HFC终端设备中的ASIC芯片体系结构研究及协议实现

摘要

电话、电视、计算机网络三网合一是现代有线通信技术的发展趋势。三网合一融合的不仅仅是几种通信方式和媒体传播方式的融合，它实现了模拟与数字通信、通信硬件与通信协议的融合。当前，用户对信息需求量的激增，为HFC宽带网络的发展提供了良好的机遇。同时，经过一段时间的发展，HFC宽带网络技术也日趋成熟。 HFC宽带接入网设备主要包括头端(CableModemTerminationSystem，简称CMTS)和用户终端——电缆调制解调器(CableModem，简称CM)。本文作者参与了重庆市的重点科研项目—CableModem及其前端系统CMTS的研制工作，主要从事的是CM的研究，可以说对CM相当熟悉。在CM中处于最重要地位的就是实现调制解调和协议处理的专用集成芯片。作者在CM研究过程中积累了相当的经验，熟悉HFC网络和DOCSIS协议的射频接口规范。这些经验都为本文的研究内容的开展提供了良好的开端。目前，电缆调制解调器ASIC使用的都是国外的产品，国内对它的研究还出于空白阶段。 本文从HFC网络理论和DOCSIS协议入手，分析了HFC数据通信的调制解调过程，对QAM调制、奈奎斯特均方根滤波器、前向纠错(ForwardErrorCorrection，简称FEC)、MAP通信等进行了阐述；还从中探讨了电缆调制解调器需要用到的另一个国际标准ITUJ.83AnnexMB所设计的MPEG信号的数字传输。然后针对得到的ASIC的体系结构，讨论了它的主要模块是如何实现DOCSIS协议中的功能。 在得到ASIC的体系结构，分析了对协议的实现情况后，利用数学工具MATLAB对部分信号和器件进行了仿真。最后的结果表明，电缆调制解调器的ASIC的结构和功能分析正确。针对仿真和实际应用中的问题，探讨了对ASIC的结构的一些改进意见，对今后的电缆调制解调器ASIC的研制和电缆调制解调器的性能改进都有积极的意义。本文的研究内容无疑有着显而易见的现实意义。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题背景

1.2宽带网络技术综述

1.3宽带接入的概念及特点

1.4宽带接入技术方案比较

1.4.1 FTTH

1.4.2 ADSL

1.4.3 光纤+局域网方式

1.4.4 HFC

1.5本课题的意义

1.6本课题所作的工作

1.7论文安排

1.8本章小结

2 HFC宽带接入网理论基础及其接口规范

2.1 HFC宽带接入网

2.1.1 HFC网络拓扑

2.1.2 HFC运行机制

2.2射频接口规范

2.2.1通信协议栈

2.2.2 MAC转发器

2.2.3网络层及网络层以上

2.2.4数据链路层

2.3本章小结

3 ASIC芯片的体系结构

3.1总体结构

3.2下行接收器

3.2.1模拟前端

3.2.2解调器

3.2.3匹配均衡器

3.2.4前向纠错

3.2.5 AGC环路

3.2.6码元恢复环路

3.2.7载波环路

3.3上行发送器

3.3.1突发编码逻辑

3.3.2 QAM调制器

3.3.3 D/A转换器

3.4媒体访问控制器

3.4.1下行功能模块

3.4.2上行模块

3.4.3 DMA控制

3.4.4杂项DMA控制

3.5杂项控制

3.5.1集成时钟PLL

3.5.2RF调谐器控制

3.5.3 CPU接口

3.5.4 JTAG接口

3.6本章小结

4 DOCSIS协议的实现

4.1下行接收器功能的实现

4.1.1接收器初始化

4.1.2接收器的信道捕获

4.1.3接收器性能监视

4.2上行发送器功能的实现

4.2.1突发发送

4.2.2带有上行前端使能的连续发送

4.2.3带有上行前端旁路的连续发送

4.3下行MAC的实现

4.3.1下行标头处理

4.3.2 MAC消息处理

4.3.3正常运行过程中的消息过虑

4.3.4初始化过程中的消息过滤

4.3.5下行目的地址过滤

4.4下行DES

4.4.1 Residual Block Termination

4.4.2 DES加载器模块

4.4.3标头处理

4.4.4 DMA模块与CRC校验

4.5 MAP处理

4.5.1 MAP预分析器

4.5.2 MAP FIFO

4.6 DMA与存储器操作

4.6.1内存接口

4.6.2下行DMA

4.6.3上行DMA

4.7上行DMA操作

4.7.1带宽分配映射分析

4.7.2 TDMA发送控制

4.7.3数据请求包生成器

4.8用户定时再生器

4.9平滑时标时钟生成器

4.10事件计数器

4.11本章小结

5仿真与试验讨论

5.1 MAT LAB仿真试验

5.1.1 MATLAB简介

5.1.2 MATLAB仿真试验

5.2结论

5.3进一步探讨

5.3.1关于调制方式

5.3.2关于滤波器

5.4本章小结

致谢

参考文献

附录1、作者在攻读硕士学位期间发表的论著目录

附录2、作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目及得奖情况