李奥，徐兰天
（我国电子科技集团公司第四十一研讨所，安徽 蚌埠 233010)
摘要：“高速率”是5G通讯的首要特性之一，为满意行将到来的5G高速数据传输需求，需求供给一种高速安稳的数据传输接口。本文就光纤传输结合支撑多级传输速率的CPRI协议，规划出一种高速光纤接口操控板，操控板选用高性能的Virtex-6系列FPGA作为首要操控芯片，经过仿真验证，该操控板支撑近10Gbit/s速率数据的安稳传输，具有高速的通讯传输才能，彻底支撑5G通讯的高速率传输。高速光纤接口操控板可用于多种5G设备的研讨与开发，在5G开发职业与其它高速率数据传输场景具有很好的运用价值。
关键词：5G; 高速光纤接口; CPRI; FPGA
*项目基金：我国电科技能创新基金项目《微波毫米波大带宽大规模MIMO测验技能研讨》
0 导言
新一代移动通讯技能5G通讯正在如火如荼的推动傍边，5G比较4G带来了数据流量和传输速率的大幅度进步，其典型用户数据速率将进步10~100倍，峰值速率可达10 Gbit/s [1] 。高速的数据传输速率给传统的双绞线传输介质带来了巨大压力，而光纤通讯具有传输速度快、损耗低、容量大等特色， 十分适用于高速数据传输，不过光纤接口比较于传统网络传输介质的接口也更为杂乱。由爱立信，华为，NEC，西门子和北电组成的通用无线接口联盟规则了CPRI协议规范，CPRI作为通用公共无线接口供给了无线操控设备（REC）与无线设备（RE）之间的通讯规范，通用的敞开规范极大节省了产品成本，进步了其通用性和灵活性，有用地处理了5G通讯下数据的高速传输需求。因而，依据CPRI协议的高速光纤接口研讨具有重要的价值与含义。
本文选用Xilinx公司的Virtex6系列芯片与高性能DSP处理器相结合，规划出可操控4个光口收发的操控板。可选用回环测验办法对光口收发状况进行测验，构成一套可完结多级速率、数据收发状况实时剖析的高速光纤接口板卡。
2 CPRI协议概述
CPRI协议界说了物理层（Layer 1）和数据链路层（Layer 2），其间物理层包括电学传输接口和光学传输接口，数据链路层支撑同向和正交数据、厂商特定信息、以太网、高档数据链路操控以及L1带内协议 [2] ，其根本结构如图1所示。
CPRI协议支撑从614 Mbps到9830 Mbps的多级速率等级，现在市场上的专用高速接口芯片很少可以支撑CPRI的9830 Mbps速率等级，而支撑该速率等级的FPGA类型较多，故本文选用性价比较高的Virtex6系列FPGA芯片。CPRI协议可以有用处理REC与RE或RE与RE之间的光纤衔接，其可将数条并行CPRI数据链路进行串行化处理，然后完结光纤的超高速传输，CPRI协议模块间的联系如图2所示。
3 高速光口操控板规划
3.1 硬件架构规划
本文所要研讨的高速光纤接口依据Virtex6系列FPGA芯片与高性能DSP处理器所规划的操控板，光口传输速率高达10Gb/s。操控板能经过预留的主控接口与上位机之间通讯，并经过DSP来操控数据的收发， FPGA来操控光口的通讯以及数据的收拾功用，整个操控板的根本架构如图3所示。
操控板包括四个光收发模块，别离由一个DSP和一个FPGA操控两个光收发模块，DSP具有较高的作业频率，其内部集成了网络MAC接口，外接一个物理层芯片就可以完结高达千兆的网络通讯。本文介绍的操控板依据多核数字信号处理器TMS320C6678，可完结单个芯片衔接两个千兆网口，这两个网口可以各自独立传输数据，也可以联合传输数据，进步了实践的数据传输速率。FPGA与DSP之间可经过FIFO进行速率匹配，本文中操控板选用Xilinx公司类型为XC6VSX315T的FPGA作为主控芯片用来操控光纤接口的首要功用，首要功用是完结光收发模块的使能操控、光传输的链路办理以及数据传输的操控，一起XC6VSX315T包括丰厚的Slices及多个用户I/O，可以满意操控板的电路规划要求和后期扩展与增强功用的规划，XC6VSX315T还包括5组GTX数据收发接口，每组GTX通道的传输速率最快可达6.6 Gb/s，可以满意光纤接口的高速率要求 [3] 。此外，操控板还规划了主控接口，用于完结与上位机之间的通讯，规划调试接口用于操控与调试，规划接插件接口用于外接其它接插件，很好的进步了其灵活性与可扩展性。
整个操控板依据VPX架构，主体芯片除两片DSP及两片Virtex-6 FPGA外，还包括1个RapidIO Switch。每片FPGA经过EMIF总线衔接一片DSP，预留的调试接口可插接FMC子卡，FPGA可衔接FMC子卡进行调试。FPGA芯片外挂接2簇32 bit DDRIII SDRAM，最大容量支撑2 GB。FPGA与DSP进行的一切信号处理均经过SRIO衔接板上一片8端口SRIO交流芯片。DSP芯片外挂最大容量支撑2 GB的DDRIII SDRAM。两片DSP之间经过HyperLink进行高速直接互联。两片FPGA之间经过GTX以及若干LVDS信号互联。操控板规划契合工业级要求，其主体芯片架构如下图所示。
3.2 软件架构规划
高速光纤接口操控板由FPGA作为主控芯片来操控光纤接口的首要功用，本次规划选用FPGA与CPRI的结合来完结光口的多级速率，操控工程选用Verilog硬件描绘言语来作为规划言语，Verilog言语因其简略易读，安稳牢靠等优越性逐步开展成为现在运用最为广泛的硬件描绘言语。运用Verilog描绘硬件的根本规划单元是模块，经过模块的相互衔接调用来完结杂乱的电子电路，模块中可以包括组合逻辑部分的逻辑电路图、逻辑表达式、逻辑体系所完结的逻辑功用以及进程时序部分 [4] 。本文运用Xilinx Vivado 2017.2集成开发环境来完结高速光纤接口操控板的功用规划。
本文选用规范的FPGA的逻辑规划的根本办法，模块化相应的功用，依据功用进行模块区分可分为时钟办理模块、数据操控与监测模块和CPRI IP核的调用模块三个模块，别的还有顶层模块担任调用各子模块以及数据接口。
操控板的主控芯片首要完结部分有：顶层模块(cpri_1_example_design)，大局时钟办理模块(clk_wiz_0_i: clk_wiz_0)，数据监测模块(ila_0_i: ila_0)，光口数据操控与发生模块(iq_tx_gen_i: iq_tx_gen)，光口数据接纳模块(iq_rx_clk_i: iq_rx_chk)，以及工程束缚文件(cpri_1_example_design.xdc)等。
FPGA内部CPRI在发送端完结8 B/10 B编码和并串转化，在接纳端完结8 B/10 B解码和串并转化。经过调用监测模块设置的监测脚可以观测时钟状况及光口数据的收发状况。发送模块中，CPRI的规范16位数据拆分为高8位和低8位，运用FPGA的DDR模块将两部分数据拼接成DDR数据发送出去；接纳模块将收到的DDR数据并行传输给FPGA，经过同步与拼接后得到16位的CPRI数据，最终数据传给CPRI模块来进行解帧处理。
本次的光口数据传输进程中运用的CPRI协议现已验证是安稳牢靠的传输协议，并封装成可直接调用的IP核，该协议核内部封装了高速串行数据接口硬核，可编程逻辑器件经过绑定GTX通道进行数据的收发交互。单个GTX通道的数据传输速率可完结多个速率等级，最高可达将近10 Gbit/s，依据不同的需求可以多个通道的组合运用，然后可完结几十Gbit速率乃至上百Gbit速率的数据传输，在试验测验中，所调用的CPRI核可以便利的设置多个等级的CPRI线性速率，然后可以很好的研讨光口在不同速率下的收发状况 [5] ，下图所示为可调用的CPRI协议的IP核界面。
4 高速光纤接口测验
本文选用光口回环测验办法对高速光纤通讯体系进行测验，运用光模块和光纤线缆将一个或多个光收发模块构成回环，经过数据监测模块设置的监测脚观测光口的收发状况进行剖析。SFP+光收发一体模块包括两个光纤接入端口，别离可用作发射端口与接纳端口，而且体积小、易插拔，可以很好的满意本文的测验要求。为进步测验精度及测验功率，本文别离选用单光口自回环衔接办法及三个光口构成回环衔接办法进行测验，衔接办法如下图所示。
为了验证光纤通讯体系能否满意5G通讯的高速率传输要求以及数据传输的牢靠性，本文别离就6.144 Gbps和9.83 Gbps两个CPRI速率等级进行了测验。首先在测验文件中界说了一个数据发生模块，发送端发生的测验数据经过光模块端口输出，经过光纤回环到另一个光模块端口。数据监测模块界说了发射端监测脚和接纳端监测脚别离用来监测发射端口与接纳端口的数据状况。在6.144 Gbit/s速率下，界说16位数据监测脚，在9.83Gbps速率下界说32位数据监测脚。
选用Vivado 2017.2软件中的BehavioralSimulation进行仿真验证，经验证，两种速率等级下光纤通讯体系均能正常收发数据，而且满意5G通讯的根本目标。
5 定论
本文为满意5G高速通讯需求，规划了一种依据CPRI协议的高速光纤接口操控板，该操控板具有高性能的数据处理才能和高速的传输通讯才能。经过在6.144 Gbps和9.83 Gbps两个速率等级下的测验验证，高速光纤接口操控板具有较好的安稳性与牢靠性，而且满意5G通讯的根本目标。该高速光纤接口操控板可用于5G信号发生器与5G信号测验设备等设备的研讨和开发，对5G通讯技能的开展与遍及具有重大含义。
参考文献：
[1]屠方泽．5G面对的测验应战及处理方案[J]．电子产品世界，2017(5): 18-19．
[2]马志刚．CPRI原理及测验处理方案 [J]．电信网技能，2010(5): 68-70．
[3]Xilinx．Virtex-6 Family Overview [Z]．America: Xilinx Inc，2015．
[4]胡泽文．依据CPRI协议的光纤通讯规划与完结 [J]．电子元器件运用，2011(2): 27-30．
[5]章洁．依据FPGA的高速光纤通讯IP核研讨规划[J]．数字技能与运用，2015(5): 29-30．
作者简介：
李奥（1993-），男，助理工程师，首要研讨方向：信号与信息处理
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第36页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
