（电磁场与微波技术专业论文）基于fpga的公共无线接口规范的实现.pdf

摘舞 摘要 3 g 网络建设中，新型的建网核心思想是利用射频拉远技术，将传统的宏基站的基带处 理和射频部分分离。分成基带处理和射频拉远两个设备，在两者之间采用光纤连接，这样 有助于简化网络维护，节省空间降低成本，提高组网效率，其中关键技术是接口设计，规 范化接口设计有利于不同厂家间产品互通，数字基站和数字直放站都可以模块化在业界 形成了两种规范，o b s a i 规范和c p r i 规范，相比较而言，c p r i 规范更容易实现，本文讨 论的就是c p r i 规范的实现。 在c p r i 规范中，最主要的是高速数字串行传输接口的实现，这需要信号完整性方面 的知识，这也是本次设计中的难点和重点。 首先，本文主要介绍了o b s a i 和c p r i 规范各自的特点并进行了对比，重点介绍了c p r i 规范物理层和数据链路层的功能，提出了基于f p g a 实现豹方案。其次，讨论了高速数字串 行传输中的主要问题，包括同步、s e r d e s 实现和预加重均衡技术，并用a d s 进行了传输线 仿真和i b i s 模型综合仿真，给出了c p r i 板的硬件实现和算法编程仿真结果，最后通过实 验测试验证了接口的性能和系统设计的可行性，并对测试结果做了简单分析，给出了下一 步改进设计的方向。 关键字：c p r i 高速串行传输f p g a 实现 【，。j!，。，j a b s t r a c t i nt h e3 gn e t w o r l c o n s t r u c t i o n t h ec o r eo f t h en e wm e t h o di st ou s er a d i or e m o t eh e a dt e c h n o l o g y b a s e d o nt h i sn e wt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lm a c r o b a s e s t a t i o ni sd i v i d e di n t ob a s e b a n dp a r ta n dr a d i or e m o t eh e a d ， c o n n e c t e db yf i b e ro p t i c i nt h i sw a y , t h em a i n t e n a n c eo f t h en e t w o r ki ss i m p l i f i e d 。s p a c ei ss a v e da n ds oi st h e c o s t t h u st h ee f f i c i e n c yi si m p r o v e d t h em o s tc r i t i c a lp r o b l e mi st h ei m e r f a c ed e f i n i t i o n ，as t a n d a r di n t e r f a c e w i l lh e l pd i f f e r e n tp r o d u c tf r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e st oc o m m u n i c a t ew e l l ，t h u sd i g i t a lb a s e s t a t i o na n dd i g i t a l r e p e a t e rc a nb em a d ee a s i e r t h e r ea r et w op o p u l a rs t a n d a r d si nt h ei n d u s t r y , o n ei so b s a ia n dt h eo t h e ri s c p r i ，c p r is t a n d a r di se a s i e rt oi m p l e m e n tr e l a t i v e l y s ot h ew h o l ee s s a yi sa b o u tt h ei m p l e m e n t a t i o no f t h e c p r is t a n d a r d i nc p r i ，t h eh i g h s p e e dd i g i t a ls e r i a lt r a n s m i s s i o nw i l lb et h em o s td i f f i c u l tt h i n g , w h i c hn e e d sk n o w l e d g e o ns i g n a li n t e g r i t y , a n dt h a t w i l lb eap o i n ti nt h ee s s a y t h ee s s a yb e g i n sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b s a ia n dc p r ia n dab r i e fc o m p a r i s o ni sg i v e n ，t h e ni p u ta ne m p h a s i so nt h ec p r if u n c t i o no f t h ep h y s i c a ll a y e ra n dd a t al i n kl a y e r , t h e nf o r w a r das c h e m eb a s e do n f p g a t h e nt h ed e s i g np r o b l e m si nt h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls e r i a lt r a n s m i s s i o n ，l i k et h es y n c h r o n i z a t i o n ，t h e d e s i g no f s e r d e s ，p r e e m p h a s i sa n de q u a l i z a t i o na r ed i s c u s s e d ，l a t e r a d ss i m u l a t i o nr e s u l t so f t r a n s m i s s i o nl i n e a n di b i sm o d e ls i m u l a t i o na r ep r o v i d e d t h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sg i v e n ，a n dl a s tt h e i n t e r f a c ep e r f o r m a n c e i se v a l u a t e d b a s e do o t h ec i r c u i t t e s t s a f t e r s o m eb r i e f a n a l y s i s ，a w a yo f i m p r o v e m e n t i s s h o w na tt h ee n do f t h ee s s a y h i g h s p e e ds e r i a lt r a n s m i s s i o n f p g ai m p l e m e n t a t i o n l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意 研究生签名：日 期： 东南大学学位论文使用授权声明 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 第一章结论 1 1 课题背景 第一章绪论 在3 g 移动通信网络建设中，网络覆盖效果的好坏决定了未来整个网络发展用户的速度 和运营商在该网络上的收益，甚至是整个3 g 网络能否健康运行的决定性因素，而决定3 g 网络质量的关键就在于如何实现密集城区的无线网络覆盖。传统的密集地区无线网络建网 方式是在该类地区全部采用宏基站设备作为主覆盖设备，在规划的3 g 站点地区建设无线网 络专用的机房和相关配套设施，而且还需要在原有的传输网基础上建设新的连接3 g 站点的 传输网络。传统的建网方式存在的主要问题是运营商不得不花费大量的时间和费用在机房 的租用方面，而且大量的理想站点机房因为要远离住宅而无法获得，也拖延了整个网络的 建设速度。特别是那些新的移动运营商如果在不具备足够的机房资源情况下使用这种建网 方式，必然会导致整个网络建设周期很长，网络覆盖不好。 新型的分布式网络覆盖理念的核心思想就是把传统的宏基站的基带处理和射频部分分 离，分成基带处理和射频拉远两个设备，在两者之间采用光纤连接，结构如图1 1 所示。 在设备部署方面则是把核心网、无线网络控制和基带池设备集中于一个地点，在规划的站点 上部署射频拉远设备实现无线覆盖。基带部分可以嵌入到已有的g s m 等机柜中，射频部分可以 安装到抱杆上，这样有效解决了运营商机房空间、承重不足的问题，因此运营商可以方便的选 点建站，既可以满足运营商对3 g 网络建网速度要求，也可以保证3 g 网络建网和维护成本最 低。分布式基站的主要优势有：1 ) 将烦琐的维护工作简化到基带处理端：2 ) 一个无线基 带控制可以连接几个射频拉远，既节省空间，又降低设置成本，提高组网效率；3 ) 连接两 端之间的接口采用光纤，损耗减少并可大幅度降低电力消耗。 * t 图1 1 基f 射频拉远的新掣建网方案 为了有效处理基带处理和射频拉远两部分的连接，工业赛形成了两种接口规范，一个是 公共无线接口规范c p r i ( c o m m o np u b l i cr a d i oi n t e r f a c e ) ，它是由爱立信、华为、n e c 、北电 网络与醒门子等公司发起的，另一个是o b s a 规范( o p e nb a s es t a t i o n r c h i t e c t u r e l n i t i a t i r e ) ，它是由诺基亚、l g 电子、三星电子等成立的联盟。 基于标准化接口，数字基站和数字直放站都可以实现模块化，这样有利于不同厂商i 日j 产品互 通，图1 2 是典型的数字基站框图，左边是基带部分，实现信源编职码，信道编解码等功能， l 东南人掌硕i 学位论文 右边是射频部分。实现基带降峰均比，数字预失真，数字上下变频，a d 和d a 等功能，基带部 分和射频部分通过c p r l 接口相连。 图1 2 典型的数字基站框图 1 2o b s a i 和c p r i 规范的比较 1 2 1o b s a i 规范 0 b s a i 目前的最新版本是2 0 0 4 年l o 月公布的2 0 版本，作为一种开放的业界标准，0 b s a i 的制定是为了规范化基站的设计和制造，在基站功能同益复杂的今天，规范化对于产业链的形 成有很大的好处，不但能降低开发难度，便于生产，还有利于复杂多变的应用环境，适合系统 集成“3 。0 b s a l 定义了一个基本的无线基站模块化架构以及针对模块之间的内部接口的详细规范， 它将基站各部分按功能不同进行了细分，形成了4 个基本功能块，他们分别是传输模块、基带 模块、射频模块、控制模块，这些模块的逻辑连接关系如图1 3 所示： a i r i n d 幽1 30 b s a i 模块间连接关系j 生j 模块中引入了参考点( r p ) 的概念，其中基站模块与控制时钟模块间的接口定义为f f p l ， 传输模块1 日j 的控制、性能、状态、告警和数据信息：传输模块与基带模块的接口是r p 2 ，传输模 块问用户数据包；基带模块与射频模块的接口是r p 3 ，传输按格式定义好的用户数据和信令。 0 b s a i 在划分功能模块的基础上，主要通过参考点的标准化来实现基站的标准化，各模块的功能 划分如下： 1 高 一 歪罾一 罾罾一面丢翌一 一墨一 一罾一一盏毫一 i 竺一彗一鼙 墨二! 竺竺 传输模块( 州) ：根掘与基站控制器的传输网适配数掘与信令，把用户数掘与信令透明地转 发给基带模块，配合控制模块完成本地管理和控制。 控制模块( c 0 1 ) ；完成本地的管理，向网管中心或基站控制器发送管理结果，发布本地同 步时钟，实现设备自身控制。 基带模块( b 嘲) ：实现基带信号处理，上行和下行用户信令、数据的处理。 射频模块( r f ) ：以载频为单位的中频和射频信号的处理。 在实际的设备中，每种模块通过不同的电路板来实现，r p l 和r p 2 接口上的控制、信令、用 户数据的流量不大，采用标准的l o o b a s e t 或8 0 2 3 a e 以太网已经能满足时延和吞吐量的要求， 所示都采用基于以太网+ i p 的模式实现，而r p 3 接口传输的是数字化的基带i q 数据，其数据量 大、实时性要求高，因此需要被设计成具有同步帧结构的接口，进行单独定义。当基站的规模 较大，一个机架容量不够的情况下，可以对机架进行扩展，但是必须保证r p l 和r p 2 接口的时 延小于l o o u s 。r p l 和r p 2 接口间还包括本地的设备管理和控制任务，这需要通过报文交换来实 现，因此i p 协议上还要有o a 酬协议，o b s a i 把o a & m 协议的的制定交给了设备厂商，对于r p 2 上的信令和用户数据，o b s a i 则直接引用了a b i s 接口的规范。 r p 3 接口是o b s a i 规范中重点定义的接口，内容包括物理层和链路层，链路速率以 7 6 5 m b s 为基本单位，呈倍数增加。当基带模块和射频模块同处于一个机架时，o b s a i 定义 了一种3 6 针的插座，允许每个基带模块或射频模块间最多传输9 对双向差分信号。基带模 块与射频模块的连接关系可以是固定的，也可以通过交换来建立。如果基带模块与射频模 块分别在不同的扩展机架中，只要距离在i e e e 8 0 2 3 a e 定义的范围内，也可以直接相连。 如果射频模块以直放站的形式出现，那么物理层必须使用光纤传输，并采用8 b 1 0 b 编解码 方式。o b s a i 的链路层采用了长度固定的帧结构，消息按功能可分成控制和数掘两类，数据 消息的内容是数字化的i q 基带信号，控制消息用于对射频模块的维护管理和同步。 1 2 2c p 砌规范 c p r i 目前的最新版本是2 0 0 6 年3 月发布的v 2 i ，c p r i 也把基站各部分按功能进行了划 分，形成了2 个基本功能块，他们分别是无线设备控制r e c ( r a d i oe q u i p m e n tc o n t r o ) 和无 线设备r e ( r a d i 0e q u i p m e n t ) ，r e c 和r e 之问通过c p r i 接口相连接，如图1 4 所示m 。 r a d i oe q u i p m e n tc o n t r o ll r e c r a d i oe q u i p m e n tl r e ) c o r d r o t & s y n c u s e r c o n t r ( & s y n c u s e r m g f n |m g m t ，i 、 ，i，、 j ， 人 ll a y e r2i i l a y e l2l il a y e r p。il a y e r ll t d i g i t i z e d r a d i ob a s es t a t i o n i n t e r n a li n t e r f a c es p e 。：i f l c a f i o n 幽1 4c p r i 规范模块问关系幽 c p r i 定义了物理层和数据链路层协议，物理层实现数字基带i 0 信号的传输复用，线 3 尔融人掌坝l ：学位论文 路速率定义为6 1 4 4 m b s ，l2 2 8 8 m b s 和2 4 5 7 6 m b s 三种，需要传输的数据经过8 b i o b 编 码后，由光发送模块串行发送出去，或嚣也可用电缆做传输媒体。在接收方向上，收接模 块将接收到的数字串行信号首先进行1 0 b 8 b 解码。在8 b l o b 冗余编码中，根据占用不用 的编码字节，对数据字节和控制字节做了区分；i o b 8 b 解码时，通过发现控制字节的编码 字能提供定时信息，供链路层正确地解复用。 c p r i 的链路层定义了一个层次化的板结构，该帧结构中包含基本帧和超帧。基本帧的 帧频3 8 4 m h z ，每个基本帧再分成1 6 个时隙，根据线路速率的不同，每个时隙容纳的字节 长度分别是8 比特，1 6 比特，3 2 比特。基本帧的第1 个时隙是控制时隙，主要起控制和定 时做用，在超帧中会有更进一步的定义，其余的1 5 个时隙是i q 数据时隙，供基站传输的 i 0 数据流。i 0 数据的比特宽度是有限制的，上行链路i q 数据宽度在4 一l o 比特间可选， 过采样因子可选为2 或4 ，下行链路1 q 数据宽度在8 2 0 比特闻可选。据此计算，l 条 6 1 4 4 m b s 的c p r i 链路最多能支持3 路i q 数据的双向传输，即支持3 路载波，需要更多 容量时可以通过多条c p r i 链路或采用更高速率的传输方式。 6 1 4 4 8 1 5 ( 1 0 1 6 * 3 8 4 ) ( 2 0 + 2 0 ) = 3( 1 1 ) r e c 和r e 间的同步信息是通过来8 b 1 0 b 编解码实现的。在8 b l o b 编解码中用控制字 符k 2 8 5 作为超帧和基本帧的定位字符，一旦解码模块发现了同步字节，可以根据基本帧 与超帧的固定关系推导出时隙结构，超帧号和基站帧号用于与基站的同步。链路层可支持 慢速c & m 通道和快速c & m 通道，慢速c & m 子通道用于传送控制和管理类的h d l c 帧， c p r 规范定议的h d l c 的链路速率最低2 4 0 k b s ，最高达1 9 2 0 k b s ，具体速率的选择由r e c 和r e 协商，协商的结果通过h d l c 速率字节体现出来，线路告警字节主要发送远端告警，信号丢 失，帧丢失等物理层的告警信息。快速c m 通道就是用以太网来管理r e ，快速c m 通道的 起始子通道由以太网指针p 字节来定义，这个字节的具体值也是相互协商的结果。 c p r l 支持的组网拓扑结构有级联、星形、树形、环形，在组网的情况下。基本帧中的 数据时隙供所有r e 共享，具体的分配方案由r e c 管理模块决定，然后通过c & m 子通道发送 给r e ，每个r e 只能使用分配给自己的数据时隙。c & m 子通道中的报文采用逐级转发的路由 形式，也没有定义控制管理报文的格式，把这些内容都留给了厂商自己确定。 1 2 3 两种标准的对比分析 o b s a i 和c p r i 虽然分别由不同的组织开发，但是他们也有一些共同点。首先，物理层 都引用了千兆以太网的标准，以光纤传输为主，也可用电缆进行传输；其次，直放站的链 路层都采用了同步的帧结构，虽然帧结构定义方式不同但是都通过冗余编码方式实现同步： 最后，他们对高层网络控制管理的协议都没有定义，而是留给了厂商。这些共同点体现了 基站设计时应把握的一些原则，比如尽量使用现在成熟标准，方便芯片的采购；对i o 数 据的处理要以实时性为基本原则；控制管理尽量简化，采用灵活的组网方式柬实现不同的 配置，降低设备丌发成本。 但是这两种标准也有区别。具体区别夕o 袁1 1 如下。： 4 第一幸纬论 o b s a c p r l 实现复杂度较复杂 较容易 链路利用率i q 占8 0 i q 占9 4 上行4 一l o b ，下行8 - 2 0 b ， i o 数据精度上行固定8 b i t ，下行固定1 6 b 可选 不同无线制式支持不区分无线制式，由基站 的支持 w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，g s m ，w l a n自行确定 受3 6 芯插座限制单板能力有 设备规模限，但是支持交换结构，基站规没有限制 模不受限 控制报文格式以太网以太网，h d l c 表1 io b s a i 和c p r i 规范对比表 通过分析发现，o b s a i 规范的目的是定义开放的基站结构，在编码方式上有较多的冗余。 而基于c p r i 规范的基站更灵活，是一个通用的标准，很多厂家都在研究，所以本文主要讨 论基于f p g a 的c p r i 的实现方法。 1 3 论文安排 本文比较了o b s a i 和c p r i 两种规范各自的特点，选定了用c p r i 规范为主要研究对象并讨 论了用f p g a 实现c p r i 规范的方案。对实现c p r 规范中的高速串行传输进行了深入研究，利用 a d s 软件建立电路模型的方法进行了大量的仿真，最后讨论了用f p g a 实现c p r i 协议中算法，并 给出了实际测试结果，论文共分五章节。 第一章，主要介绍了射频拉远技术在3 g 建网中的重要意义，并对其中关键的接口方案介绍 了在业界已经形成的两种规范：0 b s a i 和c p r i ，主要介绍了o b s a i 和c p r i 两种规范各自特点。 第二章，针对较易实现的c p r 规范进行了重点介绍并提出了用f p ( ；a 实现c p r i 规范的方案。 第三章，主要探讨了c p r i 规范中高速串行传输设计中的主要问题，包括同步、s e r d e s 设计 和预加重均衡问题。 第四章，用a d s 软件对高速串行传输线进行了仿真，并综合了i b i s 模型进行了仿真，给出了 f p g a 设计的原理图和p c b 版图，并计论了c p r t 规范里算法的实现，并给出了单独模块和最后状 态机的仿真结果，最后对整个c p r 系统进行了测试，给出了三种速率下发送端和接收端的波形 图和眼图。 第五章，对课题的工作做了总结并提出了将来改进方向。 第一：章f p r i 规范股实现方| 粜介绑 第二章c p r i 规范及实现方案介绍 2 1c p r i 规范介绍 2 1 1 系统介绍 t 珊i t s 无线网接入系统由核心网( c n ) ，无线接入网( l t r 心) 和用户装置( u e ) 三部分组成。在无 线接入网内部，又分成无线网络控制( 刚c ) 和摹站( n o d eb ) 。整个u 盯s 的无线网接入系统结构 框图如图2 1 所示“1 。基站通过l u b 接口连接到无线网络控制，通过u u 接口连接到用户设备。 u u 接口分为三个协议层：物理层( l d ，数据链路层( l 2 ) 和网络层( l 3 ) 。 j l u 1 u 厂乏丽磊磊一堕r 函州磊杂百 灸二互 基站 基站i 琏站琏站 一一一。 一一 坐 ：坐一! 旦二_ 上旦 j ，i 设蔷 i、，。一，一j 圈2 1b n s 无线9 吗接入系统结构框图 把传统基站按功能分成无线设备控制r e c ( r a d i oe q u i p m e n tc o n t r 0 1 ) 和无线设备r e ( r a d i 0e q u i p m e n t ) 两部分可以给网络运营商带来很强的灵活性，r e 近可能的靠近天线， r e c 可以放在易于放霄的地方。r e c 构成了数字基带部分，在f 行链路中的主要功能是信道 编码，交织，扩频，加扰，每条物理信道上发送功率控制等，在下行链路中的主要功能是 解加扰，解扩频，解交织，信道解码，基带信号处理单元，发送功率反馈信息检测等。r e 在下行链路中的主要功能是o 变换，上变频，复用，功率放大，射频滤波，天线监控等， 在上行链路中的主要功能是低噪声放大，a d 变换，下变频，解复用，自动功率控制等。r e c 通过l u b 接口和无线控制网络相连，r e 通过l u 空中接l 和用户设备相连。 公共无线接口规范定义的是r e c 和r e 之间的接口，它是一条或几条数字的串行接口， 包含了用户平面数据( i q ) ，控制和管理平面数据和同步数据，三种类型的数据通过时分 复用的方式在数字串行链路中传输。用户平面数据指基站侧到手机侧和手机侧到基站侧的 数据，以i o 形式进行传输，一条物理c p r i 链路中町以包括多个i o 数据流，分别对应多 个载波数据。控制平面数据是指呼叫处理的控制数掘流。管理平面数据指c p r i 链路的分配 和维护的管理信息，控制和管理平面数据不是一定需要的，没有该平面数据的c p r i 链路称 为一条被动链路。同步数据指r e c 和r e 之日j 的l _ j 步信息和时序信息。 在射频托远技术中，r e c 和r e 两个设备中分成了两个协议层：物理层( i 1 ) 和数据链路层 ( l 2 ) 。在物理层中，将上层接入点的数据进行复分接和物理层的编码，支持电接口和光接口。 7 求l wj 、。矾mf 学位论文 在数掘链路层，对 - j 2 - 接入点的i ( j 数引、物理层协议数捌和i 叫络协议数抛包括以人网数据、 商层数据链路协议数抓进行相应的处理。 r e c 和r ei h j 肇奉配置方式是通过一条c | ) r i 链路连接，也可以采用扩展配胃方式。可以 通过多条c p r 链路连接的方式束增加系统褡鲢，或者一个r e c 通过不同的拓朴结构同时接 多个r e ，包括星形、级联形、树形和环形方式，分别如图2 2 所示： 氏批 2 1 2 接口定义 圈2 2 星形、级联形、树形和环形方式 c p r i 定义了l 。l 和i ，2 层的数据信息，具体可细分为i o 数据，同步数据，l l 带内协议， 控制和管理数据，协议扩展数据和，+ 商保留信息，如图2 3 所示”1 ，下面分别介绍l l 层和 l 2 层功能。 l 警l2 3c p r i 协议数据信息 警i 8 第：章c p r i 规范股安j 她疗案介绍 2 1 - 2 - 1 物理层u 协议 基本u m t s 码片速率足3 8 43 d b i t s ，为了保证其正常传输，定义c p r i 链路上的数据传 输速率i r 从以下三种速率中选择：6 1 4 4 m b it s ，1 2 2 8 8 m b i t s 和2 4 5 7 6 i b i t s ，这样链 路有更强的灵活性并节省成本，r e c 和r e 至少支持以上：三种速率之一。在物理层进行8 b l o b 编码，该编码可以确保被编码数据中有足够的高低电平的翻转，接收端从中可以提取出同 步字节和时钟信号，规定误码率b e r c l 芒e 莹点 i 警i4 1 2 时域仿真波形圈 用a d s 观察j 眼圈，结果见罔4 1 3 ，综合l 由f 的仿真结果可见在6 1 4 4 m b p s 传输速；鍪 第帚a d sf 玎囊土艘仆实现 f 陔f 输线雎奉满足性能 4 3 电路和版图设计 图4 1 3 限图仿真结果 本课题中设计的c p r i 系统是整套数字基站的一。个部分，因此系统的设计上也主要考虑 了和整个系统的连接特性。其中的c p r i 算法部分采用s t r a t i xg x 来实现，将发射电路和 接收电路设计在同一电路板上，因此共两套两电板，套用作发射用，一套用作接收用； 由于整套基带处理系统有专门的a i ) c 和d a c 模块，闪此在我们的设计中就没有添加这些部 分，而是采用了纯数字的接u ，以便于和前后的系统连接。c p r i 电路板一e 除了f p g a 的外围 电路外只有与其他板子通信用的数字接口和供电模块。这样电路板的结构就| 】丁以最大程度 地简化，设计者可以将精力集中到c p r i 内部算法的没计和改进上来。我们使用的电路图绘 制e d a 工具是p r o t e l1 9 9 s e 2 “，c p r i 电路板的原理图如图4 。1 4 所示，p c b 板图如图4 1 5 所示。实际采用了一对高速收发差分信号。 图4 1 4c p r i 系统电路原理蹦 3 1 东南人学坝f 化沧文 4 4f p g a 设计流程 图4 1 5c p r i 系统p c i 3 版图 f p g a ( f i e l dp r o g r a r m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，即复杂的可编f u 逻辑阵列，是在c p l d 的 基础，t 发展起来的高性能可编程逻辑器件，般采用s r 删工艺制作。f p g a 器件往往功能强 大并具有很高的集成度，一块单独的器件内可以包涵数以力计的逻辑单元，同时还包含p l l ， d s p 等功能模块，可以完成各种复杂的时序与组合逻辑电路功能。由于成本较高，传统的 f ) g a 通常使用于各种高端数字逻辑电路设计领域，近年来随着l 艺的发展和应用的普及， f p g a 的价格逐年下降，现在f p ( ；a 已经广泛的心用- ：通信和数字信号处理的各个方面。 一个完整的f p g a 设计流程包括电路的设计与输入、功能仿真、综合优化、布局布线、 后仿真等。下硫将各个环节简要介绍一下”。 ( 1 ) 电路设计与输入 电路设计与输入是指通过某蝗规范的描述方式，将电路设计输入给e d 工具。常用的设 计输入方法有硬件描述语苦( t t d i ) 和原理图设计输入方式。原理图输入法足根据发计要求， 选用器件、绘制原理图、完成输入过程。其优点是直观、便于理解。t t d i 输入法则使用v e r i l o g 和v i t d l 这些h d l 语言，按照自顶向f 的没汁思路设计编j 整个系统。其优点是利于模块的 划分与服用，町移植性和通 j 性好。一把系统设计中往往结合使川上述两种方式。 ( 2 ) 功能仿真 对于设汁完的电路，需要进行助能仿真，验b e 其电路的逻辑功能足否符合设计要求。这 部分的仿真一般使j 玎专业的e d a1 其，仿真的结果只和原理图或编哆的h d i ，语言有关，而 与j 体使用的器件无关。 ( ：；) 综合优化 第朋帝a d s 仿真艟五虫件唼墁 综合( s y n t h e s jz e ) 指将i t l ) 1 。语：i 、原胖斟等设计输入翻蛑成i j 与、或、非i l j ，r a i l ， 触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 嘲表) ，并根据设计h 标与要求优化所产! 的逻辑 连接，输：i j 标准格式的网表文件，供f 一步的钿局白线使用。综合足f p g a 设计中的关键一 步，它将抽象的设计转化为；体的逻辑结构，综合的好坏对f 最终设计的性能影响臣丈。 l ( 4 ) 布硒白线 布局和线( p i a c e a n dr o u t e ) 是指将综合后获得的网表文件适配到具体的f p g a 器件上， 即将设计中包括的基本逻辑fj 或者r a m ，触发器等资源合理的分布到器件中，同时保证连线 最短，性能最优。佰局稚线也足f p g a 设计中的关键环节，它将设计与其体的器件联系起来， 是f p g a 实现的关键一步。 ( 5 ) 后仿真 在椎岗靠线之后，将设计的时延信息反注到设计网表中再进行的仿真叫做后仿真。布局 布线之后产生的仿真时延文件包含全面的时延信息，所以后仿真结合了时序和功能两方面 的仿真，得出的方针结果与最终的系统表现最为接近，能够较好的反映芯片的实际：f 作情 况。 一般束说，能够通过后仿真的f p g a 系统在实际的应用中都能一常- 1 ：作。经过上述设计 环节后获得的f p g a ：i 二作文件就- 叮以下载到f p g a 器件中使用了。f p ( ；a 大都采用了s r a 、t - 1 ：艺， 也就足说f p g a 程序都存储在s r a m 中。由于s r a m 的易失性，每次系统e 电时，必须重新配 置( c o n f i g u r a t i o n ) f p g a ，把编写好的程序下载到f p g a 中。 常用的配置方式有三种：土动串行配置方式( a c t i v es e r i a lc o n f i g u r a t i o n ，a s ) ，被 动串行配霄( p a s s i v es e r i a lc o n f i g u r a t i o n ，p s ) 和j t a g 配置方式( j t a g b a s e d c o n f i g u r a ti o n ) 等。a s 方式是将配置数据存放在采用如f l a s h 、r o m 之类的存储器中，上 电时由f p g a 向这唑器件发出配胃要求，从中读出数据进行配置。p s 方式将程序存放在片外 的_ t 机( h o s t ) 或者配蔑器件中，上电时由其他的控制主机( 单片机或d s p 等) 来控制整 个配置过程。j t a g 配置方式则足利用符合j t a g 标准的j t a g 下载线将个人电脑和f p g a 相连， 上电时通过电脑中的e d a 软件束控$ , j n d 置的进程。这三种方式适应了不同的应用场合。a s 方式适用于调试完毕的成品化的在f p g a 程序，其优点是每次上电自动运行配置，毋需多余 的配置电路：p s 方式适合有多块f p g a 需要配置的场合：而j t a 6 方式适用于f p g a 的调试阶 段，通过电脑e 的e d a 软件，可以在系统不歼，关电的情况下完成蓐新配置。结合实际考 虑，我们选用了p s 和j t a g 相结合的混合配置方式，这样可以保证无论是在系统调试阶段 还是最终产品阶段鄙有最大限度的灵活性。下图就是p s j t a g 混合配置配锭示意图“。 东南人学坝卜? l 论文 图4 1 6f p g ap s j t a g 混合配置方式示意图 4 5 具体f p g a 实现 软件编程环境足q u a r t u s1 iv 5 1 1 ，使用的硬件编程语言是v e r i l o gh d l 。w c d t a 基带数掘经过a d 板在7 6 8 m h z 时钟过采样下再进行l q 交织，因此在c p r l 电路板上输入 时钟为1 5 3 6 m h z 。考虑设汁方便，发送端和接收端功能写在同一个 程文件下，在下载到 f p g a 时我们只要在书i 应设备控制字中选择是发送端或接收端即可。c p r i 算法可由以下几个 模块构成： 1 ) 1 6 b i t 输入至8 h it 输出异步f i f o 因输入是1 6 位基带差分信号，而高速收发模块的输入是8 位，因此首先需要构造一个 1 6 b it 输入至8 b it 输出异步f i f 0 来实现信号宽度匹配。本设计采用f a s tp l l 产生一个两 倍频输入时钟做为系统时钟c l k 7 6 8 ，实际频率为3 0 7 2 m h z ，在c l k 7 6 8 的每个f 降沿埘输入 基带信号采样再输入，采用先低8 位后高8 位输出方式。该异步f i f 0 原理图如图4 1 7 所 示，仿真结果如图4 1 8 所示。 - j “。1 ：) 。一 - q 4 1 ；_ 一 翻4 1 71 6 h i t 输入争8 b i t 输出异步f 】f o 模块原理i l i 第净a d s 仿矗，乏碰件宴脱 k i 掣p 竺 瑚p “ ：q oo 鬯 瑚o “瑚o 一m 9 竺一竺p “一 o 一o u 一 1广_ 广广1广-1广广1广 口h t “卿瑚以坤刿j w “葶o j 咝“lj ，m l “l c j l i 旦g 咖四j3 0 c , m i o t ix o o i9 0 0 0 1 1 3 0 ， 日h l i “ 孵，呷瑚o l l “荆1 0 ：0r 呻n 瑚舭 “c 啪“i l l 1 1 0 ) ) 叵 图4 培1 6 b i t 输入至8 b i t 输出异步f l f o 模块仿真结果 2 ) 数据异步f i f o 和控制字异步f 1 f 0 由于控制字和数据是连续的进入高速收发器，用传统的方式将控制字和数据按顺序放 入r a m 中很容易造成时序上出错，因此分别采用异步f l f o 来实现速率匹配“，以慢时钟 写入f i f o ，用快时钟输出，因此在比较容易保持相同的延时，便于实现。经过上一f i f o 输 出的时钟和数据做为数据异步f i f o 的写时钟和数据，并以2 4 5 7 1 2 2 8 8 6 1 4 4 m h z 中任一 时钟做为读入时钟，输出数据。控制字异步f i f o 和数据异步f i f o 类似，按c p r i 协议以固 定方式填写入控制字，并和数据f i f o 以相i 叫时钟速牢输出数据。为了防止异步f i f o 出现 同时写入读出的情况，本次设计中采用所需r a m 的两倍大小r a m 来实现f i f o ，先写入第一 块r a ma ，在歼始写第二块r a mb 的同时开始读r a ma 。这么做是以更大容蔚的r a m 来保证 设计的稳定度。数据f i f o 模块网如图4 1 9 所示，输入信号分别为8 位数据，写使能信号， 写地址，写时钟，读使能信号，读地址，读时钟，输出为8 位数据，两块f i f o 输出信号相 或后输入高速收发器，波形如图4 2 0 所示。若控制信号和数捌能保持理想时序进入高速收 发模块，则可以保证数据无误的被传输，但是在较高的时钟频率f ，时序设计变得复杂， 此时必须进行时序约束。 d d f a m6 4 ： “ i p n t e l kc o 田q l _ c t r l _ 2 4 田o , _ d t t _ 2 4 日垤一t n 3 1 2 4 】 t u t r l m 【3 l 图4 1 9 数据f i f o 模块 |1 锋”+ 1 1 5 鲫1 5 1 “a - 1 5 “ 1 碍”。砰” “叮”_ 唧。i i 几广1 广 门n 厂1 厂1 门n 厂 nn 广 广1n 广 n 广 i广 ： 圈4 2 0 相与运算波形示意圈 设计中主要的时序丰要有周期、最大时钟频率、时钟建蕾时f jt s u 、时钟保持时日jt h 、 时钟输出延时t c o 、管脚到管脚延时t p d 、s l a c k 和时钟偏移等。时钟建寺时间是为了保证 正确采样，在时钟沿到达之前，信号保持稳定的时h j 最短时间；时钟保持时h j 是为了保证 正确采样，在时钟沿之后信号需要维持稳定的最短时问；时钟输i l 延时足指在时钟沿到数 东南人掌坝f 7 f ? 伦z 掘稳定输的最人时f i i j f h j 隔：铃脚到管脚延时足指信呼从输入管脚进入通过组合逻牟l 到达 输出管脚的延时：时钟偏移足指同一个时钟源到达两个不同寄存器时钟端的时日j 筹别； s 1 a c k 是指设计是否满足时序，i l i 的s l a c k 表示满足时序，负的s l a c k 表示不满足时序。本 次设计中需要保持q c t r l 一2 4 和q _ d a t a 一2 4 的输；l ：延时保持一致，因此将该几位的t c o r e q u i r e m e n t 设成了8 n s ，对于q d a t a _ 2 4 的控制信譬埘设了t c o 8 n s ，对系统状念机c o u n t 设成了t c o 5 6 n s ，如图4 2 l 所示。 图4 2 1 时序约束设置 用o u a r t u si i 中的t i m i n g a n a l y z e r ：i l 具硅，j 结粜如图4 2 2 所示，系统时间正常 作 的最高时钟为2 5 5 6 2 m t l z ，符合本次设计要求，在仿真中的结果也表明设计运行良好。 图4 2 2q u a r t u si i 里的t i m i n ga n a i y z e rt o o l 显示结果 3 ) 高速收发模块 高速收发模块足通过m e g a f u n c t i o n 实现的，m e g a f u n c t i o n 包括a l t e r a 的参数化模 块库l p m ( l i b r a r yo fp a r a m