基于Xilinx FPGA的千兆以太网及E1信号的光纤传输

目前，随着多媒体应用的普及，千兆位以太网已经发展成为主流网络技术。大到成千上万人的大型企业，小到几十人的中小型企业，在建设企业局域网时都会把千兆位以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆位以太网技术甚至正在取代ATM技术，成为城域网建设的主力军。

E1接口采用PCM编码方式。符合G．703标准，通过75Ω同轴电缆或120Ω双绞线进行非对称或对称传输。在电信网中有着广泛应用。

将高速的千兆位以太网信号与低速的E1信号结合起来，实现以太网与E1信号的复用。既满足了用户对大带宽、高容量数据的传输要求，又提供了E1信号接入功能，实现电话业务及其他专用通信系统的接入功能。

系统构成

整个系统主要由E1接口单元、以太网接口单元、FPGA单元以及光接口单元构成。E1接口单元主要完成E1信号的接口转换，以太网接口单元主要通过外部PHY芯片实现物理层功能，再通过GMII接口实现与FPGA以太网媒体接入控制器对接。吉比特收发器通过用户接口将以太网数据和经过码速调整后的E1信号形成16b并行数据，再经过16b/20b编码形成2.5Gb/s的数据流送入到光接口单元，光接口单元完成光/电转化，实现信号的光纤传输。系统框图如图1所示。

图1 系统构成框图

E1接口单元的设计
在E1信道中，一般每8位组成一个时隙，32个时隙组成一个帧，16个帧组成一个复帧。在一个帧中，TS0主要用于传送帧定位信号（FAS）、CRC-4（循环冗余校验）和对端告警指示，TS16主要传送随路信令（CAS）、复帧定位信号和复帧对端告警指示，TS1～TS15和TS17～TS31共30个时隙则用来传送话音或数据等信息。如果采用公共信道信令（CCS）模式，TS16就失去了传送信令等信号的用途，TS1～TS31共31个时隙可传送话音或数据等信息。如果采用无帧模式，E1信道将不成帧，而作为一个透明的话音或数据等信息传输通道。一个E1信道可传送N个64Kb/s的话音或数据等信息通道。在随路信令（CAS）模式，N为1～30；在公共信道信令（CCS）模式，N为1～31，而在无帧模式时，N为32。

发送方向：E1信号首先经过接口变压器，然后送入单/双变换电路，完成单双变换后送入FPGA芯片。FPGA将E1线路接口单元送来的HDB3数据送入时钟提取模块，提取出E1时钟，并且将HDB3数据转换成NRZ数据，NRZ数据经码速调整后复用成一路125Mb/s数据流，然后送入RocketIO GTP Transceiver 发送接口单元中，和千兆位以太网信号一起进行线路编码，最后形成2.5Gb/s的数据流送入到激光器进行光线路编码进行传输。

接收方向：信号经光纤传输后到达接收端，首先恢复成电信号送入到RocketIO GTP Transceiver接收单元中，经时钟提取、信号同步、解码、信号分接，时钟平滑后分接出E1数据流，再经HDB3编码后送入到单双变换电路完成双/单变化，经接口变压器后进行传输。原理框图如图2所示。

图2 E1接口原理框图

千兆位以太网接口单元设计

千兆位以太网利用原以太网标准所规定的全部技术规范，其中包括CSMA／CD协议、以太网帧、全双工、流量控制以及IEEE 802．3标准中所定义的管理对象。千兆位以太网的关键技术是千兆位以太网的MAC层和以太网接口的实现。

1 GMII (Gigabit MII)

GMII采用8位接口数据，工作时钟125MHz，因此传输速率可达1000Mb/s。同时兼容MII所规定的10/100Mb/s工作方式。接口信号定义如表1所示。

表1 GMII接口信号定义

2 Virtex-5以太网媒体接入控制器

在Virtex-5 FPGA中，以太网媒体接入控制器(以太网MAC)模块提供了专用的以太网功能，它和Virtex-5 RocketIO GTP收发器以及SelectIO技术相结合，能够让用户与各种网络设备进行连接。在Virtex-5器件中，以太网MAC模块作为一个硬件块集成在FPGA内部。吉比特以太网MAC功能框图如图3所示。

图3 吉比特以太网MAC功能框图

（1）客户端接口

发送器的客户端接口将帧传送给以太网MAC。当接收到的数据小于最短的以太网帧长度时，发送器将该数据加长，并且保持最小的帧间距；可以增加间隔的长度，还可以通过配置发送器在帧中添加一个帧检验序列。一个单独的流控制接口允许你生成暂停帧。在半双工模式下，信号发送之间存在冲突，在有效冲突情况下，需要进行帧重发。

接收器接口检验传入帧和信号帧误差。这里分别提供了好帧信号和坏帧信号。还可以通过配置以太网MAC以便在检测到有效的暂停帧之后，暂停和重新启动帧传输。

客户端接口的数据的宽度通常是8位或者16位。8位接口主要针对标准的以太网应用，它利用一个125MHz的时钟产生1000Mb/s的数据传输速率。当使用16位模式时，可以在不提高客户端接口时钟频率的条件下将数据传输速率提高到2000Mb/s。

(2）控制接口

每个以太网MAC有一个可选的管理数据I/O(MDIO)接口。它允许对外部PHY的管理寄存器和以太网MAC中PCS/PMA内部的物理接口管理寄存器进行访问。