低成本的采用FPGA實(shí)現(xiàn)SDH設(shè)備時(shí)鐘芯片技術(shù)

介紹一種采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列電路）實(shí)現(xiàn)SDH（同步數(shù)字體系）設(shè)備時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，硬件主要由1 個(gè)FPGA 和1 個(gè)高精度溫補(bǔ)時(shí)鐘組成．通過(guò)該技術(shù)，可以在FPGA 中實(shí)現(xiàn)需要專(zhuān)用芯片才能實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘芯片各種功能，而且輸入時(shí)鐘數(shù)量對(duì)比專(zhuān)用芯片更加靈活，實(shí)現(xiàn)該功能的成本降低三分之一．該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘輸出完全符合ITU-T G.813 標(biāo)準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于各種SDH 設(shè)備中。

高速串行傳輸技術(shù)被越來(lái)越多的通信設(shè)備采用．高速數(shù)據(jù)傳輸對(duì)時(shí)鐘的要求很高，而能滿(mǎn)足高速傳輸需求的各種專(zhuān)業(yè)芯片不僅價(jià)格昂貴，而且功能單一，靈活性低，不能滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化的需求[1]．不同線(xiàn)路輸入的時(shí)鐘經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸，信號(hào)質(zhì)量劣化程度不同，經(jīng)過(guò)FPGA 的SerDes（串并轉(zhuǎn)換）恢復(fù)出來(lái)的線(xiàn)路時(shí)鐘質(zhì)量不同．除此外，SDH 通信系統(tǒng)接入的輸入信號(hào)線(xiàn)路數(shù)量不定，時(shí)鐘芯片需要對(duì)不確定數(shù)量的線(xiàn)路時(shí)鐘進(jìn)行保持跟蹤．雖然有相應(yīng)的專(zhuān)用芯片來(lái)達(dá)到上述的目的，但是針對(duì)不同數(shù)量的線(xiàn)路時(shí)鐘，導(dǎo)致專(zhuān)用芯片的靈活性有所欠缺，且成本較高，如達(dá)拉斯公司的DS3100 時(shí)鐘芯片，輸入的時(shí)鐘數(shù)量最多只有6路；IDT 公司的82V3399 芯片，輸入的時(shí)鐘數(shù)量最多只用8 路[2]．本研究的目的就是要解決上述技術(shù)中存在的問(wèn)題，使用FPGA 對(duì)SDH 中使用的時(shí)鐘進(jìn)行處理，完成時(shí)鐘芯片功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由2 部分構(gòu)成：
1）19.44M 溫補(bǔ)時(shí)鐘：主要對(duì)FPGA 提供19.44M 高精度低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)．

2）FPGA：主要完成時(shí)鐘的輸入和輸出，最終完成整個(gè)時(shí)鐘芯片功能．

硬件及主要信號(hào)線(xiàn)連接示意圖如圖1 所示．

?

圖1 硬件及主要信號(hào)線(xiàn)連接示意圖

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

FPGA 設(shè)計(jì)中的主要功能模塊如圖2 所示。

?

圖2 FPGA 內(nèi)部功能模塊示意圖

FPGA 通過(guò)外部管腳和CPU 連接，CPU 通過(guò)提取各路SDH 信號(hào)的時(shí)鐘質(zhì)量開(kāi)銷(xiāo)符號(hào)S1 控制FPGA 從各輸入時(shí)鐘選擇1 路作為19.44M 線(xiàn)路時(shí)鐘，選擇器由FPGA 內(nèi)部查找表完成。

2.1 CK 模塊（Clock，時(shí)鐘模塊）設(shè)計(jì)
CK 模塊將19.44M 線(xiàn)路時(shí)鐘和19.44M 輸出時(shí)鐘分別分頻為8K 的時(shí)鐘，為PD（Phase Detect，鑒相模塊）模塊提供鑒相輸入信號(hào)．在本設(shè)計(jì)中，分頻功能由FPGA 自帶的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)．Virtex-6 系列FPGA 自帶的鎖相環(huán)輸入和輸出范圍均為10~700MHz，接受抖動(dòng)范圍為0-10 UI[3]，可以實(shí)現(xiàn)倍頻、分頻、移相等功能，輸出時(shí)鐘和輸入時(shí)鐘同相，且具有時(shí)鐘鎖定指示信號(hào)。

2.2 PD 模塊（Phase Detect，鑒相模塊）設(shè)計(jì)
PD 模塊對(duì)線(xiàn)路時(shí)鐘和輸出時(shí)鐘進(jìn)行鑒相，將指示線(xiàn)路時(shí)鐘超前輸出時(shí)鐘的超前鑒相信號(hào)和指示線(xiàn)路鐘時(shí)落后輸出時(shí)鐘的滯后鑒相信號(hào)輸出給LF（Low Pass，低通模塊）模塊。有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3 所示。

如圖3 所示，每個(gè)狀態(tài)的輸入由同一時(shí)刻采集的8K 線(xiàn)路時(shí)鐘和8K 輸出時(shí)鐘狀態(tài)組成．在空閑狀態(tài)，當(dāng)采集到輸入為10 時(shí)，表示采集到8K線(xiàn)路時(shí)鐘高電平，8K 輸出時(shí)鐘低電平，線(xiàn)路時(shí)鐘超前輸出時(shí)鐘，進(jìn)入超前狀態(tài)，并輸出超前鑒相信號(hào)；當(dāng)采集到輸入為01 時(shí)，表示采集到8K 線(xiàn)路時(shí)鐘低電平，8K 輸出時(shí)鐘高電平，線(xiàn)路時(shí)鐘滯后輸出時(shí)鐘，進(jìn)入滯后狀態(tài)，并輸出滯后鑒相信號(hào)，其它輸入保持空閑狀態(tài)；在處于超前或滯后狀態(tài)時(shí)，當(dāng)輸入為00 時(shí)，表示采集到8K 線(xiàn)路時(shí)鐘低電平，8K 輸出時(shí)鐘低電平，進(jìn)入空閑狀態(tài)，當(dāng)輸入為11時(shí)，表示采集到8K 線(xiàn)路時(shí)鐘高電平，8K 輸出時(shí)鐘高電平，進(jìn)入暫停狀態(tài)；在暫停狀態(tài)，當(dāng)輸入為01時(shí)，表示表示采集到8K 線(xiàn)路時(shí)鐘低電平，8K 輸出時(shí)鐘高電平，線(xiàn)路時(shí)鐘超前輸出時(shí)鐘，跳轉(zhuǎn)到超前狀態(tài)；當(dāng)輸入為10 時(shí)，表示采集到8K 線(xiàn)路時(shí)鐘高電平，8K 輸出時(shí)鐘低電平，線(xiàn)路時(shí)鐘滯后輸出時(shí)鐘，跳轉(zhuǎn)到滯后狀態(tài)。

?

圖3 PD 模塊有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.3 LF 模塊（Low passs，低通模塊）設(shè)計(jì)
低通模塊是低通濾波器。為了防止時(shí)鐘抖動(dòng)帶給PD 模塊錯(cuò)誤的鑒相結(jié)果，LF 模塊對(duì)PD 模塊的輸出進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量后輸出正確的選擇結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，低通模塊主要由兩個(gè)10 比特位寬的計(jì)數(shù)器組成，分別命名為超前計(jì)數(shù)器和滯后計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器閾值為1023．每次PD 模塊發(fā)出超前鑒相信號(hào)，則超前計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)PD 模塊發(fā)出滯后鑒相信號(hào)，則滯后計(jì)數(shù)器加1．當(dāng)超前計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)1023 后，則復(fù)位超前計(jì)數(shù)器，并同時(shí)向DCO模塊（Digital Control，數(shù)字控制）發(fā)出超前控制信號(hào)；當(dāng)滯后計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)1023 后，則復(fù)位滯后計(jì)數(shù)器，并同時(shí)向DCO 模塊發(fā)出滯后控制信號(hào)。

狀態(tài)機(jī)采用格雷碼編碼，具體編碼實(shí)現(xiàn)采用賽靈思公司推薦的硬線(xiàn)邏輯語(yǔ)言編碼約束，詳細(xì)代碼如下：
Library IEEE;
Use IEEE.std_logic_1164.all;
Entity PD is
Port(
Prc_o : out STD_LOGIC;
Fal_o : out STD_LOGIC;
Clk_i : in STD_LOGIC;
8K_lne: in STD_LOGIC;
8K_out: in STD_LOGIC
);
Type state_type is (IDLE, PRCEED, FALL_BEHIND, PAUSE);
Signal c_s : state_type := IDLE;
Signal n_s : state_type;
Attribute fsm_encoding : string;
Attribute fsm_encondg of c_s : “gray”;
Process
Begin
Wait until risign_edge(clk);
C_s <= n_s;
End process;
Process(c_s, 8K_lne, 8K_out)
Variable st : STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0);
Begin
St := 8K_lne & 8K_out;
N_s <= c_s;
End case;
When PRCEED | FALL_BEHIND =>
Case st is
When “00”=> n_s <= IDLE;
When “11”=> n_s <= PAUSE;
When others => NULL;
End case;
Case c_s is
When IDLE =>
Case st is
When “10” => n_s <= PRCEED;
When “01” => n_s <= FALL_BEHIND;
When others => NULL;
When PAUSE =>
Case st is
When “01”=> n_s <= PRCEED;
When “10”=> n_s <= FALL_BEHIND;
When others=> NULL;

2.4 DCO 模塊（Digital Control，數(shù)字控制模塊）
DCO 模塊控制本地時(shí)鐘移相追蹤線(xiàn)路時(shí)鐘相位．把LF 模塊輸入的超前鑒相和滯后鑒相每22 秒加權(quán)平均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，24 小時(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果存儲(chǔ)在FPGA的塊RAM中．在輸入時(shí)鐘丟失時(shí)，F(xiàn)PGA從塊RAM 中順序讀出統(tǒng)計(jì)值，使輸出時(shí)鐘追蹤線(xiàn)路時(shí)鐘過(guò)去24 小時(shí)的相位變化[4]．DCO 模塊中的移相控制電路圖如圖4 所示，DCO 模塊通過(guò)FPGA內(nèi)部的多路復(fù)用器對(duì)155.52M的本地時(shí)鐘移相。每個(gè)多路復(fù)用器提供π/14 個(gè)弧度相移。因?yàn)镕PGA內(nèi)部布線(xiàn)延時(shí)的不精確，所以本設(shè)計(jì)利用ISE自帶的FPGA Editor手動(dòng)擺放14個(gè)多路選擇器在各自查找表中的位置及每個(gè)查找表在FPGA內(nèi)部的位置，將抖動(dòng)控制在0.4ns 以?xún)?nèi)[5]，從而達(dá)到精確相移的目的。

?

圖4 DCO 模塊移相控制電路圖

2.5 APLL 模塊（Anolog Phase Lock Loop，模擬鎖相環(huán)）設(shè)計(jì)
模擬鎖相環(huán)調(diào)用FPGA 自帶的模擬鎖相環(huán)，通過(guò)本地高精度的19.44M 晶振，生成各子模塊需要的311.04M 和155.52M 高速時(shí)鐘。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，基于FPGA 的時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，時(shí)鐘抖動(dòng)控制在0.4ns 內(nèi)，超過(guò)GR-253-CORE (OC-192) 和ITU-T G.813 (STM-64)的關(guān)于時(shí)鐘精度要求。為SDH 業(yè)務(wù)板卡提供工作時(shí)鐘960 h，工作正常，板卡沒(méi)有出現(xiàn)誤碼、丟包現(xiàn)象，達(dá)到SDH設(shè)備應(yīng)用的預(yù)期目標(biāo)。