SDH中E1接口分接复用器VHDL设计及FPGA实现

为扩大数字通信系统的传输容量，信道上的信号都是在发送端分接，在接收端复接。在通信接口电路中能完成这一功能的电路就叫作分接复用器。
该分接复用器提供了标准的E1接口可供SDH系统方便使用。在点到点通信时，采用该分接复用器可以使系统速率提高到N(N为1、2、3等)倍E1速率以上。当用户需求速率超过E1速率但又达不到34.368Mbps的VC-3速率时，一个好的方法就是采用E1分接复用器接口电路。比如以太网通信需要10Mbps的速率时，采用该分接复用器，取N＝７就可实现通信要求。
针对目前国内SDH系统中还没有一个专门的E1分接复用芯片，本文介绍一种用高级硬件描述语言VHDL 及状态转移图完成该分接复用器的设计的新型设计方法及其FPGA实现。并给出了用XiliNx FouNdATION tools EDA软件设计的电路仿真波形及SpartaN XCS30XL完成FPGA实现的结果。

1 数字分接复用器结构原理

本数字分接复用器的功能是：在发送端把12Mbps经过编码的有帧结构的EtherNet以太网码流分接为7路标准E1接口速率数据流，SDH设备再把这７路数据映射到155Mbps的速率上去并通过光纤传输到下一个SDH设备；在接收端由SDH设备从155Mbps的数据流中取出７路标准E1速率数据正确恢复为原来的12Mbps的EtherNet以太网码流。
发送端12Mbps有帧结构数据帧间由全1空闲码填充。从数字分接复用器发送端输出的７路E1数据由于传输处理过程中路由不同，必然会造成7 路E1数据在传输过程中的各路时延不一致，这就使得各路数据不同步。在设计中如何在接收端使得7路E1数据同步，从而正确恢复原发送端的12Mbps数据就成了一个难题。针对这一问题制定出了如下的解决方案。

1.1 数字分接器原理框图及说明

如图1所示，把数字分接器从总体上划分为：时钟产生、帧头/帧尾检测、串并变换、固定插零、FIFO插入SYNC五个模块。 在发送端，分接器的时钟产生电路把14Mbps系统时钟XCLK转变为12Mbps时钟，用这一时钟对端口来的12Mbps成帧数据DATAIN做帧头1100010001/帧尾1000000001检测，检测出帧头后再做串/并变换操作，这样就初步完成了分接器的功能。但是，为了使数字复接器能正确复接就需要在分接器输出的7路数据中分别插入同步头SYNC0111111110。为了使数据和插入的SYNC区别开来，须要在7路数据中每隔7bit就固定地插入"0"。这样，就保证了插入的SYNC不会与正常的数据相混淆，从而也使得分接出的7路数据变为标准的E1数据。

1.2 数字复接器原理框图及说明
数字复接器原理框图如图2所示。

与分接器相呼应，可把复接器从总体上划分为：SYNC检测、SYNC扣除、并/串转换、扣除零、帧头/帧尾检测5个模块。
在接收端，复接器的SYNC检测模块在7路E1数据流中分别检测出7个SYNC。通过SYNC扣除模块扣除在分接器中插入的SYNC，并使得7路E1数据同步。之后，就可以对这7路E1数据进行并/串转换了。对于转换后的14Mbps数据还需要扣除在分接器中固定插入的零。根据要求对于12Mbps的数据再一次做帧头/帧尾检测以便在两帧数据之间插入全"1"的空闲码。这样就正确恢复出发送端的12Mbps码流。
在发送端和接收端所有SYNC的处理都用FIFO技术来实现。电路设计采用硬件高级描述语言VHDL和状态机来完成，用FPGA验证实现。为提高电路的可实现性，设计全部采用D触发器和逻辑门来实现，并用综合约束工具来控制FPGA内部电路的路径延时。

2 VHDL语言设计相对于传统设计的优点
(1) 采用自顶向下(Top Down)的设计方法
与传统的系统硬件设计从具体的设计单元开始不同，VHDL设计是从系统的总体要求出发，先进行系统建模仿真，仿真通过后再利用VHDL层次化、结构化及行为化的描述方法将各个模块模型用可实现的VHDL电路描述替换。这对于一个非常大的硬件系统设计从总体上把握设计的可行性是非常重要的。
(2) 采用系统的早期仿真
通过对系统建模的早期仿真便于在系统设计的早期发现设计中潜在的问题，与传统的自下而上设计的后期仿真相比可大大缩短系统设计的周期。
(3) 降低了硬件电路的设计难度
不需要象传统的设计方法在设计前就要写出电路的逻辑表达式、真值表及卡诺图化简，VHDL在设计计数器的时候只关心计数器的状态就可以了。这样也大大缩短系统设计的周期。这对于时间效益的现代社会是非常重要的。
(4) VHDL设计文档的灵活性
用VHDL设计硬件电路，主要的设计文件是用VHDL编写的源程序。如果需要也可以利用EDA软件转化为原理图。另外，它资料量小，便于保存，可以方便地被其它设计所利用，可继承性好，在源文件中可方便地加入注释，可读性好。