基于PCI總線的信令采集卡的硬件設(shè)計

引言

為了滿足未來無線多媒體通信需求，早在1985年國際電聯(lián)就提出了第三代移動通信的概念，許多國家和地區(qū)的著名電信設(shè)備制造商先后提出了十多種無線接口建議，經(jīng)過充分協(xié)商和融和，最后形成了三大主流標準，即歐洲與日本提出的WCDMA、美國提出的CDMA2000和中國提出的TD-SCDMA。TD-SCDMA是由中國無線通信標準化組織（CWTS）提出并得到ITU通過的3G無線通信標準。在實際的商用之前，需要通過測試儀在真實的無線環(huán)境下對TD-SCDMA的網(wǎng)絡(luò)性能、數(shù)據(jù)收發(fā)等進行全面深入的測試驗證。針對中國正大力開發(fā)TD-SCDMA第三代移動通信(3G)系統(tǒng)、即將大規(guī)模組建3G網(wǎng)絡(luò)，卻沒有所必需的實驗研發(fā)、建網(wǎng)和運行測試設(shè)備的現(xiàn)狀，在國際上傳統(tǒng)通信測試儀表廠商只推出了基于CDMA2000和WCDMA兩種標準的測試儀表的情況下，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)測試儀，完善TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈，形成系列產(chǎn)品并推向市場，必將產(chǎn)生巨大的社會效益及經(jīng)濟效益。

本文介紹的信令采集卡就是我們已經(jīng)研制成功了的并且已經(jīng)在重慶重郵東電通信技術(shù)有限公司商用的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中針對核心網(wǎng)測試最重要的數(shù)據(jù)采集卡之一。

設(shè)計及其實現(xiàn)

1 信令數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計思路

本卡主要是根據(jù)協(xié)議的選擇來完成七號信令數(shù)據(jù)的采集。本卡基于PCI設(shè)計，完成的主要功能有：物理層的數(shù)據(jù)采集、HDLC鏈路控制。在整個系統(tǒng)中主要完成層一和層二的控制，它要求較高的可靠性、可用性和可擴展性。為了滿足網(wǎng)絡(luò)測試儀數(shù)據(jù)流量大、方便用戶使用的特點，我們選用了自帶標準PCI協(xié)議規(guī)范的HDLC控制器（MindSpeed Bt8474）、專用的E1/T1/J1成幀器（MindSpeed Bt8370）芯片和Windows 2000作為此卡的基本軟硬件架構(gòu)。每塊板卡可以實現(xiàn)8收4發(fā)，軟件驅(qū)動基于PCI的框架，能滿足快速的數(shù)據(jù)采集要求，性能穩(wěn)定。

2 芯片資源簡介

本卡采用的主要的芯片是MindSpeed公司的自帶PCI總線規(guī)范的多通道同步網(wǎng)絡(luò)控制器（MUSYCC）Bt8474和E1/T1成幀器Bt8370。

● PCI總線簡介

PCI的含義是周邊器件互連。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線，基于PCI的系統(tǒng)不受處理器升級的影響。每個典型的PCI可以支持大約10個電氣負載。它支持32位或64位的總線寬度，支持的工作頻率為33MHz或66MHz。工作在33MHz/32位時，理論上最大數(shù)據(jù)傳輸速率能達到133MHz/s。它支持并行的總線操作，還全面支持PCI總線主設(shè)備，在所有讀寫操作中可實現(xiàn)猝發(fā)傳送，支持即插即用，PCI部件和驅(qū)動程序可以在各種不同的平臺上應用。

● Bt8474簡介

BT8474 是一個多信道同步通信控制器（MUSYCC），它能支持128個數(shù)據(jù)信道，每個信道根據(jù)配置可以支持“HDLC、SS7、透明傳輸”三種協(xié)議。在數(shù)據(jù)處理中主要完成層2（數(shù)據(jù)鏈路層）的處理。

Bt8474是一個PCI多功能設(shè)備，它主要包括以下部分：

（1） 一個主接口（Host Interface）：主接口又由四個部分組成：設(shè)備配置寄存器、PCI功能0的配置空間、PCI功能1的配置空間、PCI接口。主接口主要提供BT8474與PC之間的接口，完成設(shè)備寄存器配置和PCI功能區(qū)配置區(qū)間的讀寫。

（2） 4個串口（Serial Interface）：串口也由四個部分組成,包括中斷控制器、DMAC、位級處理器BLP、接收和發(fā)送端口。串口主要完成主接口和BT8370的數(shù)據(jù)傳遞，同時根據(jù)需要產(chǎn)生中斷，并通過INTA報知PC。

（3） 1個擴展總線口（EBUS）：EBUS接口通過內(nèi)置的MPU（微處理器單元）主要完成外圍設(shè)備的擴展。

（4） 1個邊界掃描口(JTAG)。

其功能框圖如圖1、圖2所示。

圖1  Bt8474功能框圖

圖2  Bt8474的串口功能設(shè)計原理圖

● Bt8370簡介

BT8370是一個T1/E1收發(fā)成幀器，支持的收發(fā)接口的Line Rate為  1.544Mb/s（T1）或者2.048Mb/s（E1）。物理線性接口電路恢復來自電纜的“+3dB到-43dB”的模擬時鐘和數(shù)據(jù)。

BT8370主要由以下幾部分組成：
（1）微處理器接口（MPU）：主要完成和其他設(shè)備之間的通信控制。
（2）接收/發(fā)送線性接口單元（RLIU/TLIU）。
（3）數(shù)字發(fā)送器（XMTR）。
（4）數(shù)據(jù)接收器（RCVR）。
（5）發(fā)送系統(tǒng)總線（TSB）。
（6）接收系統(tǒng)總線（RSB）。
（7）時鐘速率適配器（CLAD）。
（8）邊界掃描接口（JTAG）。

其功能圖如圖3、圖4所示。

圖3  Bt8370的功能框圖

圖4  Bt8370的設(shè)計原理圖

3 信令采集卡硬件實現(xiàn)

圖5是信令采集卡的總體設(shè)計框圖。

圖5  E1采集卡的總體設(shè)計框圖

采集卡從E1線上采集七號信令消息（也包括一號隨路信令），用以監(jiān)視和仿真整個通話流程。PCI接口芯片（HDLC控制器）是一個多功能設(shè)備,包括一個網(wǎng)絡(luò)控制器和一個PCI橋設(shè)備（EBUS）。網(wǎng)絡(luò)控制器用以控制時隙映射，配置DMA傳輸；PCI橋設(shè)備用以選通和配置成幀器，其中成幀器的選通是通過一個CPLD來完成的。另外，網(wǎng)絡(luò)控制器和PCI橋設(shè)備的中斷是分開的，分別通過INTA和INTB上報PCI控制器。信令信號經(jīng)過成幀器成幀后，通過HDLC控制器以DMA方式送入到PC緩沖區(qū)；用戶可以通過驅(qū)動提供的接口函數(shù)到緩沖區(qū)取信令數(shù)據(jù)進行分析。

根據(jù)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀表的總體設(shè)計方案要求，七號信令卡作為PCI插槽的板卡，通過高阻適配器采集E1信號，給8370成幀處理后，通過串口送給8474，完成消息的重組后，把消息送給上層軟件進行協(xié)議分析處理。七號信令卡的硬件結(jié)構(gòu)提供網(wǎng)絡(luò)接口的物理層和部分鏈路層功能，由軟件來實現(xiàn)物理層和鏈路層的數(shù)據(jù)控制和部分應用層的功能。本卡可以同時完成8路監(jiān)測、4路仿真。

按照任務(wù)目標要求，七號信令卡主要由以下硬件單元組成：HDLC邏輯層Bt8474、PHY物理層Bt8370、CPLD邏輯控制、高阻適配器、DB15、變壓器等。圖6是E1采集卡的硬件結(jié)構(gòu)。

圖6  E1采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新點

 本文作者的創(chuàng)新點：
（1）本卡在硬件設(shè)計上，通過時隙和通道復用，把只有四個串口的8474擴展實現(xiàn)了8路串口。
（2）利用本信令采集卡可以實時監(jiān)測通信鏈路的建立、傳輸、停止等過程，
（3）可以通過該卡的信令發(fā)送功能，實現(xiàn)業(yè)務(wù)仿真，減小TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計風險。
（4）本卡現(xiàn)在已經(jīng)在重慶重郵東電通信技術(shù)有限公司的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中用于商用。多次現(xiàn)場測試證明，本信令采集卡完全可以應用于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試，取得了上百萬元的經(jīng)濟效益。