基于FPGA的HDLC轉(zhuǎn)E1傳輸控制器的實現(xiàn)

摘    要：本文介紹了一種用FPGA實現(xiàn)的HDLC轉(zhuǎn)E1的協(xié)議控制器，能實現(xiàn)將速率為N×64Kbps(N=1~124)的HDLC數(shù)據(jù)分接至M路(M=1~4)E1信道中傳輸，并允許各路E1的最大時延為64ms。討論了E1幀結(jié)構(gòu)設計和系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)方法。
關鍵詞: 幀結(jié)構(gòu)；HDLC；E1；FPGA

引言
    E1是我國電信傳輸網(wǎng)一次群使用的傳輸標準,由于我國的E1資源十分豐富, 這樣的傳輸路徑非常容易獲得，靈活利用現(xiàn)有豐富的E1信道來傳輸HDLC數(shù)據(jù),可以節(jié)約大量傳輸成本。通常，一路HDLC數(shù)據(jù)僅通過一路E1信道傳輸，但是如果HDLC數(shù)據(jù)的速率很大，一路E1信號的帶寬不足以傳輸，那么HDLC數(shù)據(jù)就要分接到M路E1信道中傳輸，接收端再把M路E1信號合路恢復出HDLC數(shù)據(jù)，M路E1信號如果傳輸路徑不同，肯定會導致不同的延遲，本系統(tǒng)設計時，允許各路E1信號的最大延遲為64ms。

系統(tǒng)E1幀結(jié)構(gòu)設計
    本系統(tǒng)中的E1碼流的幀結(jié)構(gòu)可以參照CCITT G.732、G.704或G.706建議給出的PCM基群30/32路系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)得到，但又有所不同。

信息位的組成
    本系統(tǒng)所要傳輸?shù)膬糌摵?信息位)是N×64Kbps的HDLC數(shù)據(jù)，標準E1中的TS16信令時隙與TS1~TS15及TS17~TS31共31個時隙可以傳送凈負荷。所以，N和M滿足關系式N≤31×M。對于最大情況，即N=124，M=4時，凈負荷占用31個時隙。當N<124，以至不能填滿所有31個時隙，則固定填入無效位‘1’。

TS0時隙的設計
    考慮到系統(tǒng)要能實現(xiàn)將一路N×64Kbps的HDLC數(shù)據(jù)按比特分接在M路E1信道中獨立傳輸，并在接收端通過合路正確恢復出此數(shù)據(jù)，合路過程要求M路E1信號完全同步，而實際線路中各路之間有不同程度的延遲，這就要求系統(tǒng)具有延時緩沖能力。在此期間利用一個存儲器對數(shù)據(jù)進行緩沖保存。而為了辨別某一路保存在SRAM中的CRC復幀應該和其它路保存在SRAM中的相應CRC復幀合路，即為了實現(xiàn)復幀同步，就需要對每一個CRC復幀加上標號，也就是加上復幀定位碼。此外，由于HDLC數(shù)據(jù)是按比特分接在M路E1信道中傳輸?shù)?當M=2，3，4時，那么在接收端就必須按照發(fā)送時分接的順序?qū)路E1信道中的信息位按比特復接成HDLC數(shù)據(jù)。所以各路E1都需要一個代表分/復接順序的路標號。為了充分利用E1信道資源 ，利用E1奇幀幀頭后三個備用比特為用戶提供一個12Kbps的同步數(shù)據(jù)通道，也可以作為低速的異步數(shù)據(jù)通道，如常用的2400、4800、9600bps的RS-232信號。

系統(tǒng)設計
硬件設計
    系統(tǒng)的硬件部分包括一片F(xiàn)PGA和一塊SRAM，F(xiàn)PGA選用Altera公司Cyclone系列EP1C6。Cyclone系列器件是低價格，中等密度的FPGA，內(nèi)部有5980個邏輯單元，20個4Kbit的RAM塊和2個內(nèi)部鎖相環(huán)。

    由于系統(tǒng)允許各路E1信道可以有最大64ms的延時，一個復幀周期為2ms，即最大延遲為32個復幀時間。一個復幀由16個基本幀組成，32個復幀的的比特數(shù)為32×256×16=128Kbit，那么各路需要RAM的最大容量為128Kbit。由于最大路數(shù)M=4，所以系統(tǒng)所需的RAM最大容量為4×128Kbit= 512Kbit。而EP1C6內(nèi)部只有80Kbit的RAM，所以選擇使用外接RAM的方法，本系統(tǒng)選用Inbond公司的W24L01，其容量為1024Kbit。

通過VHDL實現(xiàn)系統(tǒng)功能
    系統(tǒng)采用自頂向下的EDA設計流程，利用VHDL語言編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

    發(fā)送部分主要由鎖相環(huán)模塊、分路模塊、成幀模塊、CRC校驗模塊和串行擾碼模塊組成。在主時鐘模式下，由本地晶振經(jīng)有理數(shù)分頻產(chǎn)生N×64KHz時鐘和2.048MHz時鐘，N×64KHz時鐘作為HDLC數(shù)據(jù)的時鐘產(chǎn)生源，N×64Kbps的HDLC先經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換,并寫到M個緩存器中，然后用2.048MHz時鐘讀出，并將其插入到E1幀相應的時隙中，組成M路E1信號，并經(jīng)過CRC-4校驗，最后經(jīng)過串行擾碼，發(fā)送出去。在從時鐘模式下，N×64KHz時鐘由HDLC提供，2.048MHz時鐘由鎖相環(huán)模塊從N×64Kbps的HDLC中提取。時鐘模式的選擇及M、N的數(shù)值都可以在FPGA內(nèi)部通過VHDL語言編程設定。

    接收部分包括鎖相模塊、幀頭檢測模塊、解擾碼模塊、讀寫RAM模塊以及合路模塊。在接收部分，先用鎖相環(huán)通過輸入的E1信號鎖出2.048MHz的同步時鐘和N×64KHz時鐘,用2.048MHz的時鐘對E1信號進行幀頭檢測,找到幀頭后，系統(tǒng)進入幀同步狀態(tài)，然后解擾碼，CRC反校驗，以及提取其它各種控制信息和數(shù)據(jù)。解擾碼以后的數(shù)據(jù)經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后輸出FPGA,存到片外RAM中。收到控制信息后，F(xiàn)PGA開始從RAM中讀取數(shù)據(jù)，并在N×64KHz時鐘的控制下進行并/串轉(zhuǎn)換，去幀頭，最后合成一路N×64Kbps的HDLC輸出信號。

圖1  仿真波形圖
仿真與測試
    對整個系統(tǒng)和每個子模塊都進行了功能仿真和后仿真。功能仿真平臺為ModelSim + 5.5f ，綜合平臺為FPGA Express 3.5，后仿真平臺為Altera Quartus3.0。用邏輯分析儀HP54645D實測波形如圖1所示(取M=4，N=104)。

結(jié)語
    通過對FPGA進行VHDL編程，實現(xiàn)了將速率為N×64Kbps (N=1~124)的HDLC數(shù)據(jù)按比特分接至M路(M=1~4)E1信道中傳輸,并充分利用E1奇幀的TS0時隙,為用戶提供12Kbps的同步數(shù)據(jù)傳輸通道,而且允許各路E1有64ms的時延。本文設計的HDLC轉(zhuǎn)E1傳輸控制器也可以作為其它協(xié)議轉(zhuǎn)換器的一個過渡橋梁。例如可以將10Base-T的以太網(wǎng)信號，先經(jīng)過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)HDLC協(xié)議控制器(如ADMtek公司生產(chǎn)的ADM6993芯片)，然后通過HDLC轉(zhuǎn)E1傳輸控制器，從而實現(xiàn)了Ethernet over TDM的功能。