音模块的工作和实现话音信号的复接和分接工作，完成转换成E1 接口的复接和分接；E1 接口电路主要是完成2.048 Mbit/s 的E1 业务的HDB3 电平转换工作，转换后的信号可直接用PDH 芯片进行传输；以太网接口电路可以实现以太网信号的电平转换工作，接口可实现10M/100M 接口自适应。

1.2.2 数字信号光传输模块

数字信号光传输模块是以高速的PDH 芯片为核心，配合外围的以太网、E1 等接口芯片，完成将各种数字业务进行混合复用，最后通过线路接口发送到光模块。

如图3所示，以太网、E1 等信号进入设备后，经过相应的接口转换芯片（话音模块接口是通过转换成E1）进入到PDH 芯片中，然后各种数据在成帧器中进行数据和开销的复接。为了能够实现光路的传输和时钟的提取，复接后的数据要进行编码，编码完成后进行并/串转换，最后产生PCML 线路发送数据，送到光模块进行光电转换。接收过程相反，光模块将接收到的光信号转换为PCML 线路接收数据发送到PDH 芯片，芯片内部首先进行时钟提取和数据恢复，然后将恢复的数据利用线路提取的时钟进行串/并转换，解码后送到解帧器，通过解帧器将数据进行分解，分解出各种业务数据，并进行误码统计和输出指示。

图3 数字信号光传输模块原理框图

本模块使用的PDH 芯片型号为RC7017，可以很好地完成上述功能的实现，其具体参考管脚排列和管脚的定义说明详见其使用用户手册，RC7017 集成了光线路处理功能，并具有两组PCML 线路接口，可以在两组PCML 接口之间实现保护倒换，每组PCML 接口均可实现ALS（Automatic Leaser Shutdown/Reduction）功能，可以直接与光收发模块进行交互，简化了设计。本光端机只有1 路光接口，所以采用1 组PCML 接口即可，上述数字信号光传输模块的光发送和光接收设计采用市场上技术成熟的光收发一体模块完成即可。

光端机只用1 路光接口，设计采用的PCML 接口为A 口，电路逻辑设计连接图如图4所示。

图4 光口部分连接图

芯片的E1 接口信号为差分信号，电路逻辑设计连接图如图5所示。

图5 E1 接口电路连接图

以太网接口电路逻辑设计连接图如图6所示。

图6 以太网接口电路连接图

1.2.3 电源模块

电源模块是设备正常工作的关键模块之一，除了要满足设备工作所需的功耗要求，还应该具有防雷击、过压过流保护等相关保护电路，并且满足模拟电路对电源低纹波噪声的要求。本光端机工作的芯片集成电路等电源都是5 V 及以下的电压，可以设计输出5 V 的电源盘来提供工作电源；其他5 V 以下的工作电源，采用专用5 V 电源转换芯片，完成电源的转换输出。

电源盘是由交流滤波器、保护电路、AC/DC 变换模块和DC/DC 变换模块等组成，这些器件和模块可以选用市场上价格合适，符合要求的功能模块器件，不需单独设计，其信号流程和原理如图7所示。

图7 电源模块原理框图

2 故障排查

根据上述方案设计的PDH 光端机，很好地完成设计需求，设备工作稳定可靠。在其调试生产过程中，设备工作不正常产生误码时，作为PDH 核心芯片的RC7017 是重点排查对象，我们排查芯片的思路可以从简单到复杂仔细排查：

（1）芯片工作不正常，有时会发热损坏，我们可以先检查其外观是否有烧毁发黄等现象存在，若没有，我们可以进行下一步，通过使用仪器仪表测量其工作电压是否正常，RC7017 的工作电压是3.3 V，通过芯片资料文件可以知道管脚1，18，37，54，73，90，116，126，51（3.3 V 模拟电源，用于光接口）都是电源管脚，可以使用万用表测量工作电压值，如果电压值不是3.3 V，需要排查是RC7017 故障引起的电源不正常，还是提供电源的电路输出不正常。

（2）排除了电压故障的情况下，我们可以测量其时钟输入是否正常，其系统时钟输入管脚有两个，影响系统的工作，分别为24 管脚CLK65MI（系统时钟，频率为65.536 MHZ/±50 PPM，电压值5 V），49 管脚CLK9MI（系统时钟，频率为9.375 MHZ/±30 PPM，电压值5 V），还有以太网工作使用的MII 接口工作时钟管脚为72 脚MTXC 和74 脚MRXC，我们使用合适的示波器来测量时钟，要观察波形、幅度，毛刺，频率值等，如果时钟有问题，则会导致芯片相应功能部分错误。

（3）作为与光接口转换连接的PCML 接口，其数据异常等现象，会导致后面的光数据异常传到给对方的设备，可以使用示波器来测量信号，观察有无异常。如果排查了以上步骤都无异常发现，可以从芯片自带的调试功能配置来排查。光口环回排查，RC7017 具备本地环回功能，可以通过管脚LINE_LOOPI 或者UART 接口指令设置，通过设置环回来判断光模块到芯片光接口内部寄存器线路是否工作正常。RC7017 支持E1 支路的本地和对端环回，E1 支路环回控制通过E1_LOOPI 管脚输入，本地还是对端环回通过LOOP_FN_SELI 管脚选择；在使用中，可以通过外接器件对8 路E1 支路单独设置环回，也可以用一个拨码开关统一设置环回，E1 支路环回控制还可以通过UART 接口指令设置，在配置指令中有8 bit 本地指令环回控制和8 bit 对端指令环回控制；当E1 误码时，可以使用此操作来判断本端或者对端线路到芯片寄存器的工作是否正常。RC7017 芯片E1 环回的两个方向如图8所示。

图8 E1 环回两种方式图

（4）以上排查方法基本可以解决芯片RC7017常见故障，但有时也会遇到疑难特例问题，需要具体单独分析解决。下面是某种比较难排查的故障现象：在一次实际调试过程中，发现光端机光路接收正常，但所有业务不通的故障。故障条件下通过FPGA 程序操作RC7017 的UART 接口对E1 进行软件环回，业务正常；和正常设备单向对测，发现是光发送方向故障，环回RC7017 输出PCML 差分电信号，故障复现，初步确认故障原因为RC7017 发送电信号故障，与光模块无关。用200 M 示波器测量RC7017 发送PCML 电信号，发现经过匹配电路后进入光模块的PCML 电信号幅度明显变低，而RC7017 从光模块接收到的PCML 电信号无明显衰减，检查电路原理图发现匹配电路完全按RC7017 芯片手册推荐电路设计。常温观察常温故障业务板光发送信号眼图很差，信号抖动较大，经常超出模板；同时观察低温工作时，故障业务板光发送信号眼图较差，信号也抖动较大，已经很接近模板边沿。把发送眼图故障情况录像反馈RC7017 芯片厂家后，厂家建议查看RC7017 的输出PCML 信号波形；使用4G 高速示波器，测量RC7017 的输出PCML 信号波形发现叠加有约1.3 MHz 低频干扰信号。断开和光模块连接的耦合电容后去掉光模块信号连接，干扰信号仍存在，确定干扰信号为RC7017 芯片本身产生。尝试断开RC7017 外围时钟以及RC7017 复位信号强制拉低，RC7017 PCML 信号输出端干扰信号仍然存在。因为之前已经换过不同批次RC7017芯片，基本可以排除芯片问题，怀疑可能是芯片外围电路引起RC7017 产生自激震荡叠加到PCML 信号输出端。通过分析电路原理图，逐渐缩小范围到BIASEO 管脚接入外围偏置电路。光接口的外围电路如图4所示。拆除C89 后干扰信号消除，测量拆下来的C89 电容（0603-1 μF）容值只有0.1 μF，而设计本身要求C89 电容值为1 μF，重新焊接C89 电容为0603-1 μF 后，干扰信号消除，常温发送眼图稳定，业务正常无误码，故障未复现。

3 结 论

基于RC7017 芯片设计的PDH 光端机能提供E1、话音、以太网接口，技术成熟，设计不复杂，可通过点对点光缆连接传输应用。通过排查工作电压、时钟、PCML 接口数据、控制人为生产错焊等手段可以很好地决PDH 芯片RC7017的故障排查。