基于CPRI協(xié)議的5G高速光纖接口研究

　　李奧，徐蘭天

　　（中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010)

　　摘要：“高速率”是5G通信的主要特性之一，為滿足即將到來的5G高速數(shù)據(jù)傳輸需求，需要提供一種高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸接口。本文就光纖傳輸結(jié)合支持多級傳輸速率的CPRI協(xié)議，設(shè)計(jì)出一種高速光纖接口控制板，控制板采用高性能的Virtex-6系列FPGA作為主要控制芯片，經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該控制板支持近10Gbit/s速率數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，具備高速的通信傳輸能力，完全支持5G通信的高速率傳輸。高速光纖接口控制板可用于多種5G設(shè)備的研究與開發(fā)，在5G開發(fā)行業(yè)與其它高速率數(shù)據(jù)傳輸場景具有很好的應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞：5G; 高速光纖接口; CPRI; FPGA

　　*項(xiàng)目基金：中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目《微波毫米波大帶寬大規(guī)模MIMO測試技術(shù)研究》

　　0 引言

　　新一代移動通信技術(shù)5G通信正在如火如荼的推進(jìn)當(dāng)中，5G相比4G帶來了數(shù)據(jù)流量和傳輸速率的大幅度提升，其典型用戶數(shù)據(jù)速率將提升10~100倍，峰值速率可達(dá)10 Gbit/s ^[1] 。高速的數(shù)據(jù)傳輸速率給傳統(tǒng)的雙絞線傳輸介質(zhì)帶來了巨大壓力，而光纖通信具有傳輸速度快、損耗低、容量大等特點(diǎn)， 非常適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，不過光纖接口相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的接口也更為復(fù)雜。由愛立信，華為，NEC，西門子和北電組成的通用無線接口聯(lián)盟規(guī)定了CPRI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，CPRI作為通用公共無線接口提供了無線控制設(shè)備（REC）與無線設(shè)備（RE）之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，通用的開放標(biāo)準(zhǔn)極大節(jié)約了產(chǎn)品成本，提高了其通用性和靈活性，有效地解決了5G通信下數(shù)據(jù)的高速傳輸需求。因此，基于CPRI協(xié)議的高速光纖接口研究具有重要的價值與意義。

　　本文采用Xilinx公司的Virtex6系列芯片與高性能DSP處理器相結(jié)合，設(shè)計(jì)出可控制4個光口收發(fā)的控制板?？刹捎没丨h(huán)測試方法對光口收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行測試，構(gòu)成一套可實(shí)現(xiàn)多級速率、數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)實(shí)時分析的高速光纖接口板卡。

　　2 CPRI協(xié)議概述

　　CPRI協(xié)議定義了物理層（Layer 1）和數(shù)據(jù)鏈路層（Layer 2），其中物理層包括電學(xué)傳輸接口和光學(xué)傳輸接口，數(shù)據(jù)鏈路層支持同向和正交數(shù)據(jù)、廠商特定信息、以太網(wǎng)、高級數(shù)據(jù)鏈路控制以及L1帶內(nèi)協(xié)議 ^[2] ，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　CPRI協(xié)議支持從614 Mbps到9830 Mbps的多級速率等級，目前市場上的專用高速接口芯片很少能夠支持CPRI的9830 Mbps速率等級，而支持該速率等級的FPGA型號較多，故本文選用性價比較高的Virtex6系列FPGA芯片。CPRI協(xié)議能夠有效處理REC與RE或RE與RE之間的光纖連接，其可將數(shù)條并行CPRI數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行串行化處理，從而實(shí)現(xiàn)光纖的超高速傳輸，CPRI協(xié)議模塊間的關(guān)系如圖2所示。

　　3 高速光口控制板設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文所要研究的高速光纖接口基于Virtex6系列FPGA芯片與高性能DSP處理器所設(shè)計(jì)的控制板，光口傳輸速率高達(dá)10Gb/s?？刂瓢迥芡ㄟ^預(yù)留的主控接口與上位機(jī)之間通信，并通過DSP來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)， FPGA來控制光口的通信以及數(shù)據(jù)的整理功能，整個控制板的基本架構(gòu)如圖3所示。

　　控制板包含四個光收發(fā)模塊，分別由一個DSP和一個FPGA控制兩個光收發(fā)模塊，DSP具有較高的工作頻率，其內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)MAC接口，外接一個物理層芯片就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)千兆的網(wǎng)絡(luò)通信。本文介紹的控制板基于多核數(shù)字信號處理器TMS320C6678，可實(shí)現(xiàn)單個芯片連接兩個千兆網(wǎng)口，這兩個網(wǎng)口可以各自獨(dú)立傳輸數(shù)據(jù)，也可以聯(lián)合傳輸數(shù)據(jù)，提高了實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。FPGA與DSP之間可通過FIFO進(jìn)行速率匹配，本文中控制板選用Xilinx公司型號為XC6VSX315T的FPGA作為主控芯片用來控制光纖接口的主要功能，主要功能是完成光收發(fā)模塊的使能控制、光傳輸?shù)逆溌饭芾硪约皵?shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，同時XC6VSX315T包含豐富的Slices及多個用戶I/O，可以滿足控制板的電路設(shè)計(jì)要求和后期擴(kuò)展與增強(qiáng)功能的設(shè)計(jì)，XC6VSX315T還包含5組GTX數(shù)據(jù)收發(fā)接口，每組GTX通道的傳輸速率最快可達(dá)6.6 Gb/s，可以滿足光纖接口的高速率要求 ^[3] 。此外，控制板還設(shè)計(jì)了主控接口，用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信，設(shè)計(jì)調(diào)試接口用于控制與調(diào)試，設(shè)計(jì)接插件接口用于外接其它接插件，很好的提高了其靈活性與可擴(kuò)展性。

　　整個控制板基于VPX架構(gòu)，主體芯片除兩片DSP及兩片Virtex-6 FPGA外，還包括1個RapidIO Switch。每片F(xiàn)PGA通過EMIF總線連接一片DSP，預(yù)留的調(diào)試接口可插接FMC子卡，F(xiàn)PGA可連接FMC子卡進(jìn)行調(diào)試。FPGA芯片外掛接2簇32 bit DDRIII SDRAM，最大容量支持2 GB。FPGA與DSP進(jìn)行的所有信號處理均通過SRIO連接板上一片8端口SRIO交換芯片。DSP芯片外掛最大容量支持2 GB的DDRIII SDRAM。兩片DSP之間通過HyperLink進(jìn)行高速直接互聯(lián)。兩片F(xiàn)PGA之間通過GTX以及若干LVDS信號互聯(lián)?？刂瓢逶O(shè)計(jì)符合工業(yè)級要求，其主體芯片架構(gòu)如下圖所示。

　　3.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　高速光纖接口控制板由FPGA作為主控芯片來控制光纖接口的主要功能，本次設(shè)計(jì)采用FPGA與CPRI的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)光口的多級速率，控制工程采用Verilog硬件描述語言來作為設(shè)計(jì)語言，Verilog語言因其簡單易讀，穩(wěn)定可靠等優(yōu)越性逐漸發(fā)展成為目前使用最為廣泛的硬件描述語言。使用Verilog描述硬件的基本設(shè)計(jì)單元是模塊，通過模塊的相互連接調(diào)用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電子電路，模塊中可以包括組合邏輯部分的邏輯電路圖、邏輯表達(dá)式、邏輯系統(tǒng)所完成的邏輯功能以及過程時序部分 ^[4] 。本文使用Xilinx Vivado 2017.2集成開發(fā)環(huán)境來實(shí)現(xiàn)高速光纖接口控制板的功能設(shè)計(jì)。

　　本文采用標(biāo)準(zhǔn)的FPGA的邏輯設(shè)計(jì)的基本方式，模塊化相應(yīng)的功能，根據(jù)功能進(jìn)行模塊劃分可分為時鐘管理模塊、數(shù)據(jù)控制與監(jiān)測模塊和CPRI IP核的調(diào)用模塊三個模塊，另外還有頂層模塊負(fù)責(zé)調(diào)用各子模塊以及數(shù)據(jù)接口。

　　控制板的主控芯片主要實(shí)現(xiàn)部分有：頂層模塊(cpri_1_example_design)，全局時鐘管理模塊(clk_wiz_0_i: clk_wiz_0)，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊(ila_0_i: ila_0)，光口數(shù)據(jù)控制與產(chǎn)生模塊(iq_tx_gen_i: iq_tx_gen)，光口數(shù)據(jù)接收模塊(iq_rx_clk_i: iq_rx_chk)，以及工程約束文件(cpri_1_example_design.xdc)等。

　　FPGA內(nèi)部CPRI在發(fā)送端完成8 B/10 B編碼和并串轉(zhuǎn)換，在接收端完成8 B/10 B解碼和串并轉(zhuǎn)換。通過調(diào)用監(jiān)測模塊設(shè)置的監(jiān)測腳可以觀測時鐘狀態(tài)及光口數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài)。發(fā)送模塊中，CPRI的標(biāo)準(zhǔn)16位數(shù)據(jù)拆分為高8位和低8位，使用FPGA的DDR模塊將兩部分?jǐn)?shù)據(jù)拼接成DDR數(shù)據(jù)發(fā)送出去；接收模塊將收到的DDR數(shù)據(jù)并行傳輸給FPGA，經(jīng)過同步與拼接后得到16位的CPRI數(shù)據(jù)，最后數(shù)據(jù)傳給CPRI模塊來進(jìn)行解幀處理。

　　本次的光口數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的CPRI協(xié)議已經(jīng)驗(yàn)證是穩(wěn)定可靠的傳輸協(xié)議，并封裝成可直接調(diào)用的IP核，該協(xié)議核內(nèi)部封裝了高速串行數(shù)據(jù)接口硬核，可編程邏輯器件通過綁定GTX通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)交互。單個GTX通道的數(shù)據(jù)傳輸速率可實(shí)現(xiàn)多個速率級別，最高可達(dá)將近10 Gbit/s，根據(jù)不同的需求可以多個通道的組合使用，從而可實(shí)現(xiàn)幾十Gbit速率甚至上百Gbit速率的數(shù)據(jù)傳輸，在實(shí)驗(yàn)測試中，所調(diào)用的CPRI核可以方便的設(shè)置多個等級的CPRI線性速率，從而可以很好的研究光口在不同速率下的收發(fā)狀態(tài) ^[5] ，下圖所示為可調(diào)用的CPRI協(xié)議的IP核界面。

　　4 高速光纖接口測試

　　本文采用光口回環(huán)測試方法對高速光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行測試，使用光模塊和光纖線纜將一個或多個光收發(fā)模塊構(gòu)成回環(huán)，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊設(shè)置的監(jiān)測腳觀測光口的收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行分析。SFP+光收發(fā)一體模塊包含兩個光纖接入端口，分別可用作發(fā)射端口與接收端口，并且體積小、易插拔，能夠很好的滿足本文的測試要求。為提高測試精度及測試效率，本文分別采用單光口自回環(huán)連接方式及三個光口構(gòu)成回環(huán)連接方式進(jìn)行測試，連接方法如下圖所示。

　　為了驗(yàn)證光纖通信系統(tǒng)能否滿足5G通信的高速率傳輸要求以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕疚姆謩e就6.144 Gbps和9.83 Gbps兩個CPRI速率等級進(jìn)行了測試。首先在測試文件中定義了一個數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊，發(fā)送端產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)通過光模塊端口輸出，經(jīng)過光纖回環(huán)到另一個光模塊端口。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊定義了發(fā)射端監(jiān)測腳和接收端監(jiān)測腳分別用來監(jiān)測發(fā)射端口與接收端口的數(shù)據(jù)狀態(tài)。在6.144 Gbit/s速率下，定義16位數(shù)據(jù)監(jiān)測腳，在9.83Gbps速率下定義32位數(shù)據(jù)監(jiān)測腳。

　　采用Vivado 2017.2軟件中的BehavioralSimulation進(jìn)行仿真驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)證，兩種速率等級下光纖通信系統(tǒng)均能正常收發(fā)數(shù)據(jù)，并且滿足5G通信的基本指標(biāo)。

　　5 結(jié)論

　　本文為滿足5G高速通信需求，設(shè)計(jì)了一種基于CPRI協(xié)議的高速光纖接口控制板，該控制板具有高性能的數(shù)據(jù)處理能力和高速的傳輸通信能力。通過在6.144 Gbps和9.83 Gbps兩個速率等級下的測試驗(yàn)證，高速光纖接口控制板具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，并且滿足5G通信的基本指標(biāo)。該高速光纖接口控制板可用于5G信號發(fā)生器與5G信號測試裝置等設(shè)備的研究和開發(fā)，對5G通信技術(shù)的發(fā)展與普及具有重大意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]屠方澤．5G面臨的測試挑戰(zhàn)及解決方案[J]．電子產(chǎn)品世界，2017(5): 18-19．

　　[2]馬志剛．CPRI原理及測試解決方案 [J]．電信網(wǎng)技術(shù)，2010(5): 68-70．

　　[3]Xilinx．Virtex-6 Family Overview [Z]．America: Xilinx Inc，2015．

　　[4]胡澤文．基于CPRI協(xié)議的光纖通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．電子元器件應(yīng)用，2011(2): 27-30．

　　[5]章潔．基于FPGA的高速光纖通信IP核研究設(shè)計(jì)[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015(5): 29-30．

　　作者簡介：

　　李奧（1993-），男，助理工程師，主要研究方向：信號與信息處理

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第36頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處