维普资讯 http://www.cqvip.com 基于XDSL宽带技术的实时数据采集 远距离传输系统的设计 [陈卫荆秀芝] 哪 根据般据采柴系统的特点.研究井培出基于x】)SI 屯带技术的般辊采 陈 等荆 桀远距离传榆方案 根据信方案.采用嵌八式P¨wllrl 琦处理嚣.采用 .秀 卫硕 奉文详细给出了 件的实现方法.删此 芝 AbSI,芯片组蜜现数据处理和接入方法设计的宴时托据采集远程传输象统有化良的性能 求 } 荛 理 工 学 阮 电 予 工 程 系 瞬 l术 讲 高级工程师.东芫通信发展总套司.研究方向是电信技术等 斫 究 方 是 l座J 敷 据 采 1 引言 网络的快速发展推动着XDSL技术迅速提高 .XDSL 采用了基于DSP的先进的信道编解码调制勰调技术.使用 域。使用ADSL芯片组、FPGA、处理器等改造局端.去掉原 来的DSLAM机架.改造后的局端成为数据采集终端。简 桀 捷、小巧、价格低廉。可以接人网络.也可以直接和PC相 连 本文介绍其原理和具体的实现方式 本文所描述的系统选用了ADSL方式进行数据处理、 XDSL可以在电话线(铜双绞线)上传送图象、语音、数据 等.正常使用中误码率极低.非常安全:本文提出的方法可 传输 我们在XDSL技术群中选择ADSL作为实现手段的 主要原因是ADSL技术属于XDSL技术群中的非对称型. 将这样的宽带技术用于数据采集处理传输系统等。 XDSL是ADSL、VDSL、HSDSL等技术的总称。ADSL 【Asymmetrical Digital Subscriber Loop非对称数字用户 它的下行速率比上行速率高很多【从局端至用户是下行.从 用户端至局端是上行).这恰好符合数据采集系统中数据传 输的需要.可以最为充分地利用双绞线的带宽 线路)是其中的主流 目前XDSL技术主要用于电信,承载 图象、语音、数据的电话线的一端在用户家中.称为用户端 (CPE J 另一端称为局端(CO)。局端全部是基于程控交换 机或者ATM交换机的.所有局端都插在称为DSLAM c数 字用户线路接人复用器)设备的机架中.机身庞大,价格昂 贵.极大地限制了这项宽带技术在其他领域的应用。对局端 改造可以将这项技术应用到数据采集远距离传输系统等领 2数据采集远距离传输系统的组成 本系统主要功能是对信号进行栗集.并用ADSL技术 对数据进行处理.然后通过普通电话用户线传输 电话线与 一个ADSL用户端设备CPE相连.CPE将接收到的数据. 送至PC机或者接人数据采集处理中心.PC机或者处理中 42 维普资讯 http://www.cqvip.com 心可以发送控制命令。 如图1所示,本系统由3部分组成:第一部分是数据采 在每次数据采样的过程中,从传感器输出的模拟电信 集终端.就是改造的局端,由信号调整、A/D转换、数据存 号,经过调整之后,送到AID转换器。处理器控制AID转换 储、数据格式转换、处理器和ADSL局端芯片组组成,主要 器的控制端13。FPGA控制AID转换器的采样同步信号, 完成数据的采集、数据处理和格式转换、ADSL局端接13 AID转换器输出的数据流进入数据存储器,数据存储器起 等;第二部分是铜双绞线,也就是普通电话线,目前国内主 到数据缓存的作用。FPGA将数据转换成UTOPlA ll的格 要采用的铜芯双绞电缆,外绝缘材料是聚烯烃。主要线径为 式。ADSL局端芯片组接收FPGA送来的UTOPlA ll格式 0.32 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm。线径不同电参数就 的信元,芯片组完成对信号的处理,在普通电话线上输出 有一些差别;第三部分是ADSL用户端CPE.就是普通用 ADSL调制信号;ADSL调制信号到达ADSL用户端,AD— 户使用的ADSL MODEM。它可以通过电话线和ADSL局 SL用户端对信号解调.经过处理,将恢复出的数据码流传 端接13进行信息交互。收取采集的数据,并通过USB接13 给PC机,这是下行的过程。PC机可以将控制命令发送到 或者网13传给PC机或处理中心,PC机实现收集数据.下 ADSL局端,这是上行的过程,和下行是互逆的。 发控制命令。以下主要介绍第一部分。 传感 圆 困 国 画 圃 图l数据采集远距离传输系统的整体设计 3硬件结构 制方式f1 l。DMT可以对每个子信道的性能进行测量,具有 自动带宽优化和动态比特分配性能,可以通过调整分配给 首先介绍硬件部分。 每个子信道的比特数来达到速率调整的目的。 3.1 ADSL芯片组 如图2所示,ADSL芯片组有3部分组成,数字处理芯 非对称数字用户线路ADSL的特点是从局端到用户端 片、模拟前端芯片(AFE)、线路驱动和接收部分。这样的芯 (下行方向)与从用户端到局端(上行方向)具有不同的速 片组在ADSL发展之初,价格很高。经过这几年激烈的市场 率。 竞争,价格大大下降。 在G.992.1和T1.413标准中规定DMT为ADSL的调 数字处理芯片。主要包括的是: (1)DSP。主要完成收发器中各种核心算法,包括子信 2006 03・广末通信技术 维普资讯 http://www.cqvip.com UTOPIAI1 铜双绞线 接口 .]TAG接口 管理和操作接口 图2 ADSL芯片组 道划分算法、子信道比特分配算法、功率调整、非线性回波 抵消算法、自适应均衡算法等; (2)ATM成帧器。完成ATM帧头定位及成帧功能,完 成CRC编解码、扰码与解码、RS编解码、交织与解交织、 信元净荷的扰码、空信元的插入和删除: (3)各种接口的通信、控制、管理功能等。ATM模式可 支持达50MHz的UTOPIA ll接口(ATM物理层通用测试 与操作接口l1)I方便地提供多种业务,有很高的连接速率。 模拟前端芯片(AFE),主要是将数字处理芯片输出的 圈 信号进行D/A转换和滤波。送到线路驱动器;经过线路接 困 固 收器而来的信号完成A/D转换和滤波功能,与数字信号处 固 理芯片连接。 圃 线路驱动器和接收器完成信号的驱动和接收,其中包 括混合电路完成2/4线转换、回波消除等功能。 我们选用Centillium公司的ADSL芯片组Copper Flite。该芯片组由两个芯片组成:CT一53DC08和 CT一53AC08。CT一53DC08为数字处理芯片,支持传统的 ADSL业务。完成DSP及外围接口等功能。提供SPI(4线 串行外围接口)、PDI(高达50 MHz地并行外围接口)两种 管理和操作接口。CT一53AC08是模拟前端芯片(AFE)。主 要完成A/D、D/A转换和滤波功能,而且此芯片内部集成接 收器,但不包含线路驱动器(1ine driver o详细介绍见参考 文献[6]。线路驱动器我们采用了另外一家公司Elantec的 芯片EL1507。详细介绍见参考文献[8]。 ADSL芯片接收并处理UT0PlA ll格式的数据。将AD 转换器输出的数字信号变换成UT0PIA Il格式。就可以利 用ADSL芯片组进行处理,使之在电话线上传输。 3.2 UTOPIA Il格式转换和数据存储 UTOPIA lI格式转换利用FPGA实现。用一片SDRAM 作为数据缓存。 UTOPIA接口是ATM物理层通用测试与操作接口 (Universal Test&Operations PHY Interface for ATM) [3],有UTOPIA l、UTOPIAII、UTOPIA IV等种类,支持点对 点的高速互联。对于UTOPIA接口。一侧是PHY,另一侧是 ATM。目前多数局端ADSL芯片组作为PHY。提供U— TOPIA ll接口。在我们的系统中,FPGA实现ATM层。关于 UTOPIA ll的定义和描述见参考文献[3]。 FPGA在处理器的控制下将AD转换器输出的数字信 号转换成UTOPIA ll格式。经TX UTOPIA连接到ADSL芯 片组对应的接口;在处理器的控制下。FPGA内部产生符合 RX UTOPIA格式的数据连接到ADSL芯片组对应的接口。 和ADSL完成握手。 考虑到AID转换的速率较高,在下行方向上增加 SDRAM作为数据缓存,我们选用HM5264165LTT—B60 (4BANK x 4096ROW X 256COL X 16BIT o FPGA内部设 计一个SDRAM的接口模块。FPGA内部还有处理器控制 接口部分和AID转换控制部分。我们选用Altera的 ACEXl K100实现。FPGA结构如图3所示。通过FPGA所 提供的通道,数据采集终端可以在不同距离和条件下自适 应地和CPE连接,有业务时被激活,没有业务时自动进入 省电模式。目前这套系统需要在安装时调试好,正常工作后 用户可以和它进行ADSL业务方面的互通。不对它下达管 理和配置的命令。 3.3信号调整和A/D转换 为了对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理 量进行测控,首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电 信号.而后由A/D将模拟电信号转换成时间、数值上量化 且离散的数字量。选用AD7904作为AD转换器件 。 AD7904是四输入的8位串行输出AD转换器件.最高采 样率1 Mbit/s。 维普资讯 http://www.cqvip.com A/D 转 换 器 图3 FPGA逻辑结构 3.4处理器部分 片片选信号;RW为CPU读写信号:CT1一LK为ADSL芯 处理器部分是由850CPU、FLASH、SDRAM、上电复位 片并行外围接口时钟;RDY1为ADSL芯片的应答信号; 电路、串口(AMD3202)。完成对单板的软件加载、运行控 DATA all为数据总线上的信号;TA为CPU的确认信号。低 圈 困 制、管理。串口调试等功能,CPU采用MOTOROLA公司的 有效。 囤 MPC850,在系统启动或需要时,由CPU将代码从ADSL 国 芯片组的管理13灌入。处理器部分的详细使用说明见参考 4软件部分 圃 文献[4】。 软件部分包括单板的系统软件和对硬件操作部分。按 图4和图5分别为ADSL芯片组中数字处理芯片的 模块划分包括:系统主控模块、芯片组的驱动模块、测试模 并行外围接口与CPU接口读、写时序图(用逻辑分析仪抓 块、FLASH的驱动模块、串口调试模块、文件传送模块、加 取的)。其中CLKOUT为CPU时钟;CT1一CS为ADSL芯 载模块、命令处理模块等等。 图4 ADSL芯片并行管理接口读时序 45 2006 03・广采通信技术 维普资讯 http://www.cqvip.com 圜困固固圃 图5 ADSL芯片并行管理接口写时序 4.1 系统主控模块 BYTE byNoiseMarginDnStr //下行噪声容限 主要任务就是进行系统的初始化工作,例如进行各个 (一64 ̄63.5 dB,粒度:O.5dB) 模块的初始化、创建并启动各种任务,最后它将自身挂起, BYTE byOutputPowerUpstr; //上行功率(一32~31.5 将控制权交给其它的任务。 dBm。粒度:O.5dBm) BYTE byAttenuatjonDnstr://下行衰减(0 ̄31 dB, 4.2芯片组的驱动模块 粒度:O.5dB) 本模块主要是对ADSL芯片组进行操作。由于对该芯 WORD wMaxBitRateUpStr;//上行相对占用程度 片组的操作是通过管理接13对内部全部类型寄存器进行读 (O一65535) 写,所以实际上就是操作一系列控制寄存器的接13函数。还 BYTE byNoiseMarginUpS //上行噪声容限 有对ADSL芯片组监控、从相关寄存器读出统计数据等。详 (一64-63.5 dB.粒度:O.5dB) 细介绍见参考文献【7】。 BYTE byOutputPowerDnstr;//下行功率(一32 ̄31.5 下面是参数定义片断: dBm,粒度:O.5dBm) typedef struct BYTE byAttenuatjonUpslr://上行衰减(O一31 dB, { 粒度:O.5dB) BYTE byOperationalMode;flADSL线路工作模式 BYTE byCarrierLoad[1 28];//number of bits per 1:T1.413.2:G.992.1.3:G.992.2 symbol each tone carries(tow tones per byte) SLineOperationalData sLineOperatiOnalData: (0~1 5bits/tone.粒度:1 bi ̄one) SChannelOperationalData sChannelOperational- )SLineOperationalData; Data; )SCPEOperPara; 4.3串口调试模块 typedef struct 为了方便进行调试,本系统使用了一个串13作为调试 { 之用.能够接收一些命令行的命令,同时将一些调试信息输 WORD wRelCapaci【yOccupationDnSlr: //下行相 出到串13上以供调试和系统定位问题。与ADSL芯片组有 对占用程度(0—65535) 维普资讯 http://www.cqvip.com 关的串E1命令调试处理函数封装在ADSL芯片组模块内 应用层 部。 TCP,UfDP 4.4文件传输模块 IP 数据采集终端和用户端CPE之间构成一个传输通道。 PPP 在这个通道之上。可以有各种高层协议[1 0]。在我们的研制 AAL 方案中,各种协议的相互关系如图6所示。文件传输模块的 ATM 解决方案是TFTP协议。TF-rP是一个TCP/IP的简单文件 ADSL 传输协议。TF-rP数据通道的建立是基于UDP连接。TF-rP 囤6协议栈结构 服务端的程序已经实现。形成便于调用的子程序。运行时可 以和用户端的Modem进行文件传输。 协议栈结构如图6所示 在零公里的条件下,它与远端CPE连接。上下行速率 我们开发的软件还包括加载模块、命令处理模块、测试 可迭8000/864 kbit/s,满足国际标准中规定的6144/640 模块、FLASH的驱动模块、串1:3调试模块等等。因为篇幅原 kbit/s的要求。 因不逐一叙述。 测试其传输性能,并以信息产业部颁布的ADSL标准阎 5 实现 作参考。比较结果见表1。 测试条件:用户端采用CISCO的CPE,噪声余度设 圜 我们研制的样机在测试中可以同多家公司的CPE 置为6 dB。速率放到最大。通道采用交织方式interleave。 困 囫 (Modem)连接。有很好的互通性。 国 圃 表1环路性能测试结果 各种环路的具体特征见参考文献[5]。 收数据流并且能够控制采样。数据传送流畅;如果采用 测试其业务功能。数据采集终端正常运行并对它下配 ADSL2+的芯片组。接入的距离更大。支持的采样率可以更 置;数据采集终端和用户端CPE通过电话线连接;用户端 高。本系统连续长时间(72小时以上)正常工作。有很好的 的CPE以及计算机加电,启动WlNDOWS。打开Windows 稳定性。用户端不用开发新软件。 的开始菜单,选择程f手一附件——通讯——超级终端,通 表2不同线路距离所支持的采样率 过串E1下达数据配置命令。运行FTP可以收取数据采集终 端传送的数据包。在不丢包的情况下,线路的距离越长,支 持的AD转换器件的采样率越低。 总之,数据采集终端可以通过电话线和处理中心相连。 有很好的互通性:在4公里的条件下,本系统可以从远端接 6 结论 47 维普资讯 http://www.cqvip.com 目前数据远距离传输系统主要依赖光纤传送,在某些 3 Utopia Lever 2,Version 1.0 af—phy一0039.000,The ATM 特定的环境下数据采集,例如野外、井下等,人员不方便到 Fo,-um Technical Committee,1995.6 达,光纤的修复较贵,而且光端机的价格比较高。4 MPC850 Powe UICC User s Manual,MOTOROLA 利用XDSL宽带技术实现数据采集处理传输系统,避 5 不对称数字用户线(ADsL)设备技术规范书,中国电信, 免了复杂的光传输技术;传送距离较远;用较为便宜的铜双 1998.9 绞线传送数据流。便于施工和维护。XDSL宽带技术经过这 6 CopperFlite Octal Port CO Datasheet V1—6,Centillium 几年的高速发展.经过市场的竞争,已经称为一项成熟的技 Inc,2001 术。本系统可靠性高。结构简捷,实现容易。这样的系统也能 7 CopperFlite Octal Port CO Programming Manual V1.5, 接入数据采集网。可以灵活使用。 Centillium Inc,2001 8 EL1507C datasheet.ELANTIC Inc,2001 l2.23 参考文献 9 4-Channel,1MSPS,8一/10一/12一B ADCs with Sequencer 1 T1.413 Asymmetrical Digital Subcriber Line(ADSL)Met- in 16-Lead TSSOP AD7904/AD7914/AD7924,Analog alic Interface Speciifcation,ANSI Standard,1 995 Device Inc,2002 2 Draft G.992.1 Asymmetrical Digital Subcriber Line(AD- 10 ADSL Forum,TR-007—1998,Interfaces and Systenl Con- SL)Transceivers,ITU-T Standard,1 999 figurations for ADSL:Customer Premise. (上接第33页) 率已达到了MPLS标签交换的水平,可以看出,MPLSVPN 4结束语 随着硬件技术的进步。目前基于IP路由的数据转发速 已成为MPLS最大的应用驱动力。 本-/Ij长期面向国内外通信行业管理人员、通信企业管 来稿一经确定需采用即通知作者本人,请投稿者留下 理人员、信息通信网工程技术人员、通信市场营销人员以及 准确的联系方式。作者投稿3个月后如未收到-/4用通知,可 其它通信产业跟踪研究人员征稿。征稿范围如下: 自行处理。限于编辑部人力,来稿一律不退,不发退稿通知, ( 通信产业宏观政策分析、通信行业管理信息综合报 请作者自留底稿。文责自负,作者应保证无署名争议,无一 道、通信产业发展环境研究与分析; 稿多投,无泄密之处,无政治性问题。 ②信息通信网及相关技术热点跟踪与报道、信息通信 非编辑部约稿,一经采用,将按照国家相关规定收取版 网络规划设计、信息通信技术研究; 面费,具体事宜与编辑部联系。 ( 通信市场跟踪研究与报道、通信企业管理模式厦方 来稿请发电子邮件至gdtx@gsta.tom。 法探讨、通信企业运行机制研究; 编辑部来稿处理联系电话:(020)38639258方小姐。 ( 其它与通信行业相关的跟踪、研究与分析报道。