SDH中E1接口數字分接復用器VHDL設計及FPGA實(shí)現

摘要：介紹了SDH系統中的接口電路——數字分接復用器的VHDL設計及FPGA實(shí)現。該分接復用器電路用純數字同步方式實(shí)現，可完成SDH系統接口電路中7路（可擴展為N路）E1數據流的分接和復用。該設計顯示了用高級硬件描述語(yǔ)言VHDL及狀態(tài)轉移圖作為輸入法的新型電路設計方法的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：分接復用器 狀態(tài)轉移圖 VHDL FPGA

為擴大數字通信系統的傳輸容量，信道上的信號都是在發(fā)送端分接，在接收端復接。在通信接口電路中能完成這一功能的電路就叫作分接復用器。

該分接復用器提供了標準的E1接口可供SDH系統方便使用。在點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)，采用該分接復用器可以使系統速率提高到N（N為1、2、3等）倍E1速率以上。當用戶(hù)需求速率超過(guò)E1速率但又達不到34.368Mbps的VC-3速率時(shí)，一個(gè)好的方法就是采用E1分接復用器接口電路。比如以太網(wǎng)通信需要10Mbps的速率時(shí)，采用該分接復用器，取N=7就可實(shí)現通信要求。

針對目前國內SDH系統中還沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的E1分接復用芯征，本文介紹一種用高級硬件描述語(yǔ)言VHDL及狀態(tài)轉移圖完成該發(fā)接復用器的設計的新型設計方法及其FPGA實(shí)現。并給出了用Xilinx Foundation tools EDA軟件設計的電路仿真波形及Spartan XCS30XL完成FPGA實(shí)現的結果。

1 數字分接復用器結構原理

本數字分接復用器的功能是：在發(fā)送端把12Mbps經(jīng)過(guò)編碼的有幀結構的Ethernet(以太網(wǎng))碼流分接為7路標準E1接口速率數據流，SDH設備再把這7路數據映射到155Mbps的速率去通過(guò)光纖傳輸到下一個(gè)SDH設備；在接收端由SDH設備從155Mbps的數據流中取出7路標準E1速率數據正確恢復為原來(lái)的12Mbps的Ethernet(以太網(wǎng))碼流。

發(fā)送端12Mbps有幀結構數據幀間由全1空閑碼填充。從數字分接復用器發(fā)送輸出的7路E1數據由于傳輸處理過(guò)程中路中不同，必然會(huì )造成7路E1數據在傳輸過(guò)中的各路時(shí)延不一致，這就使得各路數據不同步。在設計中如何在接收端使得7路E1數據同步，從而正確恢復原發(fā)送端12Mbps數據就成了一個(gè)難題。針對這一問(wèn)題制定出了如下的解決方案。

1.1 數字分接器原理框圖及說(shuō)明

如圖1所示，把數字分接器從總體上劃分為：時(shí)鐘產(chǎn)生、幀頭/幀尾檢測、串并變換、固定插零、FIFO插入SYNC五個(gè)模塊。

在發(fā)送端，分接器的時(shí)鐘產(chǎn)生電路把14Mbps系統時(shí)鐘XCLK轉變?yōu)?2Mbps時(shí)鐘，用這一時(shí)鐘對端口來(lái)的12Mbps成幀數據DATAIM做幀頭（1100010001）/幀尾（1000000001）檢測，檢測出幀頭后再做串/并變換操作，這樣就初步完成了分接器的功能。但是，為了使數字復接器能正確復接就需要在分接器輸出的7路數據中分別插入同步頭SYNC（0111111110）。為了使數據和插入的SYNC區別開(kāi)來(lái)，須要在7路數據中每隔7bit就固定地插入“0”。這樣，就保證了插入的SYNC不會(huì )與正常的掌握相混淆，從而也使得分接出的7路數據變?yōu)闃藴实腅1數據。

1.2 數字復接器原理框圖及說(shuō)明

數字復接器原理框圖如圖2所示。與分接器相呼應，可把復接器從總體上劃分為：SYNC檢測、SYNC扣除、并/串轉換、扣除零、幀頭/幀尾檢測5個(gè)模塊。

在接收端，復接口的SYNC檢測模塊在7路E1數據流中分別檢測出7個(gè)SYNC。通過(guò)SYNC扣除模塊扣除在分接器中插入的SYNC，并使得7路E1數據同步。之后，就可以對這7路E1數據進(jìn)行并/串轉換了。對于轉換后的14Mbps數據還需要扣除在分接器中固定插入的零。根據要求對于12Mbps的數據再一次做幀頭/幀尾檢測以便在兩幀數據之間插入全“1”的空閑碼。這樣的就正確恢復出發(fā)送端的12Mbps碼流。

在發(fā)送端和接收端所有SYNC的處理都用FIFO技術(shù)來(lái)實(shí)現。電路設計采用硬件高級描述語(yǔ)言VHDL和狀態(tài)機來(lái)完成，用FPGA驗證實(shí)現。為提高電路的可實(shí)現性，設計全部采用D觸發(fā)器和邏輯門(mén)來(lái)實(shí)現，并且綜合約束工具來(lái)控制FPGA內部電路的路徑延時(shí)。

2 VHDL語(yǔ)言設計相對于傳統設計的優(yōu)點(diǎn)

（1）采用自頂向上（Top Down）的設計方法

與傳統的系統硬件設計從具體的設計單元開(kāi)始不同，VHDL設計是從系統的總體要求出發(fā)，先進(jìn)行系統建模仿真，仿真通過(guò)后再利用VHDL層次化、結構化及行為化的描述方法將各個(gè)模塊模型用可實(shí)現的VHDL電路描述替換。這對于一個(gè)非常大的硬件系統設計從總體上把握設計的可行性是非常重要的。

（2）采用系統的早期仿真

通過(guò)對系統建模的早期仿真便于在系統設計的早期發(fā)現設計中潛在的問(wèn)題，與傳統的自下而上設計的后期仿真相比可大大縮短系統設計的周期。

（3）降低了硬件電路的設計難度

不需要象傳統的設計方法在設計前就要寫(xiě)出電路的邏輯表達式、真值表及卡諾圖化簡(jiǎn)，VHDL在設計計數器的時(shí)候只關(guān)心計數器的狀態(tài)就可以了。這樣也大大縮短系統設計的周期。這對于時(shí)間效益的現代社會(huì )是非常重要的。

（4）VHDL設計文檔的靈活性

用VHDL設計硬件電路，主要的設計文件是用VHDL編寫(xiě)的源程序。如果需要也可以利用EDA軟件轉化為原理圖。另外，它資源量小，便于保存，可以方便地被其它設計所利用，可繼承性好，在源文件中可方便地加入注釋?zhuān)勺x性好。

3 分接復用器的VHDL及狀態(tài)轉移圖設計

3.1 分接復用器頂層VHDL建模（Top level）及系統功能仿真

（1）系統發(fā)送頂層建模的VHDL端口描述

Library IEEE;

Use IEEE.std_logic_1164.all;--引用庫說(shuō)明；

Entity TRAN_TOP is

Port (RESET : IN STD_LOGIC;--ststem reset signal;

XCLK_IN : IN STD_LOGIC;--14.336MHz input high clock;

DATAIN : IN STD_LOGIC;--12.544MHz input data;

CLK12M :OUT STD_LOGIC;--12.544MHz input clock;

READCLK_OUT:OUT STD_LOGIC;--2.048 MHz output clock;

ROUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 downto 0)-2.048 MHz 7 route -output data;

);

end TRAN_TOP;

(2)系統發(fā)送頂層建模的VHDL仿真波形

如圖3所示，送來(lái)的10M二進(jìn)制的一幀數據（DATAIN）為“1100010001（幀頭）1111111111，1111111111，1111111111，11111111，1000000001 （幀尾）”。把分接為7路2M的數據如下：

ROUT0：0，0111111110（插入的SYNC）1011111，0（每7bit固定插入‘0’）10,111…(空閑碼)

ROUT1：0，0111111110（插入的SYNC）1011111，0（每7bit固定插入‘0’）10，111…（空閑碼）

ROUT2：0，0111111110（插入的SYNC）0111111，0（每7bit固定插入‘0’）10，111…（空閑碼）

ROUT3：0，0111111110（插入的SYNC）0111111，0（每7bit固定插入‘0’）10，111…（空閑碼）

ROUT4：0，0111111110（插入的SYNC）0111111，0（每7bit固定插入‘0’）00，111…（空閑碼）

ROUT5：0，0111111110（插入的SYNC）1111111，0（每7bit固定插入‘0’）01，111…（空閑碼）

ROUT6：0，0111111110（插入的SYNC）0111111，0（每7bit固定插入‘0’）0，1111…（空閑碼）

這樣，從仿真波形可知電路完成了每幀二進(jìn)制10M數據分接為7路2M數據時(shí)在每路2M數據中插入SYNC（0111111110）、每7bit固定插入‘0’以及在10M數據每幀分接完后插入全1空閑碼的操作。

（3）系統接收頂層建模的VHDL端口描述

Library IEEE;

Use IEEE.std_logic_1164.all; --引用庫說(shuō)明；

Entity RCV_TOP is

Port (RESET:IN STD_LOGIC; --system reset signal;

XCLK : IN STD_LOGIC: --14.336MHz input high clock;

CLKIN: IN STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); --2.048MHz 7 rout input clock;

DATAIN:IN STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0); --2.048MHz 7 rout input data;

CLK_OUT:OUT STD-LOGIC; --12.544MHz output clock;

DATAOUT:OUT STD_LOGIC; --12.544MHz output data;

);

end RCV_TOP;

(4)系統接收頂層建模的VHDL仿真波形

如圖4所示。7路包含有SYNC（0111111110）及每7bit插入‘0’的兩幀2M數據通過(guò)接收系統被正確地復接為10M數據。HEAD_FLAG和END_FLAG分別為復接幀數據的幀頭幀尾指示信號。

這時(shí)的7路仿真數據相互之間的延遲不同，其中第DATAIN0延遲最大（8bit），通過(guò)系統仿真可以證明7路2M數據間的延遲差最大可到125bit，遠遠起過(guò)技術(shù)要求的1～6bit。這樣，從系統上確保了設計的可行性。

3.2 狀態(tài)轉移圖設計方法

為去除毛刺，本設計中的計數器全部采用格雷碼計數器。因為格雷碼計數器從前一個(gè)狀態(tài)到后一個(gè)狀態(tài)的變化同時(shí)只有一位矢量發(fā)生狀態(tài)反轉（如：對于一個(gè)8位計數器它的計數狀態(tài)變化是：000→001→011→010→110→111→101→100），故對它譯碼時(shí)可以防止競爭冒險現象，從而消除了電路在譯碼時(shí)可能產(chǎn)生的刺。對于有大量狀態(tài)轉移的電路，采用狀態(tài)轉換圖輸入法方便、直觀(guān)；在FOUNDATION工具中，狀態(tài)圖輸入又可以轉化為VHDL語(yǔ)言，這又大大提高了電路設計的靈活性。

4 功能仿真、后仿真和FPGA實(shí)現

本設計采用自頂向下（top-down）的設計方法。但為確保設計的可行性，對于每一個(gè)子模塊都進(jìn)行了功能仿真和后仿真。用foundation工具做功能仿真時(shí)，電路中沒(méi)有器件延時(shí)和線(xiàn)延遲，只能從電路的功能上驗證設計的正確性；而后仿零點(diǎn)能模擬實(shí)際電路中的器件延時(shí)和線(xiàn)延時(shí)，從而能進(jìn)一步驗證設計在實(shí)際工作中的正確性。最后本設計在FPGA（Xilinx Spartan XCS30TQ144）實(shí)現，其工作頻率可達到20MHz，并在SDH系統的光纖環(huán)網(wǎng)上通過(guò)了測試。

5 FPGA驗證及問(wèn)題討論

（1）FPGA驗證時(shí)的7路2M數據間的延遲差

為了驗證7路數據在傳輸中有不同延時(shí)，分接復用器依然能正常工作，就需要模擬出7路不同的延時(shí)來(lái)。有三種不同的實(shí)現方法來(lái)完成：·這7路不同的延時(shí)可以在FPGA內中用不同的非門(mén)串起來(lái)實(shí)現；

·可以采用74系列器件在FPGA外部完成不同延時(shí)的模擬；

·在FPGA內部用不同級數的D觸發(fā)器來(lái)模擬7路不同的延時(shí)。

在本設計中采用的是第三種。該方法的好處是易于控制不同路的延時(shí)，只要改變不同路中D觸發(fā)器的級數就可以改變7路不同的延時(shí)。

（2）為提高分接復用器的傳輸效率，可采用不固定插“0”法，例如HDLC中的插“0”法

（3）可以通過(guò)在綜合時(shí)進(jìn)一步加約束來(lái)提高分接復用器的工作頻率。

本文中的分接復用器為系統通信提供了靈活的速率選擇?？筛鶕煌枰?，以2Mbps為基數來(lái)配置各種數據速率。本設計中采用VHDL輸入法及狀態(tài)圖輸入法，大大縮短了設計周期，提高了設計的可靠性，并且大大增加了設計的可移值性。該設計的成功表明硬件描述高級語(yǔ)言（VHDL）是硬件設計的一種十分有效的手段。