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基于CPRI 協(xié)議的多通道通信設(shè)備硬件實現(xiàn)方案

2022-07-11 01:13何君燕
電子技術(shù)與軟件工程 2022年7期
關(guān)鍵詞:框圖時隙時鐘

何君燕

(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所 廣東省廣州市 510310)

1 通信系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)代通信系統(tǒng)朝著寬頻帶、大容量、遠(yuǎn)距離、多用戶、高保密性、高效率、高可靠、高靈活性的數(shù)字化、智能化和綜合化方向發(fā)展。隨著通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展,通信系統(tǒng)的傳輸能力越來越高,通信設(shè)備內(nèi)部的信息處理速率也越來越快,因此對通信設(shè)備內(nèi)部軟件、硬件的高速傳輸性能提出了更高的要求。

通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。傳統(tǒng)的通信設(shè)備的調(diào)制解調(diào)器與信道接口均采用模擬射頻連接器進(jìn)行互連。

圖1:通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)架構(gòu)圖

為了實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離的傳輸需求,通信系統(tǒng)通常采用光纖作為傳輸媒介,將原通信系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)與信道的接口進(jìn)行數(shù)字化處理,調(diào)制器在進(jìn)行發(fā)送處理時,將調(diào)制后的數(shù)據(jù)變換為適合光纖傳輸?shù)墓庑盘枺庹{(diào)器在進(jìn)行接收處理時,將光信號變換為待解調(diào)的數(shù)據(jù);射頻端根據(jù)收發(fā)控制實現(xiàn)光信號和電信號的相互轉(zhuǎn)換;由于光纖在遠(yuǎn)距離傳輸時的損耗較小,對通信系統(tǒng)的傳輸性能基本沒有影響,因此采用光纖傳輸技術(shù)的通信設(shè)備得到越來越廣泛的應(yīng)用,其原理框圖如圖2 所示。

圖2:采用光纖傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)原理框圖

隨著通信設(shè)備的應(yīng)用場景越來越廣泛,為實現(xiàn)更大容量、更遠(yuǎn)通信距離的傳輸需求,設(shè)備形態(tài)由單通道向雙通道甚至多通道方向發(fā)展,而隨著高性能的微處理器的性能不斷提升,核心處理板卡也朝著高集成化的方向發(fā)展,如何實現(xiàn)高集成化處理板卡對多信道通信設(shè)備的統(tǒng)一傳輸控制成了一個難點問題。

針對多信道通信設(shè)備常用的傳輸控制方式是針對每一個通道采用獨立的光纖控制鏈路,和每一個通道需使用一組獨立的光電轉(zhuǎn)換模塊,并且需要單獨的一路光纖,設(shè)備內(nèi)部和設(shè)備間的連接線纜數(shù)量較多,設(shè)備互連的可靠性也不高,同時也缺少較好的擴展能力。這種多信道通信設(shè)備控制方式如圖3 所示。

圖3:傳統(tǒng)的多信道通信設(shè)備架構(gòu)

2 常用高速數(shù)據(jù)傳輸接口

隨著高速總線技術(shù)的不斷發(fā)展,通用的基帶射頻接口協(xié)議逐漸引起各通信設(shè)備廠家的重視,目前主要采用兩種開放式接口標(biāo)準(zhǔn):無線設(shè)備和無線設(shè)備控制部分分離的CPRI 接口(Common Public Radio Interface)標(biāo)準(zhǔn)和基帶處理、射頻、網(wǎng)絡(luò)傳輸和控制層面都分離的OBSAI(Open Base Station Architecture Initiative)標(biāo)準(zhǔn)。CPRI 協(xié)議的實現(xiàn)較OBSAI相對簡單,已廣泛應(yīng)用到各類通信設(shè)備中,近年來發(fā)布的大部分高性能微處理器中也支持CPRI 接口,因此可采用CPRI接口作為多信道通信設(shè)備的控制接口,將多個無線信道的控制和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過CPRI 接口匯聚到統(tǒng)一的高速接口上,經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和光纖傳輸后,在無線信道端進(jìn)行數(shù)據(jù)的還原,從而達(dá)到減少光電轉(zhuǎn)換模塊和內(nèi)外部互連線纜的目的,進(jìn)一步降低設(shè)備的復(fù)雜度,提高設(shè)備的可靠性。采用CPRI 接口的多信道通信設(shè)備架構(gòu)如圖4 所示。

圖4:采用CPRI 接口的多信道通信設(shè)備架構(gòu)

CPRI 是業(yè)界通用的無線通信設(shè)備數(shù)字部分和射頻部分之間標(biāo)準(zhǔn)通信接口,其協(xié)議架構(gòu)和幀結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)無線通信設(shè)備的數(shù)據(jù)部分(簡稱REC)和射頻部分(簡稱RE)的同步信息、控制管理信息和用戶信息交互,這三種信息采用時分復(fù)用的方式實現(xiàn)接口傳輸。CPRI 協(xié)議的基本結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5:CPRI 接口基本結(jié)構(gòu)框圖

CPRI 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個協(xié)議層和三個數(shù)據(jù)面。Layer1主要實現(xiàn)通信中編解碼、光口/電口的規(guī)格、幀的格式、傳輸速率、傳輸?shù)木嚯x等內(nèi)容的規(guī)定,是協(xié)議層中的物理層。Layer1 的數(shù)字信號可以采用雙絞線或者電纜使用電信號的形態(tài)進(jìn)行傳輸,也選擇光纖實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。對于線路的傳輸速率可以從以下三種中選擇:614.4Mbit/s,1228.8Mbit/s 和2457.6Mbit/s,這里的速率指的是光纖種串行信號的速率。在Layer1 層上完成了8B/10B 的數(shù)字編碼,從而得以保證經(jīng)過編碼后的有效數(shù)據(jù)中有足夠的高電平和低電平進(jìn)行變換翻轉(zhuǎn),在對端的接收處理過程則可從有效數(shù)據(jù)中提取出所需要的同步字節(jié)。Layer2 層即是MAC 層,該層主要明確了媒體訪問控制、數(shù)據(jù)檢錯、數(shù)據(jù)保護(hù)功能等。MAC 層還規(guī)定了一個幀結(jié)構(gòu),用于實現(xiàn)同步,該幀結(jié)構(gòu)具有兩種,分別為基本幀以及超幀,其中每一個基本幀劃分為16 個時隙,使用的幀頻率為3.84MHz 的;每個基本幀中的每個時隙的大小根據(jù)傳輸線路中的需要傳輸?shù)谋忍芈实拇笮矸謩e定義為1B、2B 和4B。一般定義第一個時隙使用為控制時隙,傳輸控制和管理數(shù)據(jù);另外15 個時隙為用戶數(shù)據(jù)時隙即I/Q 數(shù)據(jù)時隙,主要實現(xiàn)I/Q 數(shù)據(jù)流的成幀傳輸。超幀則由256 個基本幀組成,256 個基本幀的控制時隙共同構(gòu)成超幀的控制結(jié)構(gòu)。同時定義了快速C/M 通道和慢速C/M 通道。用于傳送控制和管理類的數(shù)據(jù),用來維護(hù)傳輸鏈路。

標(biāo)準(zhǔn)中的三個數(shù)據(jù)面一般包括同步面(Synchronization Plane)、用戶面(User Plane)和控制與維護(hù)面(C&M Plane),與承載的數(shù)據(jù)信息保持一致。同步面承載的是與同步和定時相關(guān)的數(shù)據(jù)、用戶面承載的是有效的用戶數(shù)據(jù),即IQ 數(shù)據(jù),主要是基站和終端之間交互的有效的用戶數(shù)據(jù)??刂婆c維護(hù)面承載 Layer1 及以上的高層相關(guān)的操作維護(hù)信息。

3 多信道通信設(shè)備硬件實現(xiàn)方案

常用的CPRI 硬件實施方案有以下幾種:

(1)采用PMC7830 或PMC7832 芯片。這一類芯片把完整的CPRI 協(xié)議封裝到一塊芯片中,只留出接口供用戶使用,操作方便,但可擴展性不強。

(2) 以FPGA 與SCAN25100 為主, 用FPGA 實現(xiàn)CPRI 的成幀、解幀及數(shù)據(jù)接口設(shè)計,SCAN25100 完成8B/10B 編解碼和高速串并轉(zhuǎn)換。此種實現(xiàn)方案的特點在于鏈路層的幀協(xié)議修改方便,而物理層由專用芯片完成,使用簡單性能穩(wěn)定。

(3)采用自帶ROCKERT IO 的FPGA,通過單芯片即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口、CPRI 協(xié)議和傳輸控制,能有效降低成本,增加系統(tǒng)可靠性。綜合考慮制造成本、設(shè)備體積、系統(tǒng)可靠性、可擴展性和移植性,本設(shè)計采用第三種方案,多信道通信設(shè)備的CPRI 接口控制部分包括以下幾個模塊:時鐘模塊、FPGA 模塊和光模塊等,如圖6 所示。

圖6:CPRI 接口的硬件原理框圖

本設(shè)計中FPGA 選用Xilinx Spartan-6 系列XC6SLX25T芯片,該芯片內(nèi)置高速GTP 串行收發(fā)器,最高速率達(dá)3.2Gb/s,并且采用低內(nèi)核電壓供電,功耗低、可靠性高,完全滿足CPRI 協(xié)議線速率設(shè)計需求,具有良好的可靠性。

Xilinx 公司在2013 年已經(jīng)發(fā)布了基于CPRI 協(xié)議V5.0版本的IP 核,目前Coregen 中對應(yīng)IP 核版本為CPRI V6.1。使用Xilinx 公司的Coregen 工具可生成相應(yīng)IP 核,該IP 核分為Master 和Slaver 兩種模式。其Master 模式應(yīng)用在REC 端,Slaver 模式應(yīng)用在與REC 相連接的RE 端,這樣就構(gòu)成了一個CPRI鏈接。通常情況下CPRI核與GTX(Gbit收發(fā)器)相連接,IP 核中實現(xiàn)CPRI 協(xié)議的鏈路層,封幀好的數(shù)據(jù)通過GTX 的8B/10B 編碼,轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)通過光纖傳輸。其設(shè)計框圖如圖7 所示。

圖7:FPGA 內(nèi)部CPRI 接口設(shè)計框圖

時鐘電路選用Silicon Labs 公司的SI5324C-C-GM 芯片,該芯片是精密時鐘倍頻器/抖動衰減器,用于抖動性能小于1ps 的應(yīng)用,具有兩時鐘輸入(2KHz-710MHz)和兩路時鐘輸出(2KHz-346MHz),回路帶寬4-525Hz,滿足ITUTG.8251 抖動指標(biāo),適用于光纖傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換、無線基站等應(yīng)用。使用CPRI 接口模塊傳輸數(shù)據(jù)時,REC 和RE之間用光纖連接,兩邊時鐘源相互獨立,不同時鐘在頻率上有偏差,此時REC 和RE 的時鐘源不能達(dá)到同頻同相。使兩邊時鐘源達(dá)到同頻同向是硬件電路設(shè)計中一個至關(guān)重要的模塊。在使用Xilinx 公司的CPRI IP 核時,它為Master 和Slave 模式,分別用在REC 和RE 中。由于REC 是主控,因此RE 的時鐘源要跟隨REC 的時鐘源,從而使兩邊的時鐘源達(dá)到同頻同向的目的。時鐘電路設(shè)計框圖如圖8 所示。

圖8:時鐘電路設(shè)計框圖

光模塊選用HBP533G-S5DT 單芯雙向一體光模塊,單纖雙向是指雙方向的數(shù)據(jù)信號采用不同的波長在同一根光纖中傳送,可以節(jié)省一半的纖芯資源。目前主流光模塊廠商均已能提供單纖雙向的CPRI 光模塊。

通過對多通道通信設(shè)備數(shù)字部分與射頻部分的接口電路進(jìn)行器件選型和原理設(shè)計,設(shè)備的集成化程度更高、成本也可以得到有效控制,同時由于采用了擴展性強的Soc 芯片,整個系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和可移植性都有了很大的提升,可顯著增強設(shè)備的傳輸性能。

4 結(jié)束語

通過采用基于CPRI 協(xié)議的高速數(shù)據(jù)接口硬件方案,可有效解決傳統(tǒng)多通道通信設(shè)備控制復(fù)雜,可靠性低等問題。目前,高性能集成電路的處理能力越來越強,多通道通信設(shè)備的傳輸控制實現(xiàn)將更加便捷,能滿足通信系統(tǒng)往更大容量、更遠(yuǎn)通信距離的發(fā)展需求。

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