Cable Modem的射頻電路部門負責與HFC網(wǎng)之間的信息傳遞與交換工作。主要由一個調諧器（Tuner）及濾波電路組成。在下行方向,Tuner將CM的接收頻率調諧到某一個HFC網(wǎng)的卡行信道,接收其中的射頻信號,經(jīng)過濾波后轉化為中頻信號,傳送到BCM3345中的下行方向物理層模塊中;在上行方向,Tuner接收來自BCM3345上行信道物理層模塊中的中頻信號,并按照一定的功率要求將其送入HFC網(wǎng)絡的上行信道中（在上行傳輸方向,BCM3345輸出已經(jīng)經(jīng)過調制的中頻信號,經(jīng)過LC濾波網(wǎng)絡后重又送入BCM3345,在片內進行功率放大,最后送往Tuner。這樣功率的增益可以根據(jù)前端的要求在BCM3345中進行控制）。這里采用的是專門定制的CMOS TUNER作為Cable Modem中使用的調諧器。該Tuner在上下行方向所覆蓋的頻率范圍分別是5～42MHz和50～860MHz,它可以將所接收的射頻信號轉化為中心頻率為44MHz的中頻信號。Tuner的工作狀態(tài)由BCM3345通過I2C總線進行控制。Tuner采用阻抗為75Ω的F端口與HFC網(wǎng)中的同軸電纜進行連接。
在Cable Modem中的存儲主要有兩種,分別是同步動態(tài)存儲器（SDRAM）和閃存（Flash）。SDRAM選用Micron MT48LC4M16A2TG-8EIT。它是整個Cable Modem系統(tǒng)的動態(tài)存儲器。一方面作為系統(tǒng)運行的內存空間,在系統(tǒng)正常運行時存放各種程序代碼以及臨時數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)所需的各種堆棧、隊列等,另一方面還作為CPU與MAC層模塊之間的數(shù)據(jù)共享緩存。
Flash在掉電后仍然保持數(shù)據(jù)不丟失,而且可以多次讀寫。因此將其用來存儲操作系統(tǒng)、功能軟件的可執(zhí)行代碼以及各種重要的配置數(shù)據(jù)。選用兩片INTEL TE28F160作為Cable Modem中的Flash。它的數(shù)據(jù)存儲方式為1M×16bit,兩片的總存儲容量為4MB。其擦寫次數(shù)高達100,000次,足以保證在Cable Modem有效壽命內正常運行。
對于各種不同的存儲器,CPU將它們與BCM3345中的所有寄存器放在一起統(tǒng)一進行編址,使它們都處于同一個址編碼范圍之內。CPU為不同的存儲器分配一個基地址,對各個存儲單元或者寄存器的訪問通過基地址加上相應的偏移量即可實現(xiàn)。
在Cable Modem進行系統(tǒng)設計時為其留出了多種接口,作為用戶使用接口及系統(tǒng)調試之用。主要包括以太網(wǎng)接口、通用串行總線（Universal Serial Bus,簡稱USB）接口、RS-232口等。其中以太網(wǎng)接口、USB接口是用來與CPE相連接的,RS-232接口是用于系統(tǒng)調試的。以太網(wǎng)接口是符合IEEE802.3標準的10Base-T接口。在以太網(wǎng)接口電路中主要采用符合IEEE802.3標準的接口芯片Pulse h1102來完成以太網(wǎng)接口的設計。在USB接口電路中使用了德州儀器公司生產(chǎn)的SN75240。由于在USB的信號傳遞過程中會摻雜進瞬間的高壓噪聲,這些噪聲對USB口的收發(fā)電路將產(chǎn)生致命的危害,因此需要對這些噪聲電壓進行抑制。SN75240可以對USB接口中的不正常電壓進行有效的抑制,以保證硬件設備的安全。
2.3 Cable Modem的軟件結構
Cable Modem的設計采用嵌入式的系統(tǒng)結構,運行時需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。所謂嵌入式操作系統(tǒng)就是指操作系統(tǒng)與最終的功能軟件一起進行編譯鏈接,形成一個單獨的程序代碼,最后集成到硬件系統(tǒng)中,而不像普通操作系統(tǒng)那樣應用程序與操作系統(tǒng)分離。類似于BIOS的工作方式,具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點。在筆者開發(fā)的Cable Modem中,選用的操作系統(tǒng)為PSOS2.0。
建立在操作系統(tǒng)之上的軟件部分就是Cable Modem的功能軟件了。Cable Modem功能軟件的主要作用是控制與協(xié)調各硬件模塊的工作流程,以及完成CM中IP層以上的協(xié)議管理。其中軟件對硬件部門的控制操作功能主要是通過讀寫相關芯片中的寄存器來完成。由于PSOS系統(tǒng)要用多任務內核,允許系統(tǒng)同一個時刻可以多個任務同時運行。而Cable Modem的工作過程也需要同時進行多項操作以及工作,如下行信道的信號接收與上行信道的信號發(fā)送可能會同時進行,因此在CM的功能軟件中包含了多個任務。其中共有五個主要任務：主任務MainTask、同步任務SyncTask、雜項任務MiscTask、MAC層處理任務MacTask以及BCM3345的應用程序接口任務ApiTask。
MainTask的主要功能是在Cable Modem加電或者復位后進行相應的初始化工作。同步信號SyncTask在Cable Modem的運行過程中是一直處于激活狀態(tài)的,它的主要功能就是處理前端定時發(fā)送的同步信息。雜項任務MiscTask主要負責控制C模塊各個LED指示燈的開關,以顯示Cable Modem當前的運行狀態(tài);同時還負責控制以太網(wǎng)口的開關、響應復位健等。MacTask的主要功能是管理與控制Cable Modem中MAC層硬件的工作情況,同時實現(xiàn)MAC層模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)交換。BCM3345的應用程序接口任務ApiTask提供了一組與BCM3345相關的功能模塊寄存器讀寫的接口函數(shù),當軟件要通過硬件實現(xiàn)某一功能時,只需調用相應的接口函數(shù)即可,無需關心具體的讀寫過程,簡經(jīng)了軟件的開發(fā)過程。
2.4 系統(tǒng)調試平臺
在完成了Cable Modem的軟硬件設計后,必須進行系統(tǒng)的調試,以對當前所設計實現(xiàn)的CM功能進行測試,找出軟硬件設計中存在不足以及整個系統(tǒng)設計中可能出現(xiàn)的缺陷,從而加以改進,保證最終完成的Cable Modem產(chǎn)品的可靠性。
要進行Cable Modem的功能調試和性能檢測,需要搭建一個模擬的HFC網(wǎng)絡,將Calbe Modem放置在HFC網(wǎng)中,通過與CMTS之間的交互工作進行調試和檢測。為此,搭建了一個小型的HFC網(wǎng),作為專門的Cable Modem功能和特性調試環(huán)境。
其中前端采用由北方電信（Nortel）公司生產(chǎn)的CMTS1000,前端下行輸出信號直接與射頻信號。經(jīng)過一個兩部的分支分配器與上行信道合并為一個通道,經(jīng)同軸電纜傳輸。CMTS還經(jīng)過100BaseT的接口與基于WindowsNT4.0 Server的服務器相連接,該服務器提供DHCP、TFTP、SNMP的服務器端程序。客戶端程序運行在Cable Modem中。為了模擬真實的HFC網(wǎng),在網(wǎng)絡中加入了一個20dB的衰減器,以增大傳輸衰減。Calbe Modem經(jīng)同軸電纜與模擬HFC網(wǎng)相連接,經(jīng)RS-232接口與調試所用的主機相連接。此外,Cable Modem還分別經(jīng)HUB以及USB接口與CPE相連接。在調試環(huán)境中的CPE是基于Windows 98的個人電腦。
Cable Modem作為HFC網(wǎng)的用戶端設備,可以為用戶提供網(wǎng)絡的接入服務,是HFC網(wǎng)中的重要組成部分。通過分析Clabe Modem的協(xié)議堆棧以及功能要求等,綜合考慮系統(tǒng)的功能、成本、穩(wěn)定性等方面因素的前提下,給出了一種高性能、低成本的Cable Modem開發(fā)方案。
