基于FPGA的千兆以太網(wǎng)及E1信號光纖傳輸系統(tǒng)構(gòu)成的詳細(xì)分析和性能測試

目前，隨著多媒體應(yīng)用的普及，千兆位以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為主流網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。大到成千上萬人的大型企業(yè)，小到幾十人的中小型企業(yè)，在建設(shè)企業(yè)局域網(wǎng)時都會把千兆位以太網(wǎng)技術(shù)作為首選的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。千兆位以太網(wǎng)技術(shù)甚至正在取代ATM技術(shù)，成為城域網(wǎng)建設(shè)的主力軍。

E1接口采用PCM編碼方式。符合G．703標(biāo)準(zhǔn)，通過75Ω同軸電纜或120Ω雙絞線進(jìn)行非對稱或?qū)ΨQ傳輸。在電信網(wǎng)中有著廣泛應(yīng)用。

將高速的千兆位以太網(wǎng)信號與低速的E1信號結(jié)合起來，實現(xiàn)以太網(wǎng)與E1信號的復(fù)用。既滿足了用戶對大帶寬、高容量數(shù)據(jù)的傳輸要求，又提供了E1信號接入功能，實現(xiàn)電話業(yè)務(wù)及其他專用通信系統(tǒng)的接入功能。

系統(tǒng)構(gòu)成

整個系統(tǒng)主要由E1接口單元、以太網(wǎng)接口單元、FPGA單元以及光接口單元構(gòu)成。E1接口單元主要完成E1信號的接口轉(zhuǎn)換，以太網(wǎng)接口單元主要通過外部 PHY芯片實現(xiàn)物理層功能，再通過GMII接口實現(xiàn)與FPGA以太網(wǎng)媒體接入控制器對接。吉比特收發(fā)器通過用戶接口將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和經(jīng)過碼速調(diào)整后的E1信號形成16b并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過16b/20b編碼形成2.5Gb/s的數(shù)據(jù)流送入到光接口單元，光接口單元完成光/電轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)信號的光纖傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

E1接口單元的設(shè)計

在 E1信道中，一般每8位組成一個時隙，32個時隙組成一個幀，16個幀組成一個復(fù)幀。在一個幀中，TS0主要用于傳送幀定位信號（FAS）、CRC- 4（循環(huán)冗余校驗）和對端告警指示，TS16主要傳送隨路信令（CAS）、復(fù)幀定位信號和復(fù)幀對端告警指示，TS1～TS15和TS17～TS31共30 個時隙則用來傳送話音或數(shù)據(jù)等信息。如果采用公共信道信令（CCS）模式，TS16就失去了傳送信令等信號的用途，TS1～TS31共31個時隙可傳送話音或數(shù)據(jù)等信息。如果采用無幀模式，E1信道將不成幀，而作為一個透明的話音或數(shù)據(jù)等信息傳輸通道。一個E1信道可傳送N個64Kb/s的話音或數(shù)據(jù)等信息通道。在隨路信令（CAS）模式，N為1～30；在公共信道信令（CCS）模式，N為1～31，而在無幀模式時，N為32。

發(fā)送方向：E1信號首先經(jīng)過接口變壓器，然后送入單/雙變換電路，完成單雙變換后送入FPGA芯片。FPGA將E1線路接口單元送來的HDB3數(shù)據(jù)送入時鐘提取模塊，提取出E1時鐘，并且將HDB3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NRZ數(shù)據(jù)，NRZ數(shù)據(jù)經(jīng)碼速調(diào)整后復(fù)用成一路125Mb/s數(shù)據(jù)流，然后送入RocketIOGTP Transceiver發(fā)送接口單元中，和千兆位以太網(wǎng)信號一起進(jìn)行線路編碼，最后形成2.5Gb/s的數(shù)據(jù)流送入到激光器進(jìn)行光線路編碼進(jìn)行傳輸。

接收方向：信號經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)接收端，首先恢復(fù)成電信號送入到RocketIO GTPTransceiver接收單元中，經(jīng)時鐘提取、信號同步、解碼、信號分接，時鐘平滑后分接出E1數(shù)據(jù)流，再經(jīng)HDB3編碼后送入到單雙變換電路完成雙/單變化，經(jīng)接口變壓器后進(jìn)行傳輸。原理框圖如圖2所示。

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圖2 E1接口原理框圖

千兆位以太網(wǎng)接口單元設(shè)計

千兆位以太網(wǎng)利用原以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的全部技術(shù)規(guī)范，其中包括CSMA／CD協(xié)議、以太網(wǎng)幀、全雙工、流量控制以及IEEE 802．3標(biāo)準(zhǔn)中所定義的管理對象。千兆位以太網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是千兆位以太網(wǎng)的MAC層和以太網(wǎng)接口的實現(xiàn)。

1 GMII (Gigabit MII)

GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，因此傳輸速率可達(dá)1000Mb/s。同時兼容MII所規(guī)定的10/100Mb/s工作方式。接口信號定義如表1所示。

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表1 GMII接口信號定義

2 Virtex-5以太網(wǎng)媒體接入控制器

在 Virtex-5FPGA中，以太網(wǎng)媒體接入控制器(以太網(wǎng)MAC)模塊提供了專用的以太網(wǎng)功能，它和Virtex-5 RocketIOGTP收發(fā)器以及SelectIO技術(shù)相結(jié)合，能夠讓用戶與各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行連接。在Virtex-5器件中，以太網(wǎng)MAC模塊作為一個硬件塊集成在FPGA內(nèi)部。吉比特以太網(wǎng)MAC功能框圖如圖3所示。

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圖3 吉比特以太網(wǎng)MAC功能框圖

（1）客戶端接口
發(fā)送器的客戶端接口將幀傳送給以太網(wǎng)MAC。當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)小于最短的以太網(wǎng)幀長度時，發(fā)送器將該數(shù)據(jù)加長，并且保持最小的幀間距；可以增加間隔的長度，還可以通過配置發(fā)送器在幀中添加一個幀檢驗序列。一個單獨的流控制接口允許你生成暫停幀。在半雙工模式下，信號發(fā)送之間存在沖突，在有效沖突情況下，需要進(jìn)行幀重發(fā)。