柯勇硕士论文电话交换系统中fpga的设计与实现.docx
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柯勇硕士论文电话交换系统中fpga的设计与实现
分类号学号2004611810155
学校代码10487密级
硕士学位论文
电话系统中FPGA的
设计与实现
学位申请人：
柯勇
学科专业：
通信与信息系统
指导教师：
杨宗凯教授
答辩日期：
2007年2月8日
ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirements
fortheDegreeofMasterofEngineering
DesignandImplementationofFPGA
intheTelephoneSwitchSystem
Candidate:
KeYong
Major:
Communication&InformationSystem
Supervisor:
Prof.YangZongkai
HuazhongUniversityofScienceandTechnology
Wuhan,Hubei430074,P.R.China
Feb,2007
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在______年解密后适用本授权数。
本论文属于
不保密□。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
摘要
改革开放以来，我国的通信事业取得了巨大的成绩，市话网的建设得到了迅猛的发展。
其中最引人注目的就是广泛采用了程控数字交换机，为全网的数字化奠定了基础。
以电路交换为基础的程控交换技术在当前的通信网中占有重要比重，它仍是当前通信的主要手段和研究内容。
由于程控交换系统（也称电话交换系统）必须高效率地设计，如何在不改变硬件系统的情况下提供更多的功能，并且满足程控交换机对可靠性，扩展性，容量，话务量，可操作性的要求是一个很有意义的研究课题。
FPGA（现场可编程逻辑门阵列）以其高集成度、高性能和灵活性不仅能满足交换系统中交换网络的要求，而且还能提供状态检测、电话录音、软件拨号等功能，并可满足扩展性等要求。
本文根据电话交换系统的功能要求，分析了市面上普遍流行的交换机硬件设计方案，在此基础上，论证了FPGA在电话交换系统中的可行性及优点，接着给出了总体硬件设计以及FPGA的功能划分和逻辑设计。
FPGA需要完成的功能有：
与接口电路模块连接、与号码分析模块和调度控制模块的通信、数字交换网络的实现等。
最后，介绍了FPGA的测试方案和测试结果，对本文的工作进行了总结，给出了FPGA在电话交换系统中需要进一步完善和改进的方面，并阐述了程控交换技术的发展前景。
该设计采用了模块化设计思路，只需稍加修改就可以很容易的移植到其他的程控交换系统中，并具有较好扩展性。
关键词：
程控交换系统;现场可编程逻辑门阵列;用户线接口电路;脉冲编码调制;先入先出队列
Abstract
SincethereformandopenpolicyisappliedinChina,ourcountryhasmadegreatachievementsinthetelecommunicationfield,themetropolitannetworkhasdevelopedrapidly.ThemostattractivethingisthattheDigitalProgramControlledSwitchSystemiswidelyapplied,whichisthefoundationofthedigitalizationforthewholenetwork.TheDigitalProgramControlledSwitchSystemwhichbasedonthecircuitswitchisthemainmeansofstilltelecommunicationfieldandplaysanimportantroleinthetelecomnetworksystem.
TheProgramControlledSwitchSystem（alsocalledTelephoneSwitchSystem）shouldbedesignedefficiently.Itisaverypromisingsubjecttonotonlyrealizemorefunctionswithoutchangingthehardware,butalsosatisfythedemandofdependability,extendingability,andcapacity.FPGA（FieldProgrammableGateArray）couldsatisfythedemandofswitchnetworkbecauseofitshighintegrationandperformance.Meanwhile,italsooffersthefunctionofstatedetection,voicerecord,softwaredialup,extendingabilityandsoon.
Thisthesisanalyzesthehardwaredesigningofthepopularswitchsysteminthemarket,anddiscussesthefeasibilityandadvantageoftheapplicationbyFPGAinthetelephoneswitchsystem,ThenitdescribesthedetaileddesignmethodofthehardwareandthemoduledivisionoftheFPGA.FPGAshouldofferthefollowingfunctions:
interconnectionwiththeinterfacecircuit,communicationwiththecaller-IDanalyzingandcontrollingmodule,implementationofdigitalswitchnetwork.Attheendofthepaper,thetestschemeandthedebuggingresultsareintroduced;thethesisissummarized,somefunctionsmodelswhichneedconsummatingarepresented,andtheapplicationsoftheprogramswitchtechnologyareprospected.Becauseofthemoduledesignmethod,thesolutioncouldbeappliedtoavarietyofprogramcontrolledswitchsystems,andmeetstheextentionrequirements.
Keyword：
ProgrammeControlledSwitchSystem;FieldProgrammableGateArray;SubscriberLineInterfaceCircuit;PulseCodeModulation;FirstInFirstOut
1绪论
2程控交换机技术方案概述
3电话交换系统设计方案
4FPGA的功能实现
5FPGA的验证与调试
6结论与展望
1绪论
1.1课题背景和意义
电话交换机是指能完成任意两个电话用户之间的通话连接的系统。
处于电话网网络节点位置的电话交换机，在电话网中完成话路的选路和连接功能。
所谓“选路”是指交换机根据被叫用户号码选择输出路由；所谓“连接”是指在交换机的控制下，由连接器完成输入话路与输出话路的连接[1]。
电话交换机发展经历了从人工到程控、从模拟到数字的过程。
程控交换机的全称是“存储程序控制”（SPC-StoredProgramControl）交换机，在该交换机中，控制系统依靠事先存储在存储器中的程序和数据引导微处理机对各种信令进行适当的处理，对交换网络和接口进行必要的控制。
程控交换和脉冲编码调制（PCM-PluseCodeModulation）传输的结合，使得发端交换和终端交换间实现全部的数字化，避免了多次的数模和模数转换，正是由于这个原因，就可做到电话通信的音质质量与传输距离无关，获得不论传输距离有多远语音质量始终令人满意的结果[2]。
近年来，在交换方面由于高速、宽带的需要，IP电话、软交换、光通信等技术得到广泛关注。
但以电路交换为基础的程控交换技术在当前的通信领域中仍占有重要比重，它仍是当前通信的主要手段和研究内容[3]。
由于程控交换系统必须高效率地设计，如何在不改变硬件系统的情况下提供更多的功能，并且满足电话交换机对可靠性，扩展性，容量，话务量，可操作性的要求是一个很有意义的研究课题。
程控交换机一般由用户电路模块、数字交换网络、程序控制模块组成，但是对于不同的交换系统需要提供多样化的功能，这也给系统的开发和扩展造成了一定的困难。
FPGA的通用设计正好满足了易于开发、功能多样化和易于扩展等要求。
FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的缩写，作为可编程逻辑器件的典型代表，在集成电路设计应用中占有重要地位。
自八十年代中期Xilinx公司推出现场可编程逻辑器件FPGA至今，FPGA已经历了十多年的发展历史。
在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。
FPGA采用硬件技术处理信号，并可提供地址和数据总线接口以便外部处理器通过软件来改变其功能，能够兼顾速度和灵活性。
FPGA更大的优势在于能够轻易地在其芯片上设计和配置出大量的片内加法器，来并行处理多路信号。
FPGA片内的加法器是纯硬件结构，能够相当精密地设计其多路输出输入信号的时序关系，并可通过相关的EDA软件准确地预测和仿真电路的实时特性。
这对于语音之类实时性要求很高的信号来说是十分重要的。
现场可编程性是FPGA最突出的优点。
用户能在最短时间内对FPGA内部逻辑进行反复设计及修改，直至满意为止，这大大缩短了产品设计开发周期，提高了最终产品性能。
FPGA在程控交换系统中，不仅可以完成最基本的数字交换功能，而且还能提供信号音产生及控制、收号控制、接口状态检测与汇报等功能，同时其特有的现场可编程功能更易于实现扩展性和功能多样性的要求。
1.2课题来源与研究内容
本课题来源于某公司与华中科技大学互联网中心合作的项目：
电话交换系统。
该系统除了满足基本的电话交换功能之外，还需提供多路环路中继接口、共电接口、磁石接口、用户接口，并支持中继线和电话状态检测、软件拨号、来电防火墙等功能。
本文研究的内容正是其子课题：
FPGA在该系统中的应用和设计。
由于该电话交换系统实现的功能复杂，同时对于可靠性、扩展性的要求非常高，所以非常适合作为研究的课题。
本文的研究内容主要有以下几个方面：
分析目前市面上普遍流行的交换机硬件设计方案，在此基础上，论证了FPGA在电话交换系统中的可行性及优点。
给出了总体硬件设计以及FPGA的功能划分和逻辑设计，FPGA具体完成的工作有：
与接口电路模块连接、与号码分析模块和调度控制模块的通信、数字交换网络的实现等。
最后，介绍了FPGA的验证及测试方法，对本文的工作进行了总结，给出了FPGA在电话交换系统中需要进一步完善和改进的方面，并阐述了程控交换技术的发展前景。
FPGA的具体设计已在电话交换系统中得到实现，测试结果令人满意，实验表明，FPGA在电话交换系统中的应用具有设计便利，易于调试、移植、扩展等优点。
虽然本课题来源于具体的项目实现，但讨论的原理和主要模块具有普遍性，本文给出的实现方法以及贯穿其中的设计要点和技巧可以作为利用FPGA实现程控交换系统或是其它类似应用的借鉴和参考。
1.3本文内容与组织
本文以FPGA在电话交换系统中的应用为主题，围绕有关模块的设计与实现，及其理论研究进行叙述，本文的其他章节主要内容如下：
第二章首先分析了交换式通信网的组成以及通信流程，接着介绍了交换机的组成并对各个模块设计做了简要描述，最后讨论了FPGA在其中的优势和可行性。
第三章首先论述了FPGA的开发流程，接着对本系统的硬件及模块设计进行了论述，最后讨论了FPGA在其中的功能以及设计方案。
第四章详细论述了FPGA的工作流程以及逻辑实现。
流程设计论述了FPGA在整个系统中扮演的角色以及与DSP和CPU的通信过程。
逻辑设计方面具体介绍了内部模块划分、各个模块的工作流程，并对设计中遇到的难点进行了讨论，提出解决方案。
第五章从功能级验证、时序分析和板级验证三个层次讨论分接器的验证和调试。
第六章总结了全文的工作，提出了系统可能的进一步改进，并对今后该领域技术的发展和应用做出了展望。
2程控交换机技术方案概述
程控交换机的功能是保证通信网上两个终端间成功的进行通信，而一次完整的通信过程需要经历若干阶段，程控交换机在每个阶段实现不同的功能，因此理解程控交换机必须以理解通信流程为基础。
本章首先讨论程控交换机在通信网中的地位，接着描述了一次完整的通话流程，最后讨论了程控交换机的系统组成以及FPGA实现的可行性。
2.1交换式通信网
最简单的交换式通信网仅由一台交换机组成。
每一台电话或通信终端通过一条专门的用户环线与交换机中的相应接口连接。
根据IEEE的定义，交换机应能在任意选定的两条用户线之间建立和（而后）释放一条通信链路。
即任一台电话机均可请求交换机在本用户线和所需用户线之间建立一条通信链路，并能随机令交换机释放该链路。
交换式通信网的一个重要优点是易于组成大型网络。
例如，当终端数目很多时，且分散在相距很远的地方时，可用交换机组成如图2.1所示的通信网。
网中直接与电话机或终端连接的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机。
当距离很远时，汇接交换机也称长途交换机。
交换机之间的线路称为中继线。
显然，汇接交换机仅涉及到网络内部的通信，而市话交换机既涉及到网内通信，又涉及到与网外终端的通信[4]。
图2.1由多台交换机组成的通信网
2.2通信流程
通信网上两个终端间的每一次成功的通信流程包括如下流程：
1）用户摘机
主叫用户摘机是一次呼叫的开始。
交换机需要及时的发现摘机事件，检测出用户的呼叫请求。
2）发拨号音
用户摘机后希望能立即听到拨号音，所以交换机必须在很短的时间内，安排一个通道向主叫用户发送拨号音。
3）收号
主叫用户听到拨号音后，就可以拨号了。
一般情况下，话机发出的是双音多频信号。
交换机除了为用户准备好收号器外，还要开启限时计数器来限制用户听到拨号音后能在规定时间内拨号，否则，交换机将拆除收号器，并向用户发忙音。
4）号码分析
交换机收到主叫用户拨出的第一位号码后就停送拨号音，并进行号码分析。
5）接通被叫用户
交换机逐位接收并储存主叫用户所拨被叫号码，同时找到一条通向被叫的空闲通路。
6）振铃
交换机还要查询被叫的忙闲状态。
若被叫空闲，则向被叫振铃，向主叫送回铃音；若被叫忙，则向主叫送忙音。
7）被叫应答、通话
交换机检测到被叫摘机后，就停止振铃和送回铃音，接通话路通话。
并检测主、被叫的状态。
8）挂机
当检测到一方挂机时，应复原路由，同时向另一方送忙音，直至另一方挂机[5]。
2.3程控数字交换系统的组成
一台交换机通常由三部分组成：
交换网络、接口模块、控制系统，连接关系如图2.2所示。
图2.2程控交换机的系统组成
下面分章节描述各个模块的作用。
2.3.1接口模块
接口模块将来自电话或中继接口的各种不同输入信令和消息转换成统一的内部信号，以便控制系统和交换网络进行处理和接续。
在程控交换机中，电话接口分为模拟电话接口和数字电话接口，中继接口也分数字和模拟的。
模拟电话接口应当完成如下功能：
1）馈电：
即向用户的电话机提供-48V（或-60V）的直流电源供电。
2）过压保护：
防止高压进入程控交换机，保证系统工作在稳定电压范围内。
3）振铃控制：
配置振铃继电器，控制其通断，向被叫用户振铃。
4）监视：
通过监视用户线的状态及时发现用户摘机、挂机等状态变化。
5）编译码和滤波：
完成模拟信号向数字信号的转换。
由用户话机输入的话音信号是模拟的，频率在300～3400HZ间，在送入数字交换网络之前需要利用8K的信号进行采样编码。
滤波是保证滤除话音频率之外的噪声干扰。
6）混合电路：
即二/四线转换，用户线上的模拟信号采用的是二线传输，收发共用。
经过接口模块后，发方和收方各两根，单向传输。
7）测试：
测试用户线路，及时发现故障。
数字用户接口是数字话机、数字传真机及数字图像设备等数字用户终端设备与程控交换机之间的接口，具体功能有：
1）提供两个64kb/s可双向传输数字话音和数据的通道B、一个16kb/s双向传输控制信号和低速数据信号通道D（其中8kb/s传送信号、8kb/s传送低速数据）。
2）对2B+D线路进行控制和处理。
3）通过D通道将终端送来的信号送到交换机控制系统和信号系统进行相应处理。
4）其他如回声抑制、过压保护等。
模拟中继接口和模拟用户接口相比，最大的不同在于前者连接的是交换机，后者连接的是模拟话机。
因此，模拟中继接口无需振铃、馈电功能，但其他功能都与模拟用户接口相同。
数字中继接口与模拟中继接口相比，功能更简单，不需要2/4线变换和编解码功能。
当采用主从或互控同步时，需要从接受信号中恢复位时钟和帧同步信号。
2.3.2交换网络
进入用户接口电路的语音模拟信号经过PCM编码后会变成数字信号。
由于语音信号的频率主要在300~3400HZ的范围，根据奈奎斯特采样定理，采用8kHZ的频率进行采样就可以完全恢复原信号。
采样后的数字信号需要编码成8位二进制码字，一般采用A律和μ律两种。
此时的PCM信号称为基带信号，速率为64kb/s。
为了充分利用信道，常常将多路基带PCM信号进行调制，形成时分复用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）信号。
每个8bit采样占据的时间称为一个时隙（TS-TimeSlot），N个时隙构成一个帧。
TDMPCM信号的码元速率为N*64kb/s。
N的取值为24（北美和日本标准）或32（欧洲和中国标准）。
在我国，N取32，32路时分复用信号称为PCM一次群信号，速率为2.048Mb/s。
其中，第0时隙作为同步时隙，第16时隙作为信令时隙，其余的时隙都传递的是话音或数据。
一次群也称为PCM30/32结构。
图2.3PCM30/32信号时隙分配
由于每个用户的话音信息就在PCM复用线上占据一个固定的时隙，在这个固定的时隙上，周期地传递该用户的话音信息。
因此当两个用户要互相通话时，其实质就是将一个话音信息由某一个时隙搬移到另一个时隙[6]。
时隙交换部分的功能在程控交换机中主要由交换网络来实现，交换网络将复用的各个时隙的数据进行拆分，写入存储器，然后按照一定的规则读出，复接成PCM30/32格式再发送出去。
时隙交换有时分接线器和空分接线器两种。
时分接线器（又称T型接线器）的功能是完成同一条PCM总线上不同时隙内容的交换。
时分接线器由话音存储器（SM-SpeechMemory）和控制存储器（CM-ControlMemory）组成，他们都可以用随机存储器（RAM-RandomAccessMemory）来实现。
话音存储器存储的是各时隙上的话音或数据，控制存储器存储的是读出或写入的地址。
根据话音存储方式的不同，分为读出控制和写入控制。
读出控制方式是各时隙的数据在话音存储器中顺序写入，经交换网络交换后，读出受控制存储器控制读出。
写入控制是各时隙的数据分配受控制存储器控制，写入到话音存储器的不同时隙，读出时顺序读出话音存储器的数据。
空分接线器（又称S型接线器）的功能是完成不同PCM总线上同一时隙内容的交换。
空分接线器由M×N的交叉点矩阵和M（或N）个控制存储器组成，M表示输入复用线数目，N表示输出复用线数目。
根据控制存储器是控制输入复用线还是输出复用线上交叉点的闭合，可分为输出控制方式和输入控制方式。
由时分接线器和空分接线器可以组成更加复杂的交换网络，有TST、STS等类型。
可以用来完成不同PCM总线，不同时隙上数据的交换。
2.3.3控制系统
控制系统负责整个程控交换机的管理和控制，主要完成呼叫处理、管理、维护等工作。
呼叫处理包含以下几点内容：
1）接收终端或其他交换机的信令，如摘挂机信号、电话号码等。
2）指导接续进行，向话机发送提示音。
3）完成线路接续和拆除。
当收齐号码后，应选择一条通路接通，当收到挂机信号时，应释放相应的线路。
管理功能包括对话务量的控制，包括最佳路由的选择、时间记录、计费等。
维护包括故障检测、诊断、修复等。
2.4交换网络实现方案比较
交换网络在程控交换系统中占据着重要的地位，整个系统的工作都是围绕交换网络进行的。
在上一章中描述了交换网路的基本工作原理。
目前实现交换网络普遍采用的方案是用专用集成电路（ASIC-ApplicationSpecificIntegratedCircuit）。
这些器件有Motorola公司的MC145611、Zarlink公司的MT8924、ST公司的M34116等。
ASIC器件使用方便、成本低。
但是这些器件功能单一，如果要实现其它的交换功能，就只有把多片这类器件组合起来复用，还不得不再配上时隙交换芯片（如MT8980）来调整各路信号的时隙关系，增加译码电路来分别选通各器件。
这一来不仅大大增加了电路的复杂度，而且电路的通用性差，功能更改困难。
能够灵活配置数字化交换网络功能的另一种方法是采用DSP技术。
DSP器件具有McBSP接口，很容易与串行的PCM语音信号连接。
DSP可采用多总线、多处理单元和多级流水线技术进行信号处理，运算速度大为加快。
通过软件可以方便地改变DSP的算法，实现各种调度功能。
但是，DSP的多级流水线，毕竟数目是很有限的。
对于更大规模的交换网络，仍有力不从心之感。
例如对于3
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