SDH中E1接口數(shù)字分接復用器VHDL設計及FPGA實現(xiàn)

摘要：介紹了SDH系統(tǒng)中的接口電路——數(shù)字分接復用器的VHDL設計及FPGA實現(xiàn)。該分接復用器電路用純數(shù)字同步方式實現(xiàn)，可完成SDH系統(tǒng)接口電路中7路（可擴展為N路）E1數(shù)據(jù)流的分接和復用。該設計顯示了用高級硬件描述語言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。

關鍵詞：分接復用器 狀態(tài)轉移圖 VHDL FPGA

為擴大數(shù)字通信系統(tǒng)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(tǒng)方便使用。在點到點通信時，采用該分接復用器可以使系統(tǒng)速率提高到N（N為1、2、3等）倍E1速率以上。當用戶需求速率超過E1速率但又達不到34.368Mbps的VC-3速率時，一個好的方法就是采用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，采用該分接復用器，取N=7就可實現(xiàn)通信要求。

針對目前國內SDH系統(tǒng)中還沒有一個專門的E1分接復用芯征，本文介紹一種用高級硬件描述語言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實現(xiàn)。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實現(xiàn)的結果。

1 數(shù)字分接復用器結構原理

本數(shù)字分接復用器的功能是：在發(fā)送端把12Mbps經過編碼的有幀結構的Ethernet(以太網(wǎng))碼流分接為7路標準E1接口速率數(shù)據(jù)流，SDH設備再把這7路數(shù)據(jù)映射到155Mbps的速率去通過光纖傳輸?shù)较乱粋€SDH設備；在接收端由SDH設備從155Mbps的數(shù)據(jù)流中取出7路標準E1速率數(shù)據(jù)正確恢復為原來的12Mbps的Ethernet(以太網(wǎng))碼流。

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

1.1 數(shù)字分接器原理框圖及說明

如圖1所示，把數(shù)字分接器從總體上劃分為：時鐘產生、幀頭/幀尾檢測、串并變換、固定插零、FIFO插入SYNC五個模塊。

在發(fā)送端，分接器的時鐘產生電路把14Mbps系統(tǒng)時鐘XCLK轉變?yōu)?2Mbps時鐘，用這一時鐘對端口來的12Mbps成幀數(shù)據(jù)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(shù)字復接器能正確復接就需要在分接器輸出的7路數(shù)據(jù)中分別插入同步頭SYNC（0111111110）。為了使數(shù)據(jù)和插入的SYNC區(qū)別開來，須要在7路數(shù)據(jù)中每隔7bit就固定地插入“0”。這樣，就保證了插入的SYNC不會與正常的掌握相混淆，從而也使得分接出的7路數(shù)據(jù)變?yōu)闃藴实腅1數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)字復接器原理框圖及說明

數(shù)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個模塊。

在接收端，復接口的SYNC檢測模塊在7路E1數(shù)據(jù)流中分別檢測出7個SYNC。通過SYNC扣除模塊扣除在分接器中插入的SYNC，并使得7路E1數(shù)據(jù)同步。之后，就可以對這7路E1數(shù)據(jù)進行并/串轉換了。對于轉換后的14Mbps數(shù)據(jù)還需要扣除在分接器中固定插入的零。根據(jù)要求對于12Mbps的數(shù)據(jù)再一次做幀頭/幀尾檢測以便在兩幀數(shù)據(jù)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技術來實現(xiàn)。電路設計采用硬件高級描述語言VHDL和狀態(tài)機來完成，用FPGA驗證實現(xiàn)。為提高電路的可實現(xiàn)性，設計全部采用D觸發(fā)器和邏輯門來實現(xiàn)，并且綜合約束工具來控制FPGA內部電路的路徑延時。

2 VHDL語言設計相對于傳統(tǒng)設計的優(yōu)點

（1）采用自頂向上（Top Down）的設計方法

與傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設計從具體的設計單元開始不同，VHDL設計是從系統(tǒng)的總體要求出發(fā)，先進行系統(tǒng)建模仿真，仿真通過后再利用VHDL層次化、結構化及行為化的描述方法將各個模塊模型用可實現(xiàn)的VHDL電路描述替換。這對于一個非常大的硬件系統(tǒng)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(tǒng)的早期仿真

通過對系統(tǒng)建模的早期仿真便于在系統(tǒng)設計的早期發(fā)現(xiàn)設計中潛在的問題，與傳統(tǒng)的自下而上設計的后期仿真相比可大大縮短系統(tǒng)設計的周期。

（3）降低了硬件電路的設計難度

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

（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，可讀性好。

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(tǒng)功能仿真

（1）系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)送頂層建模的VHDL仿真波形

如圖3所示，送來的10M二進制的一幀數(shù)據(jù)（DATAIN）為“1100010001（幀頭）1111111111，1111111111，1111111111，11111111，1000000001 （幀尾）”。把分接為7路2M的數(shù)據(jù)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制10M數(shù)據(jù)分接為7路2M數(shù)據(jù)時在每路2M數(shù)據(jù)中插入SYNC（0111111110）、每7bit固定插入‘0’以及在10M數(shù)據(jù)每幀分接完后插入全1空閑碼的操作。

（3）系統(tǒng)接收頂層建模的VHDL端口描述

Library IEEE;

Use IEEE.std_logic_1164.all; --引用庫說明；

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(tǒng)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(shù)據(jù)通過接收系統(tǒng)被正確地復接為10M數(shù)據(jù)。HEAD_FLAG和END_FLAG分別為復接幀數(shù)據(jù)的幀頭幀尾指示信號。

這時的7路仿真數(shù)據(jù)相互之間的延遲不同，其中第DATAIN0延遲最大（8bit），通過系統(tǒng)仿真可以證明7路2M數(shù)據(jù)間的延遲差最大可到125bit，遠遠起過技術要求的1～6bit。這樣，從系統(tǒng)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(shù)器全部采用格雷碼計數(shù)器。因為格雷碼計數(shù)器從前一個狀態(tài)到后一個狀態(tài)的變化同時只有一位矢量發(fā)生狀態(tài)反轉（如：對于一個8位計數(shù)器它的計數(shù)狀態(tài)變化是：000→001→011→010→110→111→101→100），故對它譯碼時可以防止競爭冒險現(xiàn)象，從而消除了電路在譯碼時可能產生的刺。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；在FOUNDATION工具中，狀態(tài)圖輸入又可以轉化為VHDL語言，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實現(xiàn)

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，對于每一個子模塊都進行了功能仿真和后仿真。用foundation工具做功能仿真時，電路中沒有器件延時和線延遲，只能從電路的功能上驗證設計的正確性；而后仿零點能模擬實際電路中的器件延時和線延時，從而能進一步驗證設計在實際工作中的正確性。最后本設計在FPGA（Xilinx Spartan XCS30TQ144）實現(xiàn)，其工作頻率可達到20MHz，并在SDH系統(tǒng)的光纖環(huán)網(wǎng)上通過了測試。

5 FPGA驗證及問題討論

（1）FPGA驗證時的7路2M數(shù)據(jù)間的延遲差

為了驗證7路數(shù)據(jù)在傳輸中有不同延時，分接復用器依然能正常工作，就需要模擬出7路不同的延時來。有三種不同的實現(xiàn)方法來完成：·這7路不同的延時可以在FPGA內中用不同的非門串起來實現(xiàn)；

·可以采用74系列器件在FPGA外部完成不同延時的模擬；

·在FPGA內部用不同級數(shù)的D觸發(fā)器來模擬7路不同的延時。

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，只要改變不同路中D觸發(fā)器的級數(shù)就可以改變7路不同的延時。

（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）可以通過在綜合時進一步加約束來提高分接復用器的工作頻率。

本文中的分接復用器為系統(tǒng)通信提供了靈活的速率選擇。可根據(jù)不同需要，以2Mbps為基數(shù)來配置各種數(shù)據(jù)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言（VHDL）是硬件設計的一種十分有效的手段。