DH／SONET专用接口芯片PM5342的基本性能特性及应用分析
作者：丛凯;李铮;刘兴春
光同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）是新一代的传输网体制。它有效地结合了高速大容易光纤传输技术和智能网络技术，不仅充分显现出光纤通信容量大、抗干扰能力强、保密性好、传输距离远等优点，而且突现出其复分接简单、管理信息丰富、组网方式灵活等技术优越性，自二十世纪90年代初出现以来得到了迅速发展。
PMC-Sierra公司的PM5342 SPECTRA-155是一款新型的SDH/SONET专用接口芯片，可用来实现STS-1（STM-0/AU3）及STM-1帧中的净荷提取及定位功能。该芯片具有较高的集成度，将定时提取模块、串/并转换模块、段开销处理模块及通道开销处理模块等集成到一起，功能非常强大。实践证明该芯片性能可靠、使用方便，是开发SDH产品的较优选择。
为便于理解PM5342的功能及内部结构，在此以STM-1为例对SDH的帧结构作一简单介绍。SDH采用的是以字节结构为基础的矩形块状帧结构，其结构安排如图1所示。
如图所示，STM-1的帧结构是9行×270列的块状帧结构。其中，RSOH为再生段开锁；SMOH为复用段中纵向前9列为管理单元指针；POH为通路开销。图中纵向前9列横向第1至第3行和长经5至第9行的72个字节全部分配给段开销。
本文将介绍PM5342的功能特性及其使用中应注意的问题，并给出一个PM5342在SDH净荷处理系统中的应用实例。
1 SDH/SONET净荷提取/定位芯片PM5342
1.1 PM5342的主要特性
·用于STS-1（STM-0/AU3）、STM-1/AU3（STS-3）及STM-1/AU4（STS-3c）信号的净荷提取/定位，根据工作模式的不同，分别提代速率为19.44Mb/s、38.44Mb/s或51.84Mb/s的系统端并行数据接口。
·终结STS-1及STM-1帧中的所有段开销以及高阶通道开销，根据工作模式的不同，提供速率为51.84Mb/s或155.52Mb/s的线路端串行数据接口；
·SDH每一帧中的全部段开销字节可通过一个串行输出端口提取/接入，其中的公务字节E1、E2，使用者通路F1，数据通信通路D1～D3、D4～D12以及自动保护护倒换通路K1、K2还有各自的串行提取/接入端口；
·提供灵活多样的开销接入方式，或者由芯片产生，或者插入芯片内部寄存器的值，或者通过引脚接入；
·内部集成有定时提取模块，可通过155.52Mb/s的串行接口直接与光收发模块连接；
·线路端有STS-1、STM-1/AU3及STM-1/AU4等多种工作模式，通过访问内部寄存器来设定；系统端也有字节Telecombus、半字节Telecombus及串行Telecombus等多种工作模式，通过专门的模式引脚来设定；
·把三路串行数据流（例如帧中继或以太网净荷等）独立映射入单路STS-1（STM-0/AU3）或STM-1/AU3净荷；
·支持线路环回和测试环回的工作模式，以便对芯片进行灵活的配置管理和故障诊断；
·提供一个通用的八位微处理器接口来完成5342的初始化配置、工作控制以及状态监测；
·采用集成CMOS工艺，+5V供电低功耗器件，输入兼容PECL和TTL电平，输出为TTL电平；
·256脚SBGA（Super Ball Grid Array）封装。
1.2 PM5342内部结构
PM5342的内部结构如图2，大体上可以为三部分：接收部分、发送部分及控制部分。接收部分主要包括：时钟恢复模块CRSI或CDR、接收端再生段开销处理模块RSOP（Rz Section O/H Processor）、接收端复用段开销处理模块RLOP（Rx Line O/H Processor）、接收端高阶通道开销处理模块RPOP（Rx Path O/H Processor）以及接收端Telecombus定位校准模块RTAL（Rx Telecom Ailgner）等；发送部分主要包括：发送端Telecombus定位校准模块TTAL（Tx Telecom Alignet）、发送端高阶通道开销处理模块TPOP（TxPath O/H Processor）、发送端复用段开销处理模块TLOP（Tx Line O/H Processor）、发送端再生段开销处理模块TSOP（Tx Section O/H Processor）以及时钟综合模块CSPI（Clock Synthesis）等；控制部分提供一个可兼容Intel和Motorola总线模式的8位微处理器接口，以便对内容寄存器进行访问。
相应的芯片对外部提供接收通道端口及发送通道端口。接收通道端口包括：串行155.52Mb/s数据接收端口RXD+/-，段开销取出端口RTOH、RSUC、RSOW、RLOW、RSLD、RLD等，高阶通道开销取出端口RPOH［3:1］以及净荷取出端口DD［7:0］；发送通道端口包括：串行155.52Mb/s数据发送端口TXD+/-，段开销接口入端口TTOH、TSUC、TSOW、TLOW、TSLD、TLD等，高阶通道开销接入端口TPOH［3:1］以及净荷接入端口［7:0］。
1.3 工作时序
了解PM5342的工作时序是利用它进行正确设计的重要前提，现将其较为重要的工作时序作一简单介绍。
1.3.1 段开销的提取与接入时序
以STM-1/AU4段开销的接入时序图为例进行介绍。
图3中TTOH引脚输入的信号是5.184Mb/s的串行比特流，由该引脚接入SDH帧中的再生段开销、AUPTR和复用段开销；由TTOHEN引脚输入的是段开销接入使能信号，如果在某一TTOH字节的最高位输入时TTOHEN为高，则将该字节的值接入发送通道相应SDH帧中的对应位置，否则将在该位置接入芯片默认值；TTOHCLK引脚输出的是5.184MHz的时钟信号，在该时钟脉冲的上升沿对TTOH和TTOHEN输入信号进行采样；TTOHFP引脚输出在TTOHCLK的下降沿刷新，指示帧头A1字节，以上四者协同作用完成段开销的接入。
1.3.2 净荷的提取/接入时序
以工作在字节Telecombus模式下STM-1/AU4净荷的提取为例进行介绍。
图4中DD［7:0］总线输出为19.44Mb/s的STM-1净荷；DPL输出为净荷指示信号，DPL为高时表示此时DD［7:0］输出为净荷VC4，否则为段开销或AUPTR；DC1J1V1输出与DPL信号协同同作用以标志STM识别符C1以及高阶通道踪迹字节J1；DCK输入为19.44MHz的时钟信号，DD［7:0］、DPL和DC1J1V1在DCK的上升沿刷新；DFP输入为帧头指示信号。以上诸信号协同作用完成STM-1/AU4净荷的提取。
1.4 中断特性
PM5342只有一个中断请求引脚INTB，但是它能反映芯片内部超过200个可屏蔽中断源的中断请求。PM5342的中断管理是一种层次式结构，INTB之下有顶层中断与底层中断，它们的状态都用相应内部寄存器中的相应位来反映。INTB之下的各顶层中断之间、某一顶层中断属下的底层中断之间都是“或”的关系。
PM5342中断层次结构图如图5所示，位于中断层次图根据部的是中断源。通常中断源的状态用相关的内部寄存器中的某一比特位来反映，称为中断源状态位（“V”比特）。“V”比特实时地反映中断源的状态，没有相应的“V”比特的中断源会用其它方式报告自己的状态。每一个中断源在其相关的内部寄存器中都有相应的中断请求标志位（“I”比特）。当中断事件发生时，“I”比特被置位并锁定，直到中断被处理（即该“I”比特所在的内部寄存器被CPU读）后才清零。为了屏蔽无关中断请求，每一个中断请求标志位都有一相应的中断允许控制比特（“E”比特）。当“E”比特被置位时，相应的“I”比特才对INTB或高层中断有贡献；否则，该中断请求被屏蔽。
现以LOS告警引起的中断为例来作一具体说明：中断源LOS在内部寄存器中有一相应的中断源状态位LOSV实时反映该中断源的状态。当检测到LOS告警时，LOSV置位；当LOSV状态改变时，中断事件发生，LOSI被置位；如果此时LOSE已被置位，则LOSI对其高层中断RSOPI有贡献。如果此时ROSPE也已被置位，则芯片将通过INTB引脚发出中断请求；否则LOSI仍然反映LOSV的改变，但对INTB却没有贡献。
许多常用的中断一般都还有一个辅助中断（Auxiliary Interupts），即在另一内部寄存器中有第二个中断请求标志位（“I”比特）以及独立于主中断的中断允许控制位（“E”比特）。辅助中断的请求标志位直接对INTB有贡献，而且它的清除方式也不同于主中断，对其所有寄存器的读操作并不会把该标志位清零，而必须由CPU通过写操作清零。
2 PM5342使用中应注意的关键问题
·该芯片内部兼有模拟电路和数字电路两部分，为了减少两类电路间的干扰以保证芯片正常工作，在进行PCB设计时必须把模拟电源/地与数字电源/地分开；
·电源去耦对于高速电路设计极为关键，尤其是PM5342内部有着极为敏感的模拟电路。建议对每一模拟电源引脚单独去耦以避免噪声在各电源引脚间耦合，在适当的情况下可以采用简化的去耦方案。以下5组模拟电源引脚必须要独立去耦；
#1 TAVD2
#2 RAVD2
#3 TAVD1，3，4
#4 RAVD1，3
#5 QAVD1，2，3
·高速信号线RXD+/-和TXD+/-（155.52Mb/s）应当作微带传输线来考虑，并且必须要端接匹配负载。
3 PM5342在SDH系统中的应用举例
笔者利用PM5342芯片自行设计了相关电路，实现STM-1净荷处理系统的接口功能。其系统框图如图6所示（虚线框内为笔者自行设计实现的部分）。
图中光收发模块采用的是武汉光通信公司的RTXM-155芯片，在接收方向上经RTXM-155完成光电变换，送出155.52Mb/s的电信号，进入PM5342的串行数据输入端口RXD+/-。该光收发模块还对光接收信号的功率进行检测，低于阈值功率时送出光发送失效告警信号。
经光电变换后的STM-1全帧信号进入PM5342的接收通道，经过时钟与数据恢复、串/并转折我、帧定位、BIP-8运算及比较、解扰码、段开销与通道开销处理、指针解释与调整以及通道净荷定位等处理功能后，STM-1净荷由总线DD［7:0］提取，送入净荷处理系统。经段开销处理模块时，STM-1的段开销信号由PM5342的RTOH引脚提取，送入XILINX公司的FPGA芯片XC2S50，根据净荷处理系统的要求，对TTOH作缓存以实现部分段开销的透明传，如D1～D3、E1、E2及F1等字节。另外，FPGA需对TTOHEN信号的时序特性作适当处理，使得在某些段开销（TTOH信号）字节的对应位TTOHEN为低，以保证这些字节的接入值由芯片自身来产生，而非由TTOH引脚接入，如A1、A2、B1、B2等字节。处理之后的净荷由总线AD［7:0］进入PM5342的发送通道，先进行净荷定位，再进入开销处理模块，此时FPGA送出的段开销经PM5342的TTOH脚接入，之后进行扰码处理、作BIP-8运算、并/串转换及时钟综合，最终由PM5342的串行数据输出端口TXD+/-输出至光收发模块RTXM-155，经电光变换，恢复为STM-1全帧光信号继续在SDH网上传输。
本接口电路中单片机89C52有双重作用，一方面作为本接口电路的控制核心，对PM5342进行初始化，通过检测5342的中断请求引脚INTB来监控5342的工作情况，及时地对失光告警、失帧告警及线路告警等异常工作状态作出响应保证系统的正常工作；另一方面，该单片机受净荷处理系统中的主单片机的控制，通过串口与之通信，接收主机查询并报告重大异常，以方便主系统的及时处理。
以SDH接口芯片PM5342为核心设计了STM-1净荷处理系统的接口电路，实践证明其控制灵活，外围电路简单，较好地实现了预期功能。
