（信号与信息处理专业论文）基于fpga的stm1数据采集卡的硬件设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 经过数年的酝酿积累，未来几年国内3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y g e m ，第三代通信系统) 将步入大规模建设的阶段。在建网初期及使用期间需 要对相关链路与接口进行数据采集，并对数据进行统计分析，从而进一步了解网 络链路质量，有针对性地进行网络的规划与优化。不论是t d s c d m a 还是 w c d m a 通信系统，其接入网中的主要接口( 例如i u c s 、i u p s 、i u r 、i u b 等) 几 乎全部采用a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步传输模式) 技术，因此a t m 数据采集相关项目的研究开发有着重要的现实价值与意义。 本文的研究工作来源于重庆市科委2 0 0 6 年重点攻关项目面向3 g 移动通信 测试仪表的嵌入式系统开发与产业化，针对目前主要基于专用通信处理器或软件 包实现a t m 协议处理的局限之处，创造性地提出基于f p g a 为控制、处理核心， 研究开发s t m 1 数据采集卡，主要实现对s d h 链路进行a t m 数据采集与处理， 并最终作为3 g 网络测试仪的目标数据来源。 本人在项目中主要负责硬件各模块的具体规划设计和数据采集板卡的实现， 文章是对本人实际工作及涉及知识点的总结。文章在介绍涉及的相关网络系统结 构与接口协议基础上，分析了s t m 1 数据采集板卡的主要功能和工作原理，并提 出了采集板卡总体框架模型；然后分模块详细阐述了其硬件结构设计及相关事项， 最后介绍了s t m 1 数据采集板卡的p c b 制作和两个相关接口的设计。 关键词：3 g 网络测试仪，f p g a ，s t m 1 ，数据采集，嵌入式 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e rs e v e r a ly e a r s a c c u m u l a t i o n ，t h e 。i 。h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i no u rc o u n t r yw i l lb ec o n s t r u c t e di nal a r g es c a l e i nt h ee a r l yd a y sa n dd u r i n gt h e p e r i o do fu s a g e ，d a t aa c q u i s i t i o no ft h e l i n k sa n di n t e r f a c e si sn e e d e da n dt h ed a t a s h o u l db ep r o c e s s e da n da n a l y z e d ，t h e r e b yw ec a nm a k eaf u r t h e ru n d e r s t a n do ft h e q u a l i t yo ft h en e t w o r k l i n k s i no r d e rt ot h en e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) i su s e di na l m o s ta l lt h em a i ni n t e r f a c e s ( s u c ha s i u c s ，i u p s ，i u r ，i u be t c ) o ft h ea c c e s sn e t w o r ka n dp a r t so fl i n k so fc o r en e t w o r kn o t o n l yi nt h et d - s c d m a b u ta l s oi nt h ew c d m ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，i t i sv a l u a b l ea n ds i g n i f i c a n tt od e v e l o pt h er e l a t e dp r o j e c t so fa t md a t aa c q u i s i t i o n t h er e s e a r c ho ft h ed i s s e r t a t i o nc o m e sf r o mt h ek e yp r o j e c to fc h o n g q i n g m u n i c i p a l s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o ni n2 0 0 6 ：e m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a l i z a t i o no f3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e s t i n gi n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h es h o r t a g e so fu s i n gt h es p e c i a lc o m m u n i c a t i o np r o c e s s o ro rs o f t w a r e p a c k a g et oi m p l e m e n tt h ea t mp r o t o c o lp r o c e s s i n g ，t h ed i s s e r t a t i o nc r e a t i v e l yp u t f o r w a r dam e t h o dt h a tm a k e st h ef p g aa st h ec o r eo fc o n t r o la n dp r o c e s s ，d e v e l o p i n g t h es t m - 1d a t aa c q u i s i t i o nc a r dw h i c hm a i n l yc o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t ao fa t m i nt h el i n k so fs d ha n df i n a l l yb e c o m e st h eo r i g i no ft a r g e td a t ao ft h e 3gn e t w o r k t e s t e r i nt h ep r o j e c tt h ea u t h o rw a sr e s p o n s i b l ef o rt h es p e c i f i cp l a no fe a c hh a r d w a r e m o d u l ea n dt h ea c t u a lp r o d u c t i o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t h ed i s s e r t a t i o ni st h e s u m m a r i z a t i o no ft h ea u t h o r sa c t u a lw o r ka n dt h er e l a t e dk n o w l e d g ep o i n t t l 坨 d i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h em a i nf u n c t i o n sa n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h es t m 一1d a t a a c q u i s i t i o nc a r da n dp u tf o r w a r dt h eo v e r a l lf r a m e w o r km o d e lb a s e do ni n t r o d u c i n g t h er e l a t e dn e t w o r ks y s t e ma r c h i t e c t u r ea n di n t e r f a c ep r o t o c o l s ；t h e nt h eh a r d w a r e d e s i g na n dr e l a t e dm a t t e r sa r ee l a b o r a t e df r o ms e v e r a lm o d u l e s a tl a s t ，t h ep c b p r o d u c t i o na n dd e s i g n i n go ft w or e l a t e di n t e r f a c e so ft h es t m ld a t aa c q u i s i t i o n c a r da r ei n t r o d u c e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：3 gt e s t e r , f p g a ，s t m 一1 ，d a t aa c q u i s i t i o n ，e m b e d d e d i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 研究背景 第一章绪论 3 g ( t h et h i r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，第三代通信系统) 以其具 有的高频谱效率、全球普及和全球无缝漫游、支持多媒体业务、便于过渡和演进、 高服务质量等特征，正逐步受到全球移动通信界的广泛关注和重视。 目前我国3 g 运营牌照即将发放，这无论是对终端生产商还是通信设备生产 商来说都是一个充满机遇的巨大市场。3 g 移动通信测试仪表用于3 g 系统中各设 备研发过程中的测试，可大大提高通信设备的研发效率，节约研发成本；另外， 测试仪表也能用于运营商通信设备的监测、维护工作，给运营商带来巨大的收益。 目前测试已成为信息产业部3 g 技术试验中的重要组成部分。 3 g 的各个功能实体都是分散式分布，根据3 g 课题组对r n c 的要求，b t s 与r n c 接口、r n c 与r n c 接口、r n c 与m s c 接口均采用s t m 1 光接口a t m 传输协议【l 引。因此a t m 数据采集相关项目的研究开发有着现实的价值与意义。 a t m 是一项国际标准的电信传输技术，它使用多路复用技术、交换技术以及 分段重组操作等技术来提供高速率、低延时的多路复用交换网络，以支持各种类 型的用户应用，如语音、数据和视频应用等 4 1 。 a t m 在a t m 适配层( a a l ) 为面向连接和无连接的可变比特率应用提供会 聚功能。目前，3 g 普遍采用在用户面使用a a l 2 协议承载语音，在控制面使用 a a l 5 协议来承载信令的接口方式。 1 1 2 技术现状 目前国际上已经出现了一些a t m 数据采集卡，例如n e t h a w k 公司的3 g 网 络信令分析仪也可实现数据的采集与处理，但是其价格十分昂贵，对于即将大规 模建设3 g 网络的运营商来说将投入大笔资金购买此类设备；国内开发出的专门 针对s d h 链路进行a t m 数据采集与处理的设备还很少。 总结国内外现有的a t m 数据采集卡实现原理，大致可归结为采用专用通信 处理器( 如摩托罗拉公司p o w e r p c 系列 2 8 1 ) 、基于专用拆装子层处理芯片( 如i d t 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 公司i d t 7 7 2 1 1 ) 以及软件包( 如n e t h a w k 公司) 来实现a a l 层协议处理功能三 大类型p j 。 1 ) 基于专用通信处理器的数据采集卡功能全面，如m p c 8 2 8 0 是摩托罗拉公司 为电信和网络市场而设计的集成通信微处理器，当用于a t m 网络时，m p c 8 2 8 0 可以通过u t o p i a 2 接口实现a t m 和a a l 层的功能，能完成来自c b r 、v b r 、 u b r 、a b r 的a a l 5 、a a l 2 、a a l l 、a a l 0 协议的s a r 和大部分c p c s 子层 的功能，但其开发难度相对较大，开发周期过长，且由于专用通信处理器芯片价 格较高，在性价比方面并不具优势； 图1 1 ：p o w e r p c 芯片内部结构 2 ) 专用拆装子层处理芯片，像i d t 公司的s a r 芯片i d t 7 7 2 1l ，实现了a t m 层和a a l 的s a r 子层的功能；支持a a l 5 、a a l 0 和a a l 3 4 ，支持c b r 、v b r 、 u b r ：可以直接对主存中的c s p d u 数据包进行分段组装操作；实现了p c i 总 线主控设备接口，对主存进行快速的d m a 操作；最大支持4 k 条发送连接和4 k 条接收连接；和p h y 芯片之间采用u t o p i a 接口。但专用拆装子层处理芯片一 般功能固定，灵活性比较差，如i d t 7 7 2 1 1 无法完成a a l 2 协议处理，如果用户 需要完成某些特定的功能，就需要和芯片供应商联系定制符合用户要求的芯片， 这样势必会增加成本，增大开销； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 图1 2 ：基于i d t 7 7 2 1 1 实现a a l 层协议处理解决方案 3 ) 采用主机纯软件实现，例如n e t h a w k 公司的n e t h a w k3 ga n a l y s e r ，采用 专业软件包实现a a l 层协议处理。 图1 3 -n e t h a w k3 ga n a l y s e r 解决方案 由于整个拆装功能采用安装在主机上的软件实现，必然会占用有限的主机微 处理器资源，对系统的实时性造成一定影响，不适用于3 g 可以预见的高速率数 据环境。 1 1 3 课囊目标 本论文研究工作来源于重庆市科委2 0 0 6 年重点攻关项目面向3 g 移动通信 测试仪表的嵌入式系统开发与产业化，目的就是针对上述现有技术的不足，提 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 出基于f p g a 为控制、处理核心，研究开发s t m 1 数据采集卡，主要实现s d h 链路中a t m 数据的采集，并进行从a t m 物理层到从l 层的协议处理。 1 2 论文内容及结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了研制开发3 g 网络测试仪的必要性及其社会经济价值，总结分 析了现有a t m 数据采集卡的局限，并提出了本次课题的主要目标。 第二章介绍了本文涉及的u m t s 网络系统结构与接口协议，着重介绍了测试 接口和它们的协议规范，为下文的讨论准备了理论基础。 第三章在详细介绍a t mo v e rs d h 协议原理的基础上，阐述了s t m 1 数据采 集板卡的工作原理，并给出了采集板卡总体框架模型。 第四章在对数据采集板卡硬件整体规划和原理做简介的基础上，详细介绍了 s t m - 1 数据采集板卡的整体规划与各硬件模块设计，主要包括物理层处理模块、 f p g a 处理模块、s d r a m 模块与p c i 总线接口模块，最后总结分析了此硬件方 案的特点和优势，是本文的主要部分。 第五章描述了硬件板卡的具体制作及相关注意事项，并介绍了数据采集板卡 两个关键接口实现的原理，给出了数据采集板卡较为完整的硬件解决方案。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s 网络系统结构 第二章u m t s 网络系统结构 2 1u m t s 网络系统结构概述 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 通用移动通信系统网 络结构如图2 1 所示，由三部分组成，包括核心网子系统( c n ) 、无线网络子系统 ( r n s ) 和用户设备( u e ) 。 图2 1 ：u m t s 网络系统结构【1 捌 核心网子系统处理3 g 系统内语音呼叫和数据连接与外部网络的交换和路由。 无线网络子系统负责处理所有与无线有关的功能。无线网络子系统又包括 n o d eb 和无线网络控制器( g n c ) 两个实体。n o d eb 是3 g 系统的基站( 即无线 收发信机) ，包括无线收发信机和基带处理部件。一方面通过标准的i u b 接口和 r n c 互连，另一方面完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、 调制、信道编码及解扩解调信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等 功能。r n c 是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、 无线资源管理控制等功能。 用户终端设备通过u u 接口( 无线接口) 与网络设备进行交互，为用户提供电路 5 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s 网络系统结构 域和分组域的各种业务功能，包括普通话音、移动多媒体、i n t e m e t 应用等。 2 2u m t s 网络测试接口 从图2 1 的u m t s 网络结构示意图中可以看出，3 g 系统与2 gg s m 网络 相比c n 部分的接口变化不大，主要有如下接口： 0 ) u u 接口 u u 接口是3 g 系统的无线接口。u e 通过u u 接口接入到u m t s 系统的 固定网络部分。 i u 接口 i u 接口是连接u t r a n 和c n 的接口，类似于g s m 系统的a 接口和 g b 接口。i u 接口是一个开放的标准接口，使通过i u 接口相连接的r n c 与c n 可以分别由不同的设备制造商提供。 i u r 接口 i u r 接口是连接r n c 之间的接口。i u r 接口是u m t s 系统特有的接口，用于 对r a n 中移动台的移动管理。比如，在不同的r n c 之间进行软切换时，移动台 所有数据都是通过i u r 接口从正在工作的r n c 传到候选r n c 。它也是一个开 放的标准接口。 i u b 接口 i u b 接口是连接n o d eb 与r n c 的接口。i u b 接口也是一个开放的标准接 口。这也使通过i u b 接口相连接的r n c 与n o d eb 可以分别由不同的设备制造 商提供。 考虑测试仪的数据采集中，数据获取可以从i u 、i u b 、i u r 、u u 任意一个或者 多个接口进行，但u u 接口作为无线接口，稳定性较差，硬件构成通常较为复杂， 且可收集的数据往往比较片面，比如数据采集只能针对某个n o d eb ，所以一般只 在某些特定情况下采用。相比之下，i u 、i u b 、i u r 作为有线接口，下层协议类型 基本相同，硬件要求相对较低且数据全面，是采集数据的良好地点，所以以这三 个接口为接入点的数据采集研究显得尤为必要和重要 6 , 9 1 。本文所描述的s t m 1 数据采集板卡正是对这三个接口进行数据采集。 2 3 网络测试接口协议 想要对前面提到的i u 、i u b 、i u r 接口进行数据采集，首先需要了解它们的协 议构成。从数据承载方式来看，无论对于i u 、i u b 、i u r 都有如图2 2 所示的协议 6 重庆邮电大学硕士论文第二章u m t s 网络系统结构 结构。从横向来看分为无线网络层和传输网络层，传输网络层又分为信令承载层、 数据承载层和物理层等子层；从纵向来看又可分为控制平面、用户平面、传输网 络控制平面。无线网络层承载所有与无线网络相关的数据，传输网络平面承载与 传输网络相关的数据。传输网络层中的信令承载层，包含了传输网络中用到的所 有信令数据。 图2 2 ：u m t s 无线接入网接口协议结构【1 捌 一般来说，网络测试仪的用途是对较上层的信令及其数据进行收集、分析、 处理，而对较底层协议并不关心 1l j 。在通常情况下，对接近物理层一端数据往往 希望硬件进行初步的分类和处理，以使得送入软件分析的数据相对简化，节省运 算量。换句话说，即网络测试仪的硬件部分处理偏底层的数据，软件部分处理偏 上层的数据。而具体根据哪一层作为分界线则和网络测试仪的用途有关。 下面以3 g 网络测试仪在i u 接口的数据采集为例探讨这个问题。 i u 接口通常分为三个域：i u c s 电路交换域；i u - p s 分组交换域；i u b c 广播 域。其中i u - c s 接口的协议结构如图2 3 所示。对于图2 3 中的无线网络及其以上 层，是3 g 网络测试仪分析网络状况所必须的，不能交由硬件部分处理。对于传 输网络层来说，显然其中的物理层数据是测试仪软件部分不关心的，交由硬件处 理是合适的。夹在其中的只剩下s c c p 、m t p 3 b 、s s c f - n n i 、s s c o p 、a a l 、a t m 等几个层次。根据3 ( 3 规范规定，一条r a n a p 消息可能用s s c o p 层或者s s c o p 以上层承载，如果希望测试仪能够监测一条r a n a p 消息就需要获得s s c o p 层数 7 重庆邮电大学硕士论文第二章u n i t s 网络系统结构 据。所以，对于i u - c s 比较合适的分法是在s s c o p 及其以上层次由软件处理，在 a a l 及其以下层次由硬件处理。 r a d i o u s e fp 1 e n e n e t w k l a y e r i 洲肿l j h u p l 奠f f 。t o c o l i 膊 l k t t a n s l a o t t t r a n s p o r tn e t w o r kt r a n s p o r tn e t w v r kt m a s p o r tn e t w o r k n e t w o r k u s e rp l a n ec o n t r o lp l a n ep l a n e l a y e r o 2 6 3 0 1 1r s c c p l ：0 2 1 5 0 i m t w n b i：m i 翰 s s c f - n n i ； ：$ s c f - n n i s s c o p ： s s c o pr a a t 气 j a a l 5 a a 您 l 毒0 i a n i i i -i f ： - i p h y s i c dl a i r li - ； l- j - 一 图2 3 ：i u - c s 接口协议结构【1 捌 事实上，观察i u 接口的其他类型域以及i u b 、i u r 的接口协议后我们发现它们 都包含了a a l 层及其以下各层协议【2 1 - 2 3 1 ，而在a a l 以上各层协议由于各自功能 差异而不完全相同。于是在网络测试仪设计中，我们考虑使用硬件的数据采集板 卡处理自a a l 层以下的各层协议，而将a a l 以上的协议交由软件部分完成。 8 重庆邮电大学硕士论文第三章s t m i 数据采集板卡工作原理与总体框架 第三章s t m 1 数据采集板卡工作原理与总体框架 3 1s t m 1 数据采集板卡工作原理 3 1 1a t mo v e rs d h 协议概述 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 是在分组交换技术上发展起来的快速分 组交换，是在克服了分组交换和电路交换方式的局限性的基础上产生的。它是一 种以信元为单位的异步转移模式。它综合吸取了分组交换的高效率和电路交换的 高速率的优点，可以实现端到端的q o s 保障，满足实时业务和非实时业务的需求 【2 6 】 o a t m 协议结构基于国际电联的标准产生，分为三层，即a t m 适配层( a a l ) 、 a t m 层和物理层。下表总结了各层功能： 表3 1 ：a t m 协议各层功能 层名称功能 a a l ( a t m 适c s ( 会聚子层)业务特定会聚子层( s s c s ) 配层)公共部分( c p c s ) 执行与高层有关的特有的业务适配功能 s a r ( 分割与重装子层)处理数据单元的分割和重组。将高层信息映 射成具有固定长度的a t m 信元载荷。 a t ma t m 一般流量控制 信元首标产生和提取 v p i v c i 的翻译 信元多路复用和多路分解 物理层t c ( 传输汇聚予层)信元率解耦 信元定界 传输帧产生和提取 首标差错控制( h e c ) 产生和证实 p m ( 物理媒体关联子层)传输编码和定时传输( 电方式或光方式) a a l 层的功能是使不同类型的业务，包括管理平面和控制平面的信息，经过 适配之后都可用统一的a t m 信元形式来传送。a a l 层与业务有直接关系，对不 同类型的业务进行不同的适配。a a l 层通过时延、比特率和是否面向连接描述不 同的服务，i t u 定义了五个协议处理这些不同的服务。本文讨论主要针对3 g 业 务中常用的a a l 2 与a a l 5 类业务。 9 重庆邮电大学硕士论文第三章s t m 1 数据采集板卡工作原理与总体框架 a a l 2 ：对于压缩的音频或视频数据，数据传输速率随时间会有很大的变化。 例如m e p g 4 机制中的i - f r a m e 和p f r a m e ，前者是一个完整的视频帧，而后者只 包括相邻帧之间图像变化数据。a a l 2 就是针对这一目的而设计的。 a a l 5 ：a a l 5 向其应用程序提供了几种服务：一种选择是可靠服务，即采 用流控机制来保证传输以防过载：另一种选择是不可靠服务，既不提供数据传输 保证措施，通过选项使校验错的信元或者丢失，或者传送给应用程序但被标识为 坏信元【2 4 乃1 。 按照i u 、i u b 、i u r 接口规范，a t m 物理层可能具有铜轴的e 1 、光纤的s t m 1 、 光纤的s t m 4 等很多种形态。目前以符合g 9 5 7 光s 1 1 接口的s t m 1 较为流行， 本文讨论的技术都以光纤的s t m 1 为准，也即a t mo v e rs d h ”】。 。 a t mo v e rs d h 是指s d h 将a t m 信元映射成s d h 帧格式传输到目的端，在 数据接收时再提取为a t m 信元。 s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y , 同步数字序列) 是一个完全标准化的同 步传输网络，可以兼容同步和异步信号，对宽带信号有良好的支持能力，其灵活 的复接结构，允许支路直接上下复用解复用，或者不经过解复用直接交叉连接。 s d h 网络带有业务保护功能，具备标准化的网络管理能力。它的优点是： 标准化的开放接口，速率统一，共有1 5 5 m b i t s 、6 2 2 m b i t s 、2 5 g b i f f s 、1 0 g b i t s 四个制式； 兼容性好，可以兼容p d h ，同时对a t m 、b i s d n 都能够很好的支持； 简单的一步复用解复用特性，可以迅速从高速信号中提取出低速信号； 支持信号容易接入，不需要复用解复用就能实现交叉连接； 高带宽； 内嵌管理和控制字节，提供了强大的o a m 的功能； 支持业务保护能力。 3 1 2 数据采集板卡工作原理 由第二章的讨论，我们已经将物理层、a t m 层、a a l 层分配给s t m l 数据 采集板卡完成，即从网络上获取的数据流在送给软件作进一步处理之前，首先由 硬件组装成一个个完整的a a l 帧。下面分别讨论物理层、a t m 层、a a l 层三个 层次之间的转换过程【7 , 8 , 1 0 。 从物理层到a t m 层： 物理层为上面的a t m 层提供接口，所以数据采集卡应该完成数据从物理层 到a t m 层的转换。如图3 1 所示，s t m 1 帧中包含了多个a t m 信元，如第一行 l o 重庆邮电大学硕士论文第三章s t m 1 数据采集板卡工作原理与总体框架 可排列4 个完整信元，第5 个信元只能占据4 8 字节位。第二行开始时第一行第五 个信元剩余5 字节，然后是4 个完整信元，最后以某信元的4 3 字节结束，以此类 推进行排行，数据采集卡需要把这些信元从帧中剥离出来。 图3 1 ：a t mo v e rs t m 1 帧结构 从a t m 层到a a l 层： 与从物理层到a t m 层类似，a t m 层为上面的a a l 层提供接口，所以数据采 集卡应该完成数据从a t m 层到a a l 层的转换。按照a a l 2 和a a l 5 协议规范， 如图3 2 所示，一个c p c s s d u ( a a l 帧) 由多个a t m 信元组成，数据采集卡 需要把多个a t m 信元组合成为一个c p c s s d u 。c p c s s d u 即是软件处理部分 需要的数据。 重庆邮电大学硕士论文第三章$ t m 1 数据采集亟童t 堡亟堡墨篁签焦鏊 卜叶删删十叫 e 三日i l i t 馓- 啪叫： l c m 鼬删i i k 由 图3 2 ：从a t m 信元到c p c s s d u ( a a l 帧) 综上所述，s t m 1 数据采集板卡应该负责将测试接口上的原始数据转换为 a a l 帧，最终送给软件部分作后续处理。 数据采集板卡的工作原理可以用图3 3 的结构模型表示。 卜 卜 i l 功能模块1 a t m 信元 功能模块2a a l 帧 yl 图3 3 ：数据采集板卡的结构模型 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章s t m 1 数据采集板卡工作原理与总体框架 可以看到，数据采集硬件部分的结构包含有两个功能模块：功能模块1 用于 将物理层数据转换为a t m 信元；功能模块2 用于将a t m 信元转换为a a l 帧。 3 2s t m 1 数据采集板卡的总体框架 上面我们已经得到了数据采集板卡的功能结构模型，下面我们运用以上模型， 基于f p g a ，构造以3 g 网络测试仪为目的的具体实现。 我们将数据采集板卡分为三个部分：光电转换模块、a t m 物理层处理芯片、 f p g a 主处理芯片。它们的连接框图如下图3 4 所示。 光电转换模块 光电转换模块 f p g a 主处理芯片k a t m 物理层芯 、 、r 一、叫 r 光电转换模块 图3 4 ：数据采集板卡总体框架 测试仪正常工作时，测试线路上的s t m 1 光信号通过数据采集板卡上的光电 转换模块转换为s t m 1 电信号，s t m 1 电信号通过物理层处理芯片转换为a t m 信元，接着将a t m 信元送入f p g a 组装为a a l 帧，最终通过p c i 接口将数据传 送给工控主机中软件作进一步分析处理【1 4 1 。 1 3 重庆邮电大学硕士论文第四章s t m 1 数据采集板卡硬件模块设计 第四章s t m 1 数据采集板卡硬件模块设计 与传统的采用专用通信处理器与纯软件包方式实现a t m 协议处理相比，本 设计方案更侧重硬件实现，包括主要芯片的选型、硬件模块的设计都显得尤为重 要。本章在对数据采集板卡硬件整体规划和原理做简介的基础上，分模块详细阐 述了数据采集卡的硬件结构设计。 4 1 数据采集板卡硬件整体规划 本文设计的s t m 1 数据采集卡主要完成a t m 数据的采集与处理，并通过p c i 插槽与主机相连，实现与p c 机的通信。 s t m 1 数据采集卡从s d h 链路上采集s t m 1 信元送入两路光口，经光电转 换后分别送到两片物理层芯片p m 5 3 8 4 处理为a t m 信元，然后送入f p g a 进行 a t m 适配层的处理，完成a t m 信元的重组拆分，接着由f p g a 将数据送入控制 卡上的s d r a m 中进行存储，在驱动程序的作用下，最后将s d r a m 中的数据通 过f p g a 中的f i f o 经p c i 总线传输到p c 机的内存中，由p c 机进行数据的进一 步分析与处理1 1 9 j 。 s t m 1 数据采集卡整体硬件结构规划如下图所示： 图4 1 ：数据采集卡基本结构 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第四章s t m - i 数据采集板卡硬件模块设计 其中f p g a 为数据采集卡的核心，负责a t m 适配层处理及采集卡整体控制； p m 5 3 8 4 与光电转换器组成数据采集卡物理层处理模块，负责从链路接收s t m 一1 光信号并完成a t m 信元的提取与物理层处理，并通过u t o p i a 2 接口与f p g a 进 行a t m 信元发送；e p r o m 用于f p g a 程序代码下载配置：s d r a m 用于程序运 行数据、a t m 信元缓存【1 2 1 ；p c i 接口完成数据采集卡与主机的交互。 下图所示是数据采集卡详细的功能框图： 剥光黔p 栅m 5 3 8 4 处理 药j i 而l换f 、叫叨埋坛她埋 u t o p i a 2 接口 峨mc e l l 口 剽光娄转p 物m 理5 3 层5 4 处理 s t m 1 yl i 。i u t o p i a 2 接口 a t mc 宅1 i s d r a m 信元缓存 配置芯片e p r o m p c i 插槽主机交互 图4 2 ：数据采集卡功能框图 4 2 物理层处理模块设计 4 2 1 功能描述 物理层处理模块主要实现a t m 物理层与a t m 层的功能。 a t m 物理层利用通信线路的比特流的传送功能，实现传送a t m 信元的功能。 注意这种传送功能是不可靠的，透过物理层传送的a t m 信元能保持原有的顺序， 但这些信元在传送过程中可能会丢失，信息域部分可能会出差错，因此要求物理 层实体具有运行维护管理功能( 简称o a m 功能) 。 物理层又分为物理媒体子层和传输汇聚子层。物理媒体子层完成光纤等物理 载体所特有的功能，传输汇聚子层完成把信元变换成在传输系统上传输的信息流 所需功能1 2 7 j 。 物理媒体子层 1 5 一u叩埝2接口控制一 重庆邮电大学硕士论文 第四章s t m 1 数据采集板卡硬件模块设计 该层是较低的子层，因为它的功能是和物理媒体密切相关，因而称为物理媒 体子层。在接收方向它检测和恢复传递来的比特流，然后将它们再传递到传输汇 聚子层，恢复传输帧和a t m 信元。 物理媒体子层的传输和检测功能实际就是在导线或光缆上传递和识别电信号 和光信号。定时功能给传输信号产生定时信号，并且为接收信号提取定时信号， 该子层另一功能就是线路编码和解码。i t u t 和a t m 论坛将物理接口分为基于 s d h 、基于信元、基于p d h 三类。 传输汇聚子层 该层的主要功能与传输媒体特性无关，它有以下几项功能： 1 ) h e c 的产生和验证：h e c 是信头差错控制信息，在发送端是将信头前4 个字节形成多项式乘x 8 ，然后除以生成多项式x 8 + x 2 + x + l ，得到的余数与 0 1 0 1 0 1 0 1 模2 加后的值就是h e c 。在接收端，根据得到的h e c 应先减去0 1 0 1 0 1 0 1 后，才能进行检验工作，它可检测出多比特误码，纠正单比特误码。 2 ) 信元定界：因在物理传输链路上传输的不是信元，是连续的比特流。信元 定界就是从接收的比特流中确定各个信元的边界。在n o 。7 信令系统中，是利用 标志码“f 信息段来区分各信号单元的开始和结束。而a t m 各信元问没有使 用特殊的分割符，它是利用信头的前4 个字节和h e c 的关系来实现的：输入比特 流被监测，用c r c 8 除以5 字节字，就能确定h e c 域值，当余数为零，就可断 定5 字节数据字是a t m 信元首标，也就确定了信元边界。 3 ) 传输帧的产生恢复与适配：在发送端将信元流封装成适合传输系统要求 的帧结构送到物理媒体子层，在接收端则将物理媒体子层送来的比特流( 传输帧) 恢复成信元流，并在信元流和传输帧转换时完成格式的适配。 4 ) 信元率重组：为保证连续比特流传输并使有效a t m 信元速率与传输系统 净荷容量相适应，传输汇聚子层把空闲信元插入用户信元流，接收时被该层丢弃 不传入a t m 层，空闲信元被信元首标四个值唯一识别，即v p i = 0 ，v c i = 0 ，p t i = 0 ， c l p = i 。 a t m 层的主要任务是产生和处理信元的信头部分，信头部分中主要的是v p i 和v c i 。在始发端，它从a t m 层用户接收4 8 字节信元信息。再加上4 字节信头 ( h e c 字节除外) 组成a t m 信元，然后将信元传送到物理层进行h e c 处理和传输。 在接收终端，a t m 层从物理层接收信元。去除信头后将信元信息送到a t m 层用 芦。 a t m 业务数据单元( a t m s d u ) 是任意的4 8 字节长的数据段，它在a t m 层中成为a t m 信元的信息部分。 物理层模块处理的基本流程如下图4 3 所示，将接收到的具有s d h 帧结构的 1 6 重庆邮电大学硕士论文第四章s t m 1 数据采集板卡硬件模块设计 光信号( s t m 1 帧) 转换成净负荷信号，最终提取所承载a t m 信元；以及将a t m 信元装入s d h 信号空间并构成s d h 帧。 图4 3 ：物理层处理基本流程 4 2 2 光电转换模块设计 物理层模块处理我们选用成熟的p m c s i e r r a 芯片解决方案实现。如上小节所 述，主要包括光电转换模块和物理层处理芯片两部分。光电转换模块选用的是安 捷伦的h f b r 5 8 0 5 。h f b r - 5 8 0 5 是专用于基于s t m 1 协议的a t m 物理层接口处 理器件。光电转换模块电路如下图所示，t x d p t x d n 和r x d p t x d n 分别为差 分发送和接收信号，整个模块须作相应的滤波、去藕处理： 图4 4 ：光电转换模块 1 7 重庆邮电大学硕士论文第四章s t m 1 数据采集板卡硬件模块设计 4 2 3 物理层处理芯片 a t m 物理层处理选用的是p m c s i e r r a 芯片p m 5 3 8 4 。 p m c s i e r r a 芯片能够完成s t m 1 适配，可用于3 g 接入网和核心网部分的中 小形交换机、数据采集卡、网络测试仪等设备。该芯片符合1 4 3 2 以及r f c 2 6 1 5 、 r f c l 6 6 2 规范。全双工模式下能够达到速率为1 5 5 5 2 m b i f f s 的数据收发。同时， 还具有s t m 1 监控；a p s 保护：信元计数；j t a g 调试等功能【2 9 1 。 p m 5 3 8 4 将a t m 信元映射成为s t m 1 ，并生成s o n e t s d h 的s e c t i o n 、 l i n e 和p a t h 头。在光电转换接口一侧，p m 5 3 8 4 在接收方向上恢复时钟和数据， 在发送方向将时钟同步。在另一侧，p m 5 3 8 4 用u t o p i a 2 接口实现与a t m 层设 备( f p g a ) 的通信。p m 5 3 8 4 的初始化配置以及控制和监视功能由一个通用微处 理器接口提供。 p m 5 3 8 4 接收信元后先计算并插入h e c ，形成完整的信元，然后对信元体扰 码，形成输出字节数据流。经过一个并串转换，形成比特数据流。p m 5 3 8 4 将这 个比特流装入s d h 帧结构中，然后插入帧头的信息并进行扰码，产生完整的发 送比特流。发送比特流根据发送时钟同步输出，经过码型变换后的信号，最后经 过驱动由光缆传输。 接收时，从光缆接收的信号先通过p m 5 3 8 4 进行串并转换，将接收比特流数 据转换成字节流数据，然后从中确定s d h 的帧结构，进行解扰后处理帧开销中的 管理信息，并从帧结构中取出净荷数据流。再对净荷数据流中进行信元定界和信 元体解扰，恢复出接收信元流，交给a t m 层设备( f p g a ) 处理。 4 2 4 具体模块设计 p m 5 3 8 4 和a t m 层设备( f p g a ) 之间的a t m 信元是经过u t o p i a 2 接口传 输的 3 i , 3 2 】。u t o p i a 2 接口数据宽度为1 6 比特，最高传输速率可达5 2 m h z ，包括 如下主要信号： 1 ) 地址信号 u t o p i a2 针对存在多个物理层( p h y ) 设备的情况主要由a d r 选址： t a d r 4 ：0 为l e v e l 2 数据发送地址；r a d r 4 ：0 为l e v e l 2 数据接收地址，i 主t a t m 层选择相应的p h y 设备和端口。 2 ) 数据端口 t d a t 1 5 ：0 用于从a t