一种基于FPGA的EoPDH传输系统

张天照（中国电子科技集团公司第五十研究所 上海　200331）

一种基于FPGA的EoPDH传输系统

张天照
（中国电子科技集团公司第五十研究所 上海200331）

为了满足某战术通信系统终端IP化接入的发展要求，提出了一种基于FPGA的EoPDH（Ethernet over PDH）传输系统；该系统采用逻辑编程的方式实现接口协议、数据格式转换等主要处理环节，融合既有功能组件实现话音业务的传输、链路的管理控制等功能；仿真和试验表明，系统的处理核心可以线速处理数据业务，处理延时相对固定可控，支持用户直接通过以太网口进行数据业务的透明传输，支持数话同传，与既有的通信系统融合度高。

EoPDH；FPGA；数话同传；通信系统

在某战术通信系统中，通信节点之间的传输带宽较窄、变化范围大，传输协议多为非标准的专用协议，业务种类多、实时性要求高，传输体制以PDH为主；采用基于CPU转换接入IP化终端的方式［1］难以满足未来的发展要求；面向电信、互联网领域开发的一系列规范化的EoPDH技术［2-3］，无法直接加以应用。针对这些情况，本文设计了一种IP化终端可以直接接入的有线传输系统；数据处理过程参考标准技术规范，提高系统的通用性；采用FPGA作为信息处理的核心，以其逻辑可编程、处理速度快的特点提高系统的灵活性、实时性；整合既有的话音、管理控制等功能组件，提高与战术通信系统的融合度。

1　系统设计

如图1所示，在传输系统的用户侧，计算机终端上通常运行一系列数据处理软件、网络管理软件，通过以太网口与系统进行各类数据业务、管理控制命令的交互；模拟话音终端通常采用兼容电信标准的模拟音频设备，经由话音模块数字化处理后接入系统。在网络侧，通信节点之间采用符合战术通信系统规范的xDSL（Digital Subscriber Line）模块构建有线链路［4］，根据被覆线缆铺设环境、误码率要求等因素确定线路速率。在用户侧和网络侧之间的模块构成传输系统的核心，其基本工作原理是对用户信息进行一系列复杂的处理，实现在既有链路上的传输。其中，采用Xilinx公司的FPGA芯片XC5VFX70T-2作为处理核心，实现各类信息的接入，数据的格式转换、封装、映射，流量的管理控制等功能；采用Micron公司的DDR2芯片MT47H64M16HW作为FPGA的外部缓存［5-6］；采用 Marvell公司的以太网物理层芯片（以下简称 PHY芯片）88E1111实现数据用户以 10/100/ 1000Mbps速率、全/半双工模式接入系统；采用既有的CPU模块解析各类命令/信令、管理控制其它各个模块、实时监测维护传输链路；采用压控时钟源、高精度时钟源、频率比较电路构成的时钟模块向系统提供各类工作时钟、维护网络同步。

图1　传输系统构成框图

2　FPGA设计

如图 2所示，FPGA处理核心的预处理单元、GFP （Generic Framing Procedure）单元、流量管控单元对数据进行缓冲与解析、封装/解封装等处理；其它单元结合对应的模块进行接口协议的处理；主要工作过程涉及初始化、信息收发、管理控制等方面。

图2　FPGA逻辑电路主要构成框图

2.1初始化

在初始化过程中依次经历CPU模块自举、以太网口初始化、系统设置3个阶段。第一阶段主要实现CPU模块自身的启动以及对FPGA的程序加载。在第二阶段，CPU模块先与CPU接口单元进行适配，然后通过8位并行本地总线读写FPGA的相关寄存器，启动其它各单元；PHY管控单元通过MDC/MDIO串行口读取PHY芯片自动协商后的工作速率、模式等信息，并存入PHY状态寄存器；CPU模块读取该寄存器信息并进行解析，生成MAC［7-9］单元的设置参数；通过MAC控制寄存器设置MAC单元，完成与PHY芯片的匹配，使以太网口进入正常工作状态。在第三阶段，用户通过计算机终端发出设置系统的管理控制命令，经过以太网口送入MAC单元后首先进行前导码、帧起始符的检查以确定帧的起始，然后进行CRC校验［10-11］、长度检查、地址检查；符合条件的帧送往CPU模块，不符合的丢弃；CPU模块对收到的命令解析并生成设置参数，通过相应的控制寄存器设置各单元，通过SPI总线配置话音模块、xDSL模块，使传输系统进入预期的工作状态。

2.2用户发送信息

1）数据业务的发送：用户数据经以太网口、MAC单元送入预处理单元后依次进行分类、净载荷生成、缓存；通过检测以太网帧的源目地址值区分帧类型，管理控制帧送往CPU模块；对数据业务帧，根据用户数据报文中的优先级字段进行优先级分类，根据用户设置情况去除地址、长度/类型、CRC序列等字段中的一种或几种后形成净载荷，并计算出净载荷的长度；协同流量管控单元，将净载荷及其长度值存入DDR2分配的缓冲空间，并标识该缓冲空间的优先级、处理状态。在流量管控单元的协调下，GFP单元将待处理的净载荷取出后转换为32位宽，以G.7041规定的GFP-F方法［12-13］为基础进行封装；根据净载荷的长度、扩展头要求等信息，计算出载荷长度指示 PLI及其 CRC校验序列 cHEC，然后与 32’hb6ab31e0序列异或生成加扰的核心头；结合净载荷的数据类型等信息，生成载荷类型标识PTI、载荷校验序列标识PFI、扩展头标识EXI、用户载荷标识UPI等控制、校验字段，嵌入净载荷后采用x43+1多项式进行自同步扰码生成载荷；将核心头、载荷拼接后形成GFP帧，再经过并串转换、码速调整后送入复分接［14］单元；其中，用户可以通过设置开启或关闭扰码、比特翻转、载荷校验等处理环节。复分接单元根据时隙分配情况将数据业务和话音业务复接，对复接后的数据流进行交织、TDM（Time Division Multiplexing）接口适配，经xDSL模块输出至网络。传输系统中以太网帧、GFP帧、TDM流的数据格式及其之间的映射关系如图3所示。

图3　传输系统中主要数据格式及其之间的映射关系

2）话音业务的发送：话音接口单元对TDM总线送入的话音业务进行码速、时隙调整后直接送入复分接单元，经过与数据业务相似的处理后送入网络。

2.3用户接收信息

1）数据业务的接收：接收过程是与发送相似的逆过程，主要区别在解封装环节；GFP单元对分接的数据业务流根据PLI与cHEC的相关性逐字节的搜索核心头，当确定第一个帧的核心头后根据PLI值查找下一帧的核心头，连续多次正确检测到核心头后帧的捕获进入同步状态，然后进行载荷解扰、校验、字段去除等一系列解封装处理，并根据UPI值分离出远端管理控制命令帧。此外，用户侧带宽一般远高于网络侧，在预处理环节通过减少缓冲空间的数量、取消优先级控制简化设计、减少处理延时。

2）话音业务的接收：话音接口单元对复分接单元分接的话音业务进行码速、时隙调整，在话音信令控制下经话音模块送入模拟话音终端。

2.4管理与控制

1）用户的管理与控制：通过网络管理软件产生的管理控制命令对本地的各个模块进行设置，各个模块的状态信息以管理控制命令的形式实时上报；对需要传送到远端的管理控制命令，经过CPU模块的解析后封装成IP包，并存入DDR2分配的缓冲空间，经过与数据业务相似的GFP封装、复接后送入网络，远端再经过相应的逆处理后对命令进行解析、执行；其中，在封装过程中UPI值为8’h10，表示封装的是IP包。

2）数据业务的管理与控制：主要包括基于优先级的延时控制和基于流量的链路管理两方面［15-16］。系统对于具有最高优先级的数据业务无条件的优先处理；对于其他优先级业务，在用户规定的时间内，以优先级高低为处理顺序，超过规定时间，以等待处理时间为处理顺序；着重控制高优先级业务、均衡系统整体的传输延时。用户根据延时要求、接口带宽、流量突发等因素设置缓冲空间的数量、开启流量管控单元的流量控制机制；在传输过程中，流量管控单元检测到发送方向使用的缓冲空间数量达到预设值的3/4或收到远端的流量管理控制命令，使MAC单元向用户侧发送暂停帧，无有效缓冲空间时，使GFP单元发送空闲帧；检测到接收方向无有效缓冲空间时，使MAC单元发送空闲帧，检测到接收方向异常时，使CPU模块向远端发送流量管理控制命令。用户可以通过改变缓冲空间的数量改善系统平滑流量突发的能力；也可以结合上层的优先级调整、流量控制等机制，调整处理核心的工作参数。

3）话音业务的管理与控制：采用与战术通信系统相同的基于信令的话音业务管理控制机制。系统中模拟话音终端产生的双音多频信号经过话音模块数字化处理后送入CPU模块解析，对需要传送到远端的话音信令，采用与传送远端管理控制命令相同的方法进行处理；对其他信令，根据既有方法处理。

3　仿真与试验

如图4所示，FPGA的开发环境为ISE13.1，采用ModelSim对数据业务的流转过程进行仿真。为了方便表示，设置系统工作于本地环回模式，MII/GMII处以固定的速率发送固定内容的以太网帧0x55...d5 a1...b1...00 2e 01 02...2e...，间隔为9个时钟周期，用户数据共46字节，CRC序列为32’h2f 0f 7c 89。MAC单元工作于1 000 Mbps、全双工模式。预处理单元处理后形成的净载荷为0xa1...b1...00 2e 01 02...2e，共60字节，为方便环回测试将源目地址对调。净载荷经过GFP单元封装后为0x004048c4 00011021 b1b2b3b4...2b2c2d2e；在GFP帧中，PLI为16’h40，表示载荷长度为64字节；PTI为3’h0，表示属于用户数据帧；PFI为1’h0，表示没有载荷校验序列；EXI 为4’h0，表示没有扩展头；UPI为8’h01，表示封装的是以太网帧；未进行扰码、比特翻转、载荷校验。在复分接单元处环回，MII/GMII处收到的以太网帧为0x55...d5 b1...a1...00 2e 01 02...2e...，CRC序列为32’h3e 65 20 ca。

图4　数据业务环回测试仿真波形

在实验室环境下，采用文中设计的系统在两个通信节点之间进行数话同传试验。用户计算机和Spirent公司的STP-2U网络分析仪通过二层交换机接入系统；设置以太网口工作于100 Mbps、全双工模式，缓冲空间的数量为128个，有线链路的工作速率为2.048 Mbps，话音时隙为1个；SPT-2U根据相关规范进行流量生成、RFC2544测试。模拟话音终端采用模拟二线电话机，在节点之间进行呼叫、应答、通话等操作。试验过程中，数据业务和话音业务同时独立的传输；数据业务的平均错包率约为十万分之一，最大可平滑流量突发时间约为10 ms；话音业务的呼叫流程与既有方式相同，话音清晰可懂。

4　结　论

在本文设计的传输系统中，处理核心的帧处理延时达到微秒量级且相对固定可控；模块化、参数化的设计方法方便了用户根据实际需求快速进行接口适配、工作模式和方式的调整；使系统兼有了ASIC的实时性、CPU的灵活性。仿真和试验表明，系统的处理核心可以线速处理数据业务；支持数据业务透明传输、数话同传、链路管理控制等功能；与既有通信系统的融合度高，能够较好解决IP化终端接入问题。

［1］彭来献，赵文栋，张磊，等.基于MPC860T的TDM与以太网业务的适配［J］.军事通信技术，2007，28（增刊）:44-48.

［2］ITU-T.G.7041/Y.1303.Generic framing procedure（GFP）［S］. 2002.

［3］ITU-T.G.8040/Y.1340.GFP frame mapping into plesiochronous digital hierarchy（PDH）［S］.2005.

［4］宋春晨，宋清宇，张瑞，等.高速有线数话同传技术［J］.火力与指挥控制，2014，39（增刊）:59-63.

［5］唐岚.基于Xilinx V5的DDR2数据解析功能实现［J］.电子设计工程，2014，22（9）:124-130.

［6］Xilinx，Inc.Memory interface solutions user guide，UG086 （v3.6）［EB/OL］.［2010-09-21］.http://www.xilinx.com/support /documentation/ip_documentation/ug086.pdf.

［7］曹云鹏，钱敏，杨翠军.双速自适应以太网MAC设计及FPGA验证［J］.通信技术，2010，43（11）:87-92.

［8］董继承，刘健，王瑞.一种带优先级队列的千兆以太网MAC设计［J］.电子设计工程，2011，19（8）:116-119.

［9］侯义合，张冬冬，丁雷.基于FPGA+MAC+PHY的千兆以太网数传系统设计［J］.科学技术与工程，2014，14（19）:275-279.

［10］闫军虎，张明社，郗海燕.HDLC协议IP核的设计与实现［J］.电子设计工程，2014，22（11）:181-184.

［11］阚佳冲，潘文明，郑坚泽，等.基于FPGA全参数化CRC的推导及实现［J］.现代电子技术，2015，38（8）:154-158.

［12］牛燚坤，徐智勇，乔庐峰，等.高速专用GFP处理器的FPGA实现［J］.光通信技术，2009，11:39-41.

［13］曹鹏飞，韩英娜.基于FPGA实现千兆以太网业务在SDH上的传输［J］.现代电子技术，2012，35（1）:59-64.

［14］赵怡，但涛.基于FPGA的多路数字信号复接系统设计与实现［J］.电子科技，2013，26（12）:37-39.

［15］柯鹏，金姗姗，李文翔.面向多业务通信调度的优先级排队模型研究［J］.计算机科学，2013，40（3）:159-162.

［16］吴东.控制时延的主动队列管理算法［J］.计算机应用，2014，34（3）:632-639.

An EoPDH transmission system based on FPGA

ZHANG Tian-zhao
（No.50 Research Institute of CETC，Shanghai 200331，China）

An Ethernet over PDH transmission system based on FPGA is established，to meet the requirement of the IP-based tactical communication terminal.The system implement the main processing parts such as interface specifications and data format conversion by logic programming method，and combine with the present component to realize the voice transmission and link management.The simulation and experiment show that the data processing core can offer sufficient processing capability and fixed processing delay.It has transparent transmission for Ethernet and data-voice co-transmission functions，good compatibility with the present tactical communication system.

EoPDH；FPGA；data-voice co-transmission；communication system

TN911.72；TN915.19

A

1674－6236（2016）11-0071-03

2015-11-06稿件编号：201511065

张天照（1981—），男，河南南阳人，硕士。研究方向：通信系统。