ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片的設計與實現(xiàn)

非對稱數(shù)字用戶環(huán)路（ADSL）是目前寬帶接入網(wǎng)技術中最具有前景及競爭力的一種[1]。雖然歐美一些先進國家在ADSL示范網(wǎng)上取得了成功，但在當前 Internet的應用環(huán)境中，要廣泛應用ADSL還有阻力。主要原因是ADSL系統(tǒng)技術較為復雜，采用集成電路（IC）設計方法，通過印刷電路板（PCB）來將多芯片集成為系統(tǒng)，系統(tǒng)實際性能并不理想，同時使得ADSL設備制作成本較高，因此難以推廣使用。采用片上系統(tǒng)設計方法[2][3][4] 把各個子系統(tǒng)有機地集成到一個芯片上去，可以很好地克服多芯片集成系統(tǒng)所引起的系統(tǒng)性能問題，使ADSL真正成為一種高速、低成本的Internet高速接入技術。本文介紹ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片設計，給出了硬件實現(xiàn)的具體描述。

1 ADSL收發(fā)器片上系統(tǒng)芯片總體設計

設計的片上系統(tǒng)（System on a Chip）芯片如圖1所示。其中存儲器核采用NMI Electronics存儲器核，PCI采用Eureka Technology的PCI核，DSP核選用某公司的DSP核，DSP算法自主設計開發(fā)。MCU核完成與DSP核、ATM成幀器核及各種接口的通信、控制、管理功能，包括PCI總線接口、USB接口、10BASE-T接口及內(nèi)部總線的協(xié)調(diào)控制工作，通過專用邏輯模塊來完成；DSP核致力于完成收發(fā)器設備中各種核心算法，包括ADSL子信道劃分算法、DMT（離散多音頻調(diào)制）子信道比特分配算法、功率調(diào)整、非線性回波抵消算法、自適應均衡算法等；模擬前端 AFE核完成A/D、D/A轉換、線路驅動及分離器功能；ATM成幀器核完成ATM幀頭定位及成幀功能，其中的邏輯電路完成CRC編解碼、擾碼與解碼、 RS編解碼、交織與解交織和TCM編解碼；通過模式選擇本設計可以工作于ATM和STM兩種模式下；本芯片還提供了控制通道（RS232接口），實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理、監(jiān)視和調(diào)試功能。設計特點：（1）模擬前端核與其他核集成在一起，避免了線性驅動器件中常見的四個電源至少需要三個的情況，實現(xiàn)了高效率、低功耗的設計。（2）可在局端DSL接入復用器中直接當作線卡來用，以提供高速因特網(wǎng)接入服務。（3）支持所有最新的ADSL標準，包括ANSI T1.413Issue 2、ITU G.992.1和ITU G.992.2。它還提供了G.Lite運作所需要的低開銷、快速啟動和再訓練功能。（4）通過控制口提供配置和控制ADSL線的所有功能，減輕主機控制器的管理負擔。

2 芯片中的典型電路設計與實現(xiàn)

2.1 ATM成幀器設計

ATM 成幀器完成用戶數(shù)據(jù)接口功能。用戶數(shù)據(jù)接口將接收的Utopia接口或者STM接口數(shù)據(jù)分為快速Utopia接口或者STM接口。用戶數(shù)據(jù)接口分為接收方向和發(fā)送方向兩個部分，發(fā)送方向是由芯片外向芯片內(nèi)，所處理數(shù)據(jù)包括ATM數(shù)據(jù)（utopia接口）、STM數(shù)據(jù)，將其組成為ADSL超幀，并分為交織通道和快速通道；接收方向是將交織通道和快速通道 的數(shù)據(jù)通過解幀等變換發(fā)送出去，也分為utopia接口數(shù)據(jù)、STM數(shù)據(jù)。其大致的結構如圖2所示。

STM接口在發(fā)送方向包括STM_Data和STM_CLK兩種信號，在接收方向包括STM_Data和STM_CLK兩種信號。在發(fā)送方向，STM信號經(jīng)過并串轉換后，以串行方式進行傳送，SLT_Data0傳送偶數(shù)比特，SLT_Data1傳送奇數(shù)比特，然后在通道分類中根據(jù)外部微處理器的配置（通過控制接口）將數(shù)據(jù)送入fast通道或者interleave通道。在接收方向，從fast通道和interleave通道中來的數(shù)據(jù)在通道合并中合并為串行數(shù)據(jù)，SLR_Data0傳送偶數(shù)比特，SLR_Data1傳送奇數(shù)比特，再經(jīng)過串并轉換送到STM接口中。其中，超幀指標模塊主要產(chǎn)生指示超幀的信號（包括接收和發(fā)送方向），VAL和REQ是字節(jié)數(shù)據(jù)有效信號，F(xiàn)rame信號是數(shù)據(jù)超幀開始信號，CLK信號是超幀時鐘。根據(jù)Utopia協(xié)議可以知道， Utopia接口每個字節(jié)數(shù)據(jù)都是由一個時鐘周期來傳送的，所以傳送一個信元可以用53個時鐘周期。在發(fā)送方向和接收方向的同步時鐘信號都是由ATM層發(fā)出的，可以把他們看成是異步時鐘。從Utopia接口進入芯片的數(shù)據(jù)首先通過地址譯碼，選擇發(fā)送的端口地址，然后由發(fā)送控制器控制從Utopia接口來的數(shù)據(jù)，將它們存入發(fā)送緩沖，然后到信元速率接口控制器。信元速率控制器模塊的功能為：當ATM層發(fā)送的信元速率小于ADSL的下行傳送數(shù)據(jù)速率時，信元速率控制器就插入一些空信元來使兩乾的數(shù)據(jù)速率匹配。HEC生成模塊的功能：處理信元的HEC，提高出現(xiàn)滑碼時的信元定界能力。在處理信元在接收誤碼計數(shù)器中記錄下來，用于以后的性能監(jiān)測中。信元加擾模塊的功能：防止在信元負荷中出現(xiàn)與HEC相同的情況。幀適配模塊的功能：將信元數(shù)據(jù)流整理成適于ADSL超幀數(shù)據(jù)結構。一方面實現(xiàn)同步，在ADSL中可以通過填充字節(jié)LEX、AEX來實現(xiàn)。如果發(fā)送時鐘稍快一點，將把固定的字節(jié)數(shù)用完，這時可以用LEX、 AEX來傳送數(shù)據(jù)。如果發(fā)送時鐘稍慢一點，固定的字節(jié)數(shù)將不會被用完，這時候可以不用信號（ib）來表示，由外部微處理器來處理。幀適配模塊的另一方面功能是可以提取aoc、eoc、ib等子節(jié)。并串轉換模塊的功能：將數(shù)據(jù)流進行并串轉換后送入通道分類模塊。通道分類模塊的功能：將奇數(shù)和偶數(shù)的串行數(shù)據(jù)流合并成一列數(shù)據(jù)流，根據(jù)Utopia接口的TxAdd信號或者外部微處理器的配置（控制接口中的寄存器）送入fast通道或者interleave通道。需要指出的是接收方向與發(fā)送方向數(shù)據(jù)流向相反，不再解釋。
2.2 數(shù)字接口設計

根據(jù)ADSL協(xié)議要求，數(shù)字接口主要將信道中的快速和交織的數(shù)據(jù)經(jīng)過擾碼、FEC編碼后形成可以傳送的數(shù)據(jù)。大致框圖如圖3所示。

在發(fā)送方向，從用戶數(shù)據(jù)接口來的fast（快車）通道和interleave(交織)通道的數(shù)據(jù)先分別進行CRC校驗，然后進入解幀模塊，在這個模塊中，將超幀分解為一個一個的數(shù)據(jù)幀，存入緩沖中。然后對fast和interleave數(shù)據(jù)分別進行加擾，這種加擾是對每個數(shù)據(jù)幀進行加擾，加擾后的數(shù)據(jù)進入 RS編程模塊，之后進入發(fā)送FIFO。對于Interleave數(shù)據(jù)，從發(fā)送FIFO出來以后就進行交織處理，然后將兩種數(shù)據(jù)進行比較分配，對每個子信道分配一定的比特數(shù)，這可以參考比持分配表格（在初始化時計算出來，存放在緩存之中）。

在接收方向，從DMT調(diào)制模塊來的數(shù)據(jù)進入比特解配，對Interleave數(shù)據(jù)再經(jīng)過de_interleave模塊之后進入接收FIFO，然后進入 RS解碼模塊，當發(fā)現(xiàn)錯誤時，將誤碼計數(shù)器加1，計數(shù)結果將用于性能。從RS解碼出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過解擾后，送入組幀模塊，在個模塊中，將各個數(shù)據(jù)幀組合成超幀，然后將數(shù)據(jù)進行CRC校驗，最后送到用戶數(shù)據(jù)接口。