SDH中E1接口分接复用器VHDL设计及FPGA实现

作者：时间：2012-03-17 来源：网络收藏

3 分接复用器的VHDL及状态转移图设计

3.1 分接复用器顶层VHDL建模Top level及系统功能仿真
1 系统发送顶层建模的VHDL端口描述
Library IEEE
Use IEEE.STd_LOGIC_1164.all
--引用库说明；
EnTIty TRAN_TOP is
Port RESET IN STD_LOGIC
--system reset signal
XCLK_IN  IN STD_LOGIC
--14.336MHz input high clock
DATAIN IN STD_LOGIC --12.544MHz input data
CLK12M OUT STD_LOGIC--12.544MHz input clock
READCLK_OUT OUT STD_LOGIC--2.048MHz
Output clock
ROUT OUT STD_LOGIC_VECTOR 6 downto 0
--2.048MHz7route
--output data ；
end TRAN_TOP 
2 系统发送顶层建模的VHDL仿真波形
如图3所示，

送来的10M二进制的一帧数据DATAIN为"1100010001帧头1111111111 11111111111111111111111111111000000001帧尾"。把它分接为7路2M的数据如下：
ROUT0 00111111110插入的SYNC10111110每7bit固定插入'0'10111... 空闲码
ROUT1 00111111110插入的SYNC10111110每7bit固定插入'0'10111... 空闲码
ROUT2 00111111110插入的SYNC01111110每7bit固定插入'0'10111... 空闲码
ROUT3 00111111110插入的ＳＹNＣ01111110每7bit固定插入'0'10111... 空闲码
ROUT4 00111111110插入的ＳＹNＣ01111110每7bit固定插入'0'00111... 空闲码
ROUT5 00111111110插入的ＳＹNＣ11111110每7bit固定插入'0'01111... 空闲码
ROUT6 00111111110插入的ＳＹNＣ01111110每7bit固定插入'0'0 1111... 空闲码
这样，从仿真波形可知电路完成了每帧二进制10Ｍ数据分接为７路2Ｍ数据时在每路2Ｍ数据中插入SYNC 0111111110、每7bit固定插入'0'以及在10Ｍ数据每帧分接完后插入全1空闲码的操作。
3 系统接收顶层建模的VHDL端口描述
Library IEEE
UseIEEE.std_logic_1164.all --引用库说明；
Entity RCV_TOP is
port (RESET IN STD_LOGIC

--system reset signal
XCLK IN STD_LOGIC
--14.336MHz input high clock
CLKIN  IN STD_LOGIC_VECTOR 6
DOWNTO 0 
--2.048MHz 7 rout input clock
DATAIN IN STD_LOGIC_ VECTOR6
DOWNTO 0 
-- 2.048MHz 7 rout input data
CLK_OUT OUT STD_LOGIC
--12.544MHz output clock
DATAOUT OUT STD_LOGIC
--12.544MHz output data

end RCV_TOP
4 系统接收顶层建模的VHDL仿真波形
如图4所示

7路包含有SYNC0111111110及每7bit插入'0'的两帧2M数据通过接收系统被正确地复接为10M数据。HEAD_FLAG和END_FLAG分别为复接帧数据的帧头帧尾指示信号。
这里的7路仿真数据相互之间的延迟不同，其中第DATAIN0延迟最大8bit，通过系统仿真可以证明7路2M数据间的延迟差最大可到125bit，远远超过技术要求的1~6bit。这样，从系统上确保了设计的可行性。

3.2 状态转移图设计方法

为去除毛刺，本设计中的计数器全部采用格雷码计数器。因为格雷码计数器从前一个状态到后一个状态的变化同时只有一位矢量发生状态反转如：对于一个8位计数器它的计数状态变化是：000→001→011→010→110→111→101→100，故对它译码时可以防止竞争冒险现象，从而消除了电路在译码时可能产生的毛刺。对于有大量状态转移的电路，采用状态转换图输入法方便、直观；在FOUNDATION工具中，状态图输入又可以转化为VHDL语言，这又大大提高了电路设计的灵活性。

4 功能仿真、后仿真和FPGA实现

本设计采用自顶向下(top-down)的设计方法。但为确保设计的可行性，对于每一个子模块都进行了功能仿真和后仿真。用foundation 工具做功能仿真时，电路中没有器件延时和线延迟，只能从电路的功能上验证设计的正确性；而后仿真能模拟实际电路中的器件延时和线延时，从而能进一步验证设计在实际工作中的正确性。最后本设计在FPGA上(Xilinx Spartan XCS30TQ144)实现，其工作频率可达到20MHz，并在SDH系统的光纤环网上通过了测试。

5FPGA验证及问题讨论
(1)FPGA验证时的7路2M数据间的延迟差
为了验证7路数据在传输中有不同延时，分接复用器依然能正常工作，就需要模拟出7路不同的延时来。有三种不同的实现方法来完成：
·这7路不同的延时可以在FPGA内部用不同的非门串起来实现；
·可以采用74系列器件在FPGA外部完成不同延时的模拟；
·在FPGA内部用不同级数的D触发器来模拟7路不同的延时。
在本设计中采用的是第三种。该方法的好处是易于控制不同路的延时，只要改变不同路中D触发器的级数就可以改变7路不同的延时。
(2)为提高分接复用器的传输效率，可采用不固定插"0"法，例如HDLC中的插"0"法。
(3)可以通过在综合时进一步加约束来提高分接复用器的工作频率。

本文中的分接复用器为系统通信提供了灵活的速率选择，可根据不同需要，以2Mbps为基数来配置各种数据速率。本设计中采用VHDL输入法及状态图输入法，大大缩短了设计周期，提高了设计的可靠性，并且大大增加了设计的可移植性。该设计的成功表明硬件描述高级语言VHDL是硬件设计的一种十分有效的手段。