ЦСРС_1 / Grebeshkov_Tehnika_mikroproz_sistem_v_kommutazii_uchebnik_dlya_vuzov_2011

Техника микропроцессорных систем в коммутации

«система на кристалле», SoC с напряжением электропитания 3,3 В и мощностью до 1,88 Вт. В схеме SoC микропроцессор выполнен в одном корпусе с 324 выводами, размером 23x23 мм, содержит два ЦПУ (два ядра).

Первое ЦПУ, в виде микропроцессора с RISC–архитектурой MIPS, предназначено прежде всего для поддержки функционирования приложений пользователя IP–телефонии и протоколов сигнализации сетей следующего поколения SIP, MGCP и RTP. Центральное процессорное устройство MIPS 54 Rec является 32-х разрядным, тактовая частота 125 МГц. Ядро ЦПУ процессора цифровой обработки сигналов AC49c имеет тактовую частоту 150 МГц. Это ЦПУ выполняет вычислительные, логические функции, управление вычислениями для реализации таких кодеков для передачи речи, как кодек для сетей сотовой связи третьего поколения G.722.2 WB–AMR (широкополосный кодек с адаптивной скоростью передачи от 5,8 до 24 Кбит/сек), кодек G.726 (скорость передачи 16, 24, 32 и 40 Кбит/сек), кодек G.711 (скорость передачи 64 Кбит/сек), кодек G.723.1 (скорость передачи 5,3 и 6,3 Кбит/сек), кодек G.729A/B (скорость передачи 8 Кбит/сек). Имеется поддержка трехсторонней конференцсвязи, прием факсов согласно Рек. МСЭ–Т T.38.

В рассматриваемом абонентском устройстве реализованы алгоритмы детектирования речевого сигнала и генерация комфортного шума. Как видно из рис. 4.10, абонентское устройство для IP– телефонии включает стандартный контроллер для подключения и обмена с клавиатурой набора номера и контроллер для подключения к алфавитно–цифровому, графическому жидкокристаллическому дисплею. Для микротелефонной трубки используется двухканальный 16–ти разрядный кодек с частотой 8 и 16 кГц. В результате данное устройство может использоваться для высококачественной IP– телефонии с расширенным диапазоном воспроизводимых частот 50….7000 Гц. Данное абонентское устройство, в отличие от средства связи на рис. 4.9, может подключаться с помощью встроенного коммутатора GigabitEthernet к локальной вычислительной сети и к персональному компьютеру. Существует также возможность подключения этого устройства к УПАТС по BRI, есть возможность включения по аналоговой абонентской линии на АТС или УПАТС, а также под-

312

Техника микропроцессорных систем в коммутации

ключение по Bluetooth. Запоминающие устройства представлены в виде ЭСППЗУ для долгосрочного хранения базового программного обеспечения и ОЗУ для хранения оперативной информации.

В итоге рассматриваемое устройство на программно– аппаратном уровне осуществляет аналогово–цифровое и цифро– аналоговое преобразование речи, цифровое сжатие или декомпрессию, генерацию комфортного шума. Устройство способно передавать голосовую информацию по локальной вычислительной сети.

Другим примером современного цифрового средства связи является многофункциональное абонентское устройство в виде радиотерминала, основанного на принципе программного управления протоколами и параметрами интерфейсов радиодоступа, обозначаемое как SDR (Software Defined Radio)[87]. В этом устройстве существует техническая возможность выбирать различные радиосети для получения требуемой услуги, например сеть для передачи голосовой информации или сеть для передачи данных. Устройства SDR имеют возможность работы в нескольких стандартах радиосвязи. Можно выбирать в автоматическом или полуавтоматическом режиме определенный частотный диапазон, например 900 МГц, 1800 МГц или 2,2

ГГц, стандарт связи GSM/GPRS/EDGE, UMTS, WiFi, WiMax, LTE. Од-

новременно можно выбрать программное приложение для получения, например, доступа к услугам передачи речи с соответствующими кодеками, в частности ITU–T G.722, G.729, G.722.2. Следует отметить, что принципы SDR распространяются также на оборудование базовых станций. В перспективе применение устройств SDR будет способствовать переходу к наиболее современным телекоммуникационным стандартам, таким как LTE. В результате при использовании устройства SDR пользователь технологически жестко не «привязан» к конкретной сети определенного стандарта. Выбор пользователя в пользу той или иной сети связи, как правило, обусловлен стремлением уменьшить стоимость услуги при сохранении заданных требований к качеству связи. Указанные свойства устройства SDR обусловлены особенностями конструкции этого типа терминалов. В основе находится программно-управляемый цифровой приемо-передатчик (см. рис. 4.11).

313

Данное цифровое устройство использует цифровую обработку сигнала, с тем, чтобы было возможно без потерь дискретизировать сигнал с помощью АЦП и далее обработать отсчѐты сигнала цифровым сигнальным процессором. Наиболее выгодной с точки зрения цифровой обработки сигнала является обработка на т.н. промежуточной частоте. При использовании промежуточной частоты фильтрация, усиление, детектирование сигнала производится именно на этой, фиксированной, частоте что выгоднее нежели перестройка всего приемного тракта на частоту принимаемого сигнала. Тоже самое верно и для процесса передачи сигнала. Количество используемых промежуточных частот зависит от модели устройства и типа преобразования. Возможно двойное (двухэтапное) преобразование, при котором используется две разных промежуточных частоты, при тройном (трехэтапном) преобразовании используется три частоты. В некоторых приемниках используется несколько промежуточных частот на каждом этапе преобразовании – по одной промежуточной частоте для каждого вида модуляции. Выбор промежуточной частоты осуществляется таким образом, чтобы в итоге скорость потока данных, поступающих на ПЦОС, являлась минимально возможной, что позволяет ПЦОС выделить больше времени для обработки сигналов чем для операций ввода/вывода отсчѐтов сигналов. В итоге АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой поток отсчѐтов и дальнейшая обработка выполняется в цифровой форме. В модуле циф-

314

Техника микропроцессорных систем в коммутации

рового приѐмника отсчѐты с выхода АЦП обрабатываются специализированным сигнальным процессором или ПЛИС, реализующими цифровой понижающий преобразователь, DDC. Функции этого микропроцессорного устройства – преобразование информативного спектра частот в область низких частот, квадратурная фильтрация и децимация отсчѐтов сигнала. Под децимацией в данном случае понимается уменьшение частоты дискретизации сигнала путем удаления его отсчетов. При децимации из исходной последовательности отсчетов a0, a1, a2, … aj берется каждый N-й отсчет (N — целое число)a0, aN, a2N, … ;N > 1, а остальные отсчеты отбрасываются. Модуль DDC производит децимацию отсчѐтов сигнала для того, чтобы скорость потока данных с выхода DDC была сообразна ширине спектра выходного сигнала. Цифровой повышающий преобразователь DUC, выполняет противоположную функцию при преобразования на промежуточной частоты в сигнал для передачи.

Конфигурация специализированных сигнальных процессоров и параметры их функциональных блоков на рис. 4.11 определяются программой управления, что позволяет создавать универсальные радиоприемные и радиопередающие устройства с различными тактовыми частотами, видами модуляции, причем аппаратная часть остаѐтся без изменений.

В SDR рассматриваемый процесс реализуется с помощью встроенного менеджера конфигураций (configuration manager), который осуществляет инсталляцию/деинсталляцию, загрузку/выгрузку программного обеспечения управления устройством, а также управление параметрами доступа к радиосетям. В более широком контексте менеджер конфигураций может рассматриваться как «интеллектуальный агент» управления.

Этот агент является активным программным приложением управления, реализующим в зависимости от режима управления (полностью автоматическое или управления с участием пользователя) функции выбора сети для предоставления требуемой услуги. Конфигурирование осуществляется менеджером конфигурации динамически с адаптацией к окружающей телекоммуникационной среде. Итак, реализация узлов и устройств цифровой связи с использованием микропроцессорной техники возможна для самой широкой

315

Техника микропроцессорных систем в коммутации

номенклатуры средств связи. Этому в первую очередь способствует стандартизация телекоммуникационных протоколов, процессов обработки сигналов.

Производители микросхем, как правило, создают разнообразную номенклатуру микропроцессорных средств как по функциональности, так и по основным техническим характеристикам. Эти устройства зачастую обладают свойствами взаимозаменяемости, поскольку номенклатуру выпускаемых микропроцессорных средств для производства узлов и средств цифровой связи у различных производителей совпадает. Это касается как технологий производства, так и таких характеристик, как тип корпуса микросхемы и количество выводов. В результате у разработчика телекоммуникационного оборудования появляются самые широкие возможности по конструированию узлов, деталей и аппаратуры современных средств связи.

4.4Реализация узлов и устройств оптической связи с помощью микропроцессорной техники

Под узлом оптической связи в данном учебнике понимается компонент узла коммутации, выделяемый по определенному признаку или совокупности признаков и рассматриваемый в качестве аппаратуры для приѐма, обработки и передачи оптического сигнала. Узел оптической связи может иметь модульную конструкцию, то есть состоять из отдельных компонент. Устройство оптической связи – средство связи, применяемое для обработки оптических сигналов в процессе переноса сигнала электросвязи по волоконно-оптическим линиям связи. Устройство оптической связи является функционально законченным изделием, которое может применяться как самостоятельно, так и в составе узла коммутации. Реализация узлов и устройств оптической связи с помощью микропроцессорной техники рассматривается с учѐтом наличия или отсутствия опто– электронного преобразования сигнала. Опто–электронное преобразование предусматривает, что оптический сигнал на входе в устройство оптической связи преобразуется в электрический сигнал. Далее осуществляется обработка электрического сигнала с помощью электронных компонентов, а на выходе электрический сигнал вновь пре-

316

Техника микропроцессорных систем в коммутации

образуется в оптический и передаѐтся в оптическую линию связи. Эта схема преобразования является в настоящее время наиболее распространенной, хотя в последнее время появились узлы оптической связи без использования преобразования оптического сигнала в электрический сигнал.

Рассмотрим пример использования микропроцессорной техники в узлах оптической связи с возможностью добавления, выделения и переключения оптического сигнала без оптоэлектронного преобразования т.е. узлы оптической коммутации. Микропроцессорная техника используется здесь для управления оптическими коммутационными элементами. Примером таких элементов является применение микроэлектромеханических систем, МЭМС, за рубежом известные под аббревиатурой MEMS [85]. Микроэлектромеханические системы

– это микросхемные устройства, содержащие как электронные, так и механические компоненты с размерами от 1 мкм до 100 мкм. Как правило, устройство МЭМС состоит из электронного модуля управления с использованием микропроцессора или микроконтроллера и набора микроскопических механо-электрических датчиков и/или электромеханических преобразователей (актуаторов). Устройства МЭМС нередко являются составной частью интегральных схем. Благодаря микроскопическим размерам, МЭМС демонстрируют уникальные свойства, не выраженные для макроскопических (т.е. обычных по размерам, классических) объектов в силу более высокого отношения площади поверхности к объему. В частности, МЭМС демонстрируют повышенную чувствительность к статическому (поверхностному) электричеству.

Первое устройство МЭМС было создано вручную американским учѐным У.Маклелланом в конце 1950-х годов. В настоящее время МЭМС изготавливаются, в основном, из кремния благодаря хорошим механическим свойствам и технологий литографии, разработанных для современных интегральных схем и изделий наноэлектроники.

В оптической коммутации на основе технологи оптических МЭМС изготавливаются микрозеркала, которые являются коммутационным элементом, не требующим предварительно опто– электронного преобразования. Микрозеркало в виде цифрового мик-

317

Техника микропроцессорных систем в коммутации

управление процессом коммутации сигналов. На рис. 4.12 б) приведена схема двумерного (2D) оптического коммутатора c использованием МЭМС решения на 32 порта. Главное достоинство рассматриваемых устройств – коммутация оптические сигналов без электрического преобразования, в результате чего увеличивается производительность коммутаторов, уменьшается необходимое число узлов на сети, увеличивается скорость передачи, снижается потребляемой мощности. Недостатками решения, аналогичного рис. 4.12 б), являются высокие оптические потери, малая емкость оптического коммутатора – всего 32 порта. Кроме того, для работы в реальном времени требуется уменьшение времени срабатывания микрозеркал. Для этого необходимо в кратной степени увеличивать ток срабатывания схемы для отклонения микрозеркала и увеличивать производительность устройства управления МЭМС, что также нельзя отнести к достоинствам узлов оптической связи с МЭМС.

Для создания устройств оптической связи с многими сотнями и даже тысячами входных и выходных портов применяются трехмерные (3D) узлы оптической связи с МЭМС. Здесь на пути каждого светового луча встречаются уже два независимых зеркала, положение которых меняется в широких пределах путем вращения относительно двух разных осей. При сохранении уже известных достоинств недостатками данного решения является дальнейшее усложнение системы микропроцессорного управления зеркалами, а также необходимость стабилизации положения микрозеркал в условиях внешних механических возмущений, в первую очередь, вибраций.

С использованием рассмотренного узла оптической связи можно создавать широкий класс устройств, например магистральные оптические коммутаторы, автоматизированные платформы для управления оптоволоконной кабельной системой AFMP, регулируемые оптические аттенюаторы VOA, реконфигурируемые оптические мультиплексоры добавления и удаления сигналов ROADM. Один из первых промышленных оптических коммутаторов был выпущен компа-

нией Lucent Technologies, США в 2000 г. под названием WaveStarLamdaRouter. Это устройство оптической связи предназначалось для применения на магистральных оптических сетях, включало 256 портов со скоростью передачи 40 Гбит/с на каждый порт и до 10 Тбит/с

319

Техника микропроцессорных систем в коммутации

на узел оптической коммутации в целом. Кроме того, это устройство оптической связи могло выделить из группового тракта WDM, передаваемого по оптическому волокну, отдельные оптические волны (сигналы), с различной длиной волны. Для этого используются планарные многослойные оптические λ-селекторы, базирующиеся на различиях в коэффициенте преломления волн при дифракции на специальных микроминиатюрных волноводных решетках. Другое устройство оптической коммутации, производства компании Glimmerglass с технологией 3D МЭМС, позволяло подключить к коммутатору до 192 условно входящих и 192 условно выходящих одномодовых оптических кабеля связи на длине волны от 1270 нм до 1630 нм. Задержка, вносимая коммутатором составляет до 20 мс, скорость передачи на интерфейсах составляет от 10 Gigabit Ethernet до тракта ОС-768 (40 Гбит/с) и далее до 100 Gigabit Ethernet.

При использовании узлов MEMS в конструкции автоматизированных платформ для управления оптоволоконной кабельной системой, трафик оптических сетей может переключаться или перенаправляться между кабелями удаленно посредством электроники с помощью изменения положения микрозеркал. В данном случае не требуется динамического переключения в режиме реального времени, поэтому могут применяться низкоскоростные, а следовательно, недорогие компоненты.

Регулируемые оптические аттенюаторы позволяют ослаблять выбранные оптические сигналы, что используется для динамической компенсации неравномерного усиления световых сигналов с разными длинами волн в системах DWDM. Оптические аттенюаторы на МЭМС имеют регулируемые элементы, которые позволяют частично или полностью блокировать световой поток. Такие устройства потребляют значительно меньше энергии, чем устройства на базе альтернативных технологий, также отпадает необходимость в температурном контроле и средствах для охлаждения, что упрощает конструкцию микросхемных компонент, снижает стоимость и повышает надежность устройства в целом. Рассмотрим далее использование микропроцессорной техники в устройствах оптической связи в системах с оптоэлектронным преобразованием. Здесь могут использоваться как МПр общего назначения так и специализированные мик-

320