基于SOPC的EDSL Modem的研制

1 引言

目前，xDSL宽带接入技术充分利用现有双绞线资源，为用户提供非对称高速通道，尤其是ADSL技术已被人们广为接受而成为宽带接入技术的主流。然而随着 IP交换技术的成熟与发展，主干网中交换方式将由 ATM逐步向IP交换方式转换，因此基于 ATM的ADSL技术也日益表现出其本身的局限性。基于此，中国信息产业部与2003年1月提出了基于IP交换网的EDSL技术，全称为基于时分双工的以太数字用户线系统（TDD based Ethernet Digital Subscriber Line System（TDD-EDSL））,它结合了目前广为应用的两大通信技术 xDSL和Ethernet 的精华，首次在接入网范畴内实现了IP包的直接传送,中间无ATM信令转换；采用数据突发技术，应用以太网碰撞检测机制，带宽动态分配,速率高达 10Mbit/s，第二代EDSL技术能实现智能频谱管理，最高速率可达100Mbit/s；TDD-EDSL实现IP端到端传送，传输距离长，标准距离可到8km，环路质量较好时可到 9km；传输效率高，功耗低；完善的网管系统、流量控制和服务质量控制；完全符合 IEEE802.3 Ethernet、YD/T1254-2003 以及ANSI TI 417 频谱管理标准；安装简便，用户端即插即用，使用10/100/1000Mbit/s以太网接口。

独特的智能频谱管理技术和时分双工模式，大大简化了系统结构，同时也顺应了主干网IP化的趋势。与传统 xDSL技术比较，它不仅克服了 xDSL技术的许多局限性（如对线路的挑、串扰等），并且增大了传输距离，提高了传输效率，EDSL系统结构与ADSL类似，其核心部分是EDSL Modem.

在EDSL实现中，本文提出了可剥夺实时内核的实时操作系统μC/OS-II和32位精简指令集软核处理器 Nios核相结合的方法,构成一种基于可配置的软核处理器的嵌入式开发平台。该平台软、硬件均可按照用户需求进行剪裁配置，最大程度地提供了系统设计的灵活性，具有重要的应用价值，本文重点讲述基于SOPC的EDSL Modem的实现。

2 EDSL系统结构和协议栈

EDSL 的主要技术特点：(1)IP端到端网络；(2)采用时分复用技术，双向带宽动态分配；(3)客户服务器模式，I P 包无碰撞机制；(4)数据突发技术。正是由于以上技术的采用，使得EDSL技术不仅克服了xDSL技术的许多局限性，并且增大了传输距离，提高了传输效率。EDSL的系统结构与ADSL类似，由位于用户端的EDSL Modem 和 局端的高密度接入复用设备DSLAM(DSL Access Multiplexer)构成，其结构 如图1。



EDSL 技术是基于 IP交换的新型宽带接入技术，它结合了以太网技术和 xDSL技术的优点，为了充分降低用户端设备的复杂性，使系统易于统一管理，该系统采用了客户服务器模式，即用户端工作在客户端模式，局端设备处于服务器模式，由局端设备进行线路的频谱管理以及速率自适应调试，得到双绞线中当前所能承受的最大速率以及最佳调制频率等参数，当用户端得 EDSL设备接收到包含此类信息的信息帧时，根据接收到的参数更改自身的参数，从而达到最佳工作状态。这种模式下无需用户进行设置即可方便使用，从而大大增强了用户的易用性。

与基于ATM的ADSL技术相比，EDSL技术拥有更为简单的协议结构 。如图2。

3 硬件平台的设计

EDSL Modem硬件平台的搭建主要使用了 Altera公司的 FPGA Cyclone EP1C6Q240C8芯片，它拥有充足的可编程逻辑资源内嵌32位Nios-II软核处理器来实现整个可编程嵌入式系统。系统的主要功能由FPGA实现，硬件电路除 FPGA外只需加上存储器件、以太网控制芯片和前端AD/DA转换芯片即可。本系统主要使用了一片 8M Byte Flash,一片16M Byte SDRAM，以及以太网接口控制芯片等作为FPGA的外围设备，硬件结构简单明了，极大提高了系统的可靠性。FPGA系统运行时钟为50MHz，充分保证了系统的运行速度。

在硬件平台的搭建中主要用到了Altera公司的Quartus-II与SOPC Builder软件，其中 Quartus-II能进行系统及各逻辑部件的设计输入、编译、仿真、综合、布局布线，并进行位流文件的下载和配置文件的烧录，以及使用片内逻辑分析仪进行分析和验证。 SOPC Builder嵌入在Quartus-II开发系统内,是一个自动系统开发工具,能够自动进行系统定义,完成 SOPC开发的集成过程。在SOPC Builder 中选取系统所需部件,并自动生成每个部件的系统级HDL文件以及支持部件所需的软件,如驱动程序、库文件和一些实用的应用程序等,以供软件开发原型用。

通过SOPC Builder软件包可以定制32位 Nios-II软核处理器和基本的Nios-II外设模块，如 UART控制器，定时器，FLASH控制器， SDRAM制器等。本文设计的硬件平台结构如图3所示。



图 3所示虚线框内硬件部分均是在 FPGA内实现

该系统的嵌入式处理器 Nios-II是 Altera 公司推出的一个用户可配置的16 位或32 位精简指令集软核处理器。Nios-II处理器可以配置成最多支持 64个中断，包括外部硬件中断、内部中断以及 TRAP(调试中断)。Nios-II 处理器可以配置使用 32位内部定时器，通过软件控制写入控制寄存器的内容来获得定时工作，与一般的定时器工作原理相同，可以产生定时中断。

Nio-II嵌入式系统中采用 Avalon交换式总线在处理器、外围设备和接口电路之间实现网络连接，并提供高带宽数据路径、多路和实时处理能力。 Avalon交换式总线可以通过调用 SOPC Builder设计软件自动生成 。

EDSL Modem的核心部分即主收发器利用 FPGA中的逻辑单元编写自定义用户模块，并生成自定义 IP核，通过 Avalon总线接口与嵌入式处理器相连。该主收发器共包括了两个部分：EDSL成帧模块和 QAM调制模块。

在 SOPC系统中，除了以上部件，还有片上 ROM、内部定时器、 UART串行口、 SRAM、 Flash、以及以太网控制器 LAN91c111接口等系统部件皆由 SOPC builer自动生成。