基于FPGA的10G以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

1 概述

隨著人們對(duì)通信信息的充裕性、及時(shí)性和便捷性的要求越來(lái)越高，能夠隨時(shí)隨地、方便而及時(shí)地獲取所需信息，變得越來(lái)越重要。2002年，IEEE通過(guò)了10 Gb/s速率的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.3ae[1]。10G以太網(wǎng)作為傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)的一次較大的升級(jí)，在原有的千兆以太技術(shù)的基礎(chǔ)上將傳輸速率提高了10倍，以滿足人們對(duì)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的要求。

2009年1月國(guó)內(nèi)3G牌照正式發(fā)放，標(biāo)志著我國(guó)3G時(shí)代的到來(lái)。為了適應(yīng)移動(dòng)通信的發(fā)展，各大運(yùn)營(yíng)商展開了大規(guī)模的3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；而移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心是基站建設(shè)，其成本也是最高的。此外，基站的性能好壞也是移動(dòng)通信服務(wù)質(zhì)量的決定因素。所以，運(yùn)營(yíng)商在不斷尋求新的方式以提高通信服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，也在努力降低通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。分布式基站具有成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工程建設(shè)方便的優(yōu)勢(shì)，從而代表了下一代基站的的基本走向。

分布式基站的核心是把傳統(tǒng)的宏基站基帶處理單元BBU和射頻拉遠(yuǎn)單元RRU分離，二者通過(guò)光纖連接。網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，BBU集中置放，其容量較大，實(shí)現(xiàn)了容量和覆蓋之間的轉(zhuǎn)換；RRU置于天面，其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，并且多個(gè)RRU可以共享BBU基帶資源，節(jié)省基帶投資。為了實(shí)現(xiàn)基站和直放站之間更有效的互通，愛立信、華為、NEC、北電網(wǎng)絡(luò)及西門子五大集團(tuán)合力制定了CPRI接口協(xié)議。該接口的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議成為了一個(gè)公共的可用指標(biāo)之一。

2 CPRI協(xié)議簡(jiǎn)述[2]

CPRI（Common Public Radio Interface）協(xié)議定義了兩個(gè)協(xié)議層——物理層（L1）和數(shù)據(jù)鏈路層（L2）。CPRI接口是位于REC(Radio Equipment Contorl,無(wú)線設(shè)備控制)和RE(Radio Equipment，無(wú)線設(shè)備)之間以及兩個(gè)RE之間的內(nèi)部數(shù)據(jù)化接口；有3種不同的信息流（用戶平臺(tái)數(shù)據(jù)流SAPIQ、控制和管理平臺(tái)數(shù)據(jù)流SAPCM和同步平臺(tái)數(shù)據(jù)流SAPS）經(jīng)過(guò)CPRI接口傳輸。

3 FPGA實(shí)現(xiàn)CPRI協(xié)議傳輸方案

3.1 基本方案

用FPGA實(shí)現(xiàn)CPRI協(xié)議傳輸具有以下2種方案。

(1) 方案一

RocketIO收發(fā)器的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)CPRI協(xié)議的光纖通信[3]。其中，RocketIO收發(fā)器是Xilinx公司在Virtex2Pro芯片及以上系列芯片上集成的專用串行通信模塊，在使用時(shí)不占用FPGA其他資源。在Virtex5系列FPGA中，RocketIO稱為GTP。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路板結(jié)構(gòu)緊湊，有利于PCB板布線，且具有很高的系統(tǒng)抗干擾能力。此外，參數(shù)設(shè)置方便，有利于系統(tǒng)調(diào)試。每塊Virtex5型的FPGA芯片中含有多個(gè)GTP收發(fā)器，可以通過(guò)運(yùn)用4個(gè)GTP來(lái)實(shí)現(xiàn)10 Gb/s的高速率傳輸。每一個(gè)GTP核中包含一個(gè)接收鏈路和一個(gè)發(fā)送鏈路[45]。

(2) 方案二

利用串并轉(zhuǎn)換的專用芯片，如TI公司生產(chǎn)的TLK2501、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的串行/解串器SCAN25100[67]等。其中，SCAN25100的功能最完善，其具備8b/10b編解碼、高速串并轉(zhuǎn)換、鎖定檢測(cè)、CPRI信號(hào)和幀丟失檢測(cè)等功能。該芯片具有高精度延時(shí)校準(zhǔn)測(cè)量電路、時(shí)鐘管理以及信號(hào)調(diào)節(jié)功能。

3.2 具體實(shí)現(xiàn)

SCAN25100支持的傳輸速率為2.4576 Gb/s、1.2288 Gb/s和0.6144 Gb/s；TLK2501支持的傳輸速率為1.5～2.5 Gb/s。如果采用專用串并轉(zhuǎn)換芯片，為了實(shí)現(xiàn)10 Gb/s的速率，必須采用4塊專用芯片，從而加大了PCB板的布線難度和電路板面積，不利于電路設(shè)計(jì)。

圖1 以太網(wǎng)光接口結(jié)構(gòu)

本文采取第一種設(shè)計(jì)方案完成10 Gb/s的CPRI高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)。如圖1所示，以太網(wǎng)光接口包括4部分：10GE光接口、PHY收發(fā)器、時(shí)鐘模塊、FPGA。其中，10GE光接口和PHY收發(fā)器是實(shí)現(xiàn)該10G以太網(wǎng)光接口的硬件設(shè)備；FPGA部分是本文設(shè)計(jì)的核心，采用Xilinx公司的 Virtex6芯片。

10GE光接口：光纖模塊，由光電子器件、功能電路和光接口等組成，其中包括發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分是：輸入一定碼率的電信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)芯片處理后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號(hào)。接收部分是：一定碼率的光信號(hào)輸入模塊后由光信號(hào)管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號(hào)[7]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]討論的結(jié)果，本文設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)選用的是XFP（萬(wàn)兆以太網(wǎng)接口小封裝可插拔收發(fā)器）光模塊，與電路板的接口采用10 Gb/s串行電路接口，其只負(fù)責(zé)完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低且較易實(shí)現(xiàn)多端口集成。

PHY收發(fā)器：物理層芯片，主要作用是提供以太網(wǎng)的接入通道。該模塊將從FPGA傳輸過(guò)來(lái)的4路3.125 Gb/s的數(shù)據(jù)流合成12.5 Gb/s的數(shù)據(jù)流傳輸給光模塊；并且，將從光模塊傳輸過(guò)來(lái)的12.5 Gb/s的數(shù)據(jù)流分成4條鏈路，以3.125 Gb/s傳輸給FPGA。在該數(shù)據(jù)流傳輸中，由于FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b編解碼，因此有效碼率是10 Gb/s，能夠滿足本文的設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)10G以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)流傳輸。

時(shí)鐘模塊：時(shí)鐘模塊內(nèi)采用輸出頻率為61.44 MHz的有源晶振為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。由于每一數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率為3.125 Gb/s，GTP核對(duì)參考時(shí)鐘具有很高的精度要求，所以系統(tǒng)選擇高精度的差分時(shí)鐘作為參考時(shí)鐘。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，GTP核的參考時(shí)鐘沒有采用DCM（Digital Clock Manager，數(shù)字時(shí)鐘管理器）提供的時(shí)鐘。因?yàn)樵诟咚贁?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，DCM會(huì)引入一些不可預(yù)測(cè)的時(shí)鐘抖動(dòng)，這些抖動(dòng)會(huì)隨著參考時(shí)鐘輸入到GTP核中，從而造成誤碼。通常使用外部差分晶振源，經(jīng)過(guò)全局時(shí)鐘緩沖的輸出信號(hào)作為GTP的參考時(shí)鐘，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由GTP內(nèi)部的DCM產(chǎn)生時(shí)鐘，作為RXUSRCLK、RXUSRCLK2、TXUSRCLK、TXUSRCLK2的時(shí)鐘源，從而消除時(shí)鐘抖動(dòng)以及保持證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的同步性[89]。

FPGA部分：其主要作用包括功能作用和配置監(jiān)控作用。在該方案中，F(xiàn)PGA的功能作用主要是完成數(shù)據(jù)的8b/10b編解碼、高速串并轉(zhuǎn)換，以及CPRI協(xié)議的成幀、解幀、同步、傳輸數(shù)據(jù)復(fù)/分解等操作。FPGA的控制作用主要是針對(duì)光接口模塊和PHY模塊。對(duì)于光接口模塊，由于XFP提供一個(gè)兩線的串行接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)診斷功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控光模塊的各種參數(shù)，所以FPGA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)于PHY模塊，F(xiàn)PGA通過(guò)SMI接口來(lái)控制該模塊的工作模式和檢測(cè)該模塊的工作狀態(tài)。

4 設(shè)計(jì)驗(yàn)證