（光学工程专业论文）基于新g984系列协议的gpon终端——物理层和传输汇聚层关键模块设计.pdf

硕十论文基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 摘要 随着宽带网络的快速发展，作为接入网重要技术之一的g p o n 由于具有高带宽、高 效率、支持全业务等特点而获得广泛关注。目前，市场上要求大规模部署g p o n 的呼声 越来越高。与此同时，业界也已经积极开始思考向下一代g p o n 演进。所以，对g p o n 技术进行探讨具有重要意义。 本文在继承课题组之前工作成果的基础上，根据国际电信联盟发布的最新( 3 9 8 4 系 列协议对g p o n 光网络终端物理层和传输汇聚层的一些关键模块进行了研究。首先介绍 了g p o n 技术在国内外的发展现状和g p o n 新旧协议中的一些主要区别。然后从光网 络终端的总体设计规划入手，详细地介绍了g p o n 物理层以及传输汇聚层中的帧同步模 块、加解扰模块以及8 位和3 2 位前向纠错编码模块的基本算法。接着分别阐述了组成 前向纠错解码器的伴随式计算、改进的欧几里德算法、钱式搜索以及福尼算法模块的设 计原理。编写了相应的v h d l 程序，针对上述某些模块提出了一些新的实现方法，并说 明了各模块在向1 0 g 速率演进时的改进思路。最后按照协议要求对所设计的模块编写了 测试激励文件，通过仿真结果验证了其功能的正确性，并给出了寄存器传输级的综合结 果。 关键词：吉比特无源光网络，传输汇聚层，v h d l ，编解码，综合，仿真 a b s t r a c t 硕十论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho ft h eb r o a d b a n dn e t w o r k , g p o nw h i c hi so n ei m p o r t a n t t e c h n o l o g yo ft h ea c c e s sn e t w o r kh a sa t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o nf o ri t s h i g hb a n d w i d t h ，h i g h e f f i c i e n c y a n df u l l s e r v i c e s u p p o r t e da b i l i t y c u r r e n t l y , t h ev o i c eo ft h em a r k e tt od e p l o y g p o ni ng r e a tf o r c ei si n c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，t h ei n d u s t r yh a sb e g u nt os t u d yt h en e x t g e n e r a t i o ng p o n t h e r e f o r e ，d i s c u s s i n gg p o nt e c h n o l o g yi ss i g n i f i c a n t b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ho ft h ed i s c u s s i o ng r o u p ，t h ep h y s i c a ll a y e ra n ds o m e p i v o t a lm o d u l e so ft h eg p o no p t i c a ln e t w o r kt e r m i n a l st r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c el a y e rh a v e b e e ns t u d i e da c c o r d i n gt ot h el a t e s t ( 3 9 8 4s e r i e so ft h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s u n i o n f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t u s o fg p o ni nt h ew o r l da n dt h em a i nd i f f e r e n c e s b e t w e e nt h et w oe d i t i o n sh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h e ns t a r t i n gw i t ht h et o t a ld e s i g np l a n ，t h e p h y s i c a ll a y e r , a l g o r i t h m so ft h ef r a m es y n c h r o n i z a t i o nm o d u l e ，t h es c r a m b l e r d e s c r a m b l e r m u d u l e ，t h ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o nc o d e rm o d u l ea n dt h ef o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n d e c o d e rm o d u l eo ft h eg p o nt cl a y e rh a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，t h ed e s i g n p r i n c i p l e so ft h es y n d o m ec o m p u t a t i o nm o d u l e ，t h em o d i f i e de n c l i da l g o r i t h mm o d u l e ，t h e c l f i e ns e a r c hm o d u l ea n dt h ef o m e ya l g o r i t h mm o d u l ew h i c hm a k e su pt h ef e cd e c o d e r m o d u l eh a v eb e e ne x p o u n d e d w h e nw r i t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m m s ，s o m en e wm e a n s t or e a l i z et h ea b o v em o d u l e sh a v eb e e np r o p o s e da n dt h ei d e ah o wt h e yc a ne v o l v et o10 g b p sh a sb e e ne x p l a i n e d f i n a l l y , t h et e s tp r o g r a m m st ov a l i d a t et h ed e s i g nh a v eb e e nw r i t t e n a st h ep r o t o c o lr e q u i r e da n dt h es y n t h e s i sr e s u l t sa tt h er e g i s t e rt r a n s f e rl e v e lh a v eb e e n p r e s e n t e d k e yw o r d ：g p o n ，t cl a y e r , v h d l ，c o d ea n dd e c o d e ，s y n t h e s i s ，s i m u l a t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 山p 年6 月知日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：9 - ，1 0 年多月勾日 硕士论文 基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 1 引言 1 1g p o n 系统 随着核心网的迅速发展和因特网业务的广泛应用，如今的接入网在数量和质量上都 得到了极大的扩展与延伸。相比过去电信网中的用户环路，接入网在带宽和业务承载能 力上都得到了质的提高【l 】。接入网的发展对促进电信网络的宽带化、综合化，以及目前 工信部正在全力打造的三网合一技术( 电信网、计算机网和有线电视网) 都将起到非常 重要的作用。光纤接入网分为有源光网络a o n 和无源光网络p o n 。由于无源光网络系 统具有可靠性高、维护和部署成本低等优点，传统的电信运营商包括v e f i z o n 、n t t 、 f t 、t e l e f o n i c a 以及中国电信和中国网通等，几乎都一致选择了p o n 技术。作为无源光 网络主流技术之一的吉比特无源光网络g p o n 是最新的p o n 接入标准，它从a p o n 技 术发展而来，具有高带宽、高效率、较远的传输距离和较高的服务质量保证等许多优点， 受到越来越多的关注【2 j 。 近年来，许多网络运营商纷纷将目光投向g p o n ，国际和国内也已经组织了多次 g p o n 设备互通性测试，并取得了较为显著的成果，促使g p o n 有能力向下一代n g p o n 演进1 3 j 。不过由于g p o n 协议实现的复杂性，目前能提供g p o n 核心芯片的厂家并不多， 在国内只有华为等少数几家推出了商用芯片，至于n g p o n 的研究更是处于起步阶段。 所以对g p o n 进行探讨将是很有意义的。 国际电信联盟( i t u ) 在2 0 0 3 年1 月3 1 日发布了g p o n 标准g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ， 即“吉比特无源光网络的总体特性和“吉比特无源光网络的物理媒介相关( p m d ) 层 规范9 9 02 0 0 4 年，又相继发布了q 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 ，即“吉比特无源光网络的传输汇聚 ( t c ) 层规范”和“g p o n 系统管理控制接口规范”，从而形成了g 9 8 4 ，x 系列标准。 2 0 0 7 年，i t u 又发布了g 9 8 4 5 协议“吉比特无源光网络的增强带宽9 9 02 0 0 8 年，由于 g p o n 的发展，i t u 又重新制定了q 9 8 4 1 、q 9 8 4 3 和g 9 8 4 4 协议，并发布了一个新的 标准，即1 3 9 8 4 6 “吉比特无源光网络的扩展传输距离 4 1 。 上述6 个标准分别涉及了g p o n 的总体特性、详细层次划分情况、增强带宽和扩展 传输距离等方面。其中物理层和传输汇聚层的内容已经基本固定，新增加两个协议研究 的要点主要如下：( 1 ) 添加一个用于w d m p o n 波长和g p o n 波长实现波长复用和解 复用的波分复用器w d m 5 j ；( 2 ) 预先在光网络终端o n t 中增加一个波长阻塞滤波器， 用来过滤掉增加的波分复用p o n 和模拟电视信号之间相关波长的相互干扰，其目的在 于使g p o n 和波分复用p o n 能够相互结合，新的o n t 结构如图1 1 所示；( 3 ) 考虑 利用c ( 1 5 2 5 - - - 1 5 6 5 n m ) 和l ( 1 5 6 5 - - - 1 6 2 5 n m ) 波段用于w d m p o n 以及模拟电视信 号的传输并为未来额外的业务预留波段【6 】；( 4 ) 收窄上行信号的波长的频谱范围，空余 1 引言硕十论文 的波长用于传输额外业务7 1 。 n 网 u l 至曲一j d a t a 苫 波长阻塞 m o u t z ol _ j 倔假丽 吕 降硼力 光学信号 - 1t x 7 vv 波分复用广 滤波嚣 l 参考点() r f 1 r * j 蟮；j 士旦 o u t ll 儿二，q i 亩。了 图1 1 带视频信号的g p o no n t 目前业界普遍关注的g p o n 技术与标准进展主要是在国内和海外的互通标准、测试 进展以及g p o n 向下一代演进的能力。i t u 的全业务接入网组织( f s a n ) 自2 0 0 6 年以 来就一直致力于实现g p o n 的互通并做国际互通测试的准备，通过多次的互通测试，已 经取得了显著的成果瞵j 。在国内，工信部一直致力于推动g p o n 产业快速发展，加快 g p o n 技术的商用进程，也组织过华为、烽火、中兴等公司进行g p o n 设备的互通测试。 通过国际标准组织的长期积累、大力推动以及国内权威机构的充分认证，g p o n 技术在 互通能力以及互通成熟度方面得到了长远发展1 9 j 。 u h i 一网络揍口a f 一配置模块 s l i i - 业务节点接口舵一时络终端 图1 2 系统参考配置 g p o n 在网络拓扑结构上和e p o n 一样，也是采用p t o m p 即点到多点的形式，由 o l t 、o d n 和o n u 三部分组成，分别对应光线路终端、光分配网和光网络单元。g 9 8 4 1 2 硕上论文基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 协议( g p o n 系统的总体描述) 给出的配置如图1 2 所示。g p o n 对应于图中用户网络 接口( u s e r n e t w o r ki n t e r f a c e ) 和业务节点接口( s e r v i c en e t w o r ki n t e r f a c e ) 之间的部分， u n i 是其与o n t 相连的节点，s n i 是其与核心网相连的节点。o l t 与o n u 是主从关 系，位于局端。它控制用户侧的各个o n u ，为接入网与核心网相连提供接e l ，并对整 个接入网进行实时地监控、配置、维护以及管理【1 0 1 。光分配网络o d n 利用各种无源器 件比如光分路器等在一个o l t 与多个o n u 之间提供一或多条光通道，其分光比为1 ：6 4 或者1 ：1 2 8 ，现有设备中常见的是前者。 p l o a m0 m c i g e m 用户 g p o n 传输汇聚屡 o m c i 适配层 g t c 适配子层 g e m 适配层d b a 控制 g t c 成帧子层 i l g p o n 物理媒介相关层( p m d ) 图1 3g p o n 协议栈 g p o n 的物理层( p m d ) 、传输汇聚层( t c ) 和运行管理维护层( o m c i 也称为 o n t 管理和控制接口) 在i t u 的g 9 8 4 2 、g 9 8 4 3 、g 9 8 4 4 协议中分别进行了详细规 范。物理层是o l t 和o n t 之问的光传输接口，主要功能是光电转换以及数据和时钟恢 复，保证比特流在两个网络设备之间的透明高效稳定地传输【l 。根据协议要求，o l t 与 o n u 之间的传输应使用g 6 5 2 标准的单模光纤。从o l t 到o n t 的下行方向工作波长范 围为1 4 8 0 n m 1 5 0 0 n m ( 中心波长为1 4 9 0 n m ) ，为连续工作模式；相反的上行方向为 1 2 6 0 n m 1 3 6 0 n m ( 中心波长为1 3 1 0 n m ) ，为突发工作模式，一般使用波分复用技术 ( w d m ) 来实现单根光纤双向传输【l2 。另外，新协议指明g p o n 系统还可以采用第三 波长范围1 5 4 0 n m 1 5 6 0 n m ( 中心波长为1 5 5 0 n m ) 来实现对有线电视业务的承载【l 引。运 行维护管理层主要完成系统的配置、性能、故障和安全管理。传输汇聚层位于高层和物 理层之间，许多关键技术体现在这一层，是g p o n 的核心层【l4 。需要提到的是，在2 0 0 4 年发布的g 9 8 4 3 协议中曾指明该层g e m 业务必选而a t m 业务属于可选的。不过经过 多年部署后发现在实际中a t m 业务很少应用，而且采用a t m 之后会增加g p o n 系统 1 引言硕1 ：论文 的复杂程度，因而在2 0 0 8 年版g 9 8 4 协议中明确指出g p o n 不再支持a t m 业务，使之 得到了简化，并给出了如图1 3 所示新的协议栈。 1 2 课题研究背景 无源光网络经过a p o n 、e p o n 以及g p o n 的发展，形成了e p o n 和g p o n 两大 技术主导市场的局面。g p o n 形成较晚，所以在技术上肯定没有e p o n 成熟，成本也比 较高；不过由于g p o n 有很多优点，比如传输效率更高、覆盖距离更远、误码率更低， 并且支持全业务，所以从长远来看其前景更好【l 引。假如在今后通过技术改进和大规模推 广等手段，使其成本下降到可与e p o n 相比拟的程度，g p o n 无疑将成为解决接入网瓶 颈、升级现有网络的最为理想技术，所以很有必要对其进行深入研究。 g p o n 标准更新速度很快，继2 0 0 4 年出台的4 个g p o n 协议后，2 0 0 8 年底i t u 又 对其进行了修改，并扩展为6 个协议标准，使其越来越完善。例如将g 9 8 4 4 中o m c i 层以前表述含糊的细节具体化，增强其可操作性；新增的g 9 8 4 5 协议( 增强带宽) 定 义了预留波长范围，规范了对波长过滤器的要求1 1 6 1 。这些新标准的采用，将使得运营商 在升级的同时可以兼容现有的网络设备。 1 0 0 2 0 1 0 2 0 1 4 行业将克j 匿i o g p o n 面临的 技术与成本难题 4 】l ：, x 1 0 g p o n ( 4 0 g o p ；) 2 0 1 4 + 向4 0 g 渲进 g p o n 莸樨 一4 9 1 x 2 5 g p o n ( 1 0 g o p , ) 2 0 0 9 2 0 1 0 渡长叠加g p o n 是经济有效地 向n gp o n 迁移的步骤 图1 4g p o n 发展预测路线 g p o n 之后的光纤接入系统由国际电信联盟下属n g a 小组负责，按照该小组的划 分，n g p o n 的演变将被分成两个阶段：n g n l 和n g n 2 。n g n l 是一种两种g p o n 共 存的模式，它在现有网络的基础上，通过扩展g p o n 标准升级到n g p o n ：n g n 2 的目 的则是提供一个单独的下一代光网络接入方案，以满足长期演进的需要i i 。单纯的1 0 g g p o n 物理层标准的解决方案按照构想，将在光损耗、发射功率、波长和接收灵敏度等 4 m 0总带宽占 硕十论文基于新( 2 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 方面和1 0 ge p o n 非常类似，这对两种技术产业的快速发展都是很有利的。目前，主流 厂商的g p o n 设备都能够支持上下行分别为2 5 g b p s 和1 2 5 g b p s 的速率。而下行速率 达到1 0 g b p s 的g p o n 设备各大厂商也在积极研发中，估计在不久的未来1 0 gg p o n 的 标准就会正式推出。图1 4 给出了业内对n g p o n 演进路线的推测，可以看出，它配置 方式灵活，可以完全兼容现有的o d n 、o n u 设备，从而在升级时能够最大限度的降低 运营商的部署成本【1 8 】。 课题组自1 9 9 9 年i t u 的g 9 8 3 1 协议问世，就开始着手接入网方面的调研工作。 2 0 0 1 年以“基于异步传输模式的无源光网络系统中光网络终端的研制”为题目申报并获 得了江苏省高技术研究项目的支持【1 9 1 。经过前几届博士和硕士的共同努力，已经成功地 设计出了整个光网络终端( 包括物理层、通道层、a a l 及高层) 以及光线路终端测试 板，完成了所有的软件设计，并进行了系统联调【2 0 】。调试结果表明，o n t 核心部分传 输汇聚层能够正确地完成：位同步功能、信元定界功能、下行解扰功能、帧同步功能、 授权处理与消息处理功能、测距状态机功能、上行加扰功能以及t c 层从乌托邦接口功 能，整个系统完全符合( 3 ：9 8 3 系列协议所定义的规范，o n t 原理样机各部分连通正确， 语音和数据传输业务正常【2 。 2 0 0 5 年课题组丌始了对g p o n 的研究，在深入分析g 9 8 4 系列协议并收集、综合 和研究大量文献资料的基础上提出了g p o n 系统中光网络终端的整体构架。然后根据对 前面a p o n 系统网络分层结构的理解和g 9 8 4 协议的消化提出了具体的o n t 软、硬件 实现方案，通过对g p o n 系统传输汇聚层关键技术的研究，采用功能模块化的设计思想 给出了t c 层成帧子层的整体设计方案【2 2 】。 1 3 本论文所作的主要工作 在上面的内容中已经介绍过无论是o l t 还是o n t 都是由四个层次组成的，课题组 在之前的工作中已经对相关协议进行了详尽的分析，并且给出了o n t 的物理层解决方 案、t c 层的总体设计规划以及该层一些关键模块的大体解决思路。由于t c 层作为g p o n 核心层，其组成模块太多而且很复杂，只能一级级自下而上实现，另外g p o n 标准已经 更新，所以本文所作工作主要是在课题组之前已有的经验基础上，依照新的协议，对传 输汇聚层的组成模块进行细化设计，将各个模块编制为可在硬件f p g a 上实现的程序， 然后通过编写正确的测试激励文件进行仿真与综合优化，力求使各个模块能够协同工 作，为将来整体电路板的设计打下基础。 本论文的主要内容安排如下： 第二章在给出g p o n 光网络终端总体设计规划后对传输汇聚层的部分关键模块进 行详细的编程设计说明。这些模块主要包括帧同步模块( s y n ) 、下行解扰模块、上行 加扰模块、前向纠错( f e c ) 编码模块和解码模块( 由伴随式计算、m e 算法、钱式搜 5 1 引言 硕l ：论文 索、福尼算法四个小模块组成) 2 3 】。这一章里介绍了各个模块的算法原理、编程思路以 及对课题组现有个别模块的改进。 第三章是在编制出上述模块的基础上，介绍各自测试激励的设计，并对各模块进行 仿真，给出仿真结果的同时辅以适当分析。 第四章是对全文的总结，并对后续工作的展开提出一些建议。 6 硕十论文基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 2 模块设计 2 1 总体设计规划 g p o n 光网络终端按照协议由物理层、传输汇聚层、运行维护管理层和应用层四层 组成【14 1 。图2 1 给出了o n t 整体结构框图，通过各个组件的协同工作，使光网络终端 能够实现对数据、语音、视频等全业务的综合接入。图中d s p 完成运行维护管理层的 功能，应用层由各种高层业务接口和计算机软件完成，由于本文重点是放在物理层和传 输汇聚层，故在此不作详细介绍。 r s 2 3 2 ；r s 4 8 5 ； t r a g ；网口等 一萎 i流l 雪 1 1 5 5 0 瑚 豳 高层揍口 配置揍口 图2 2 物理层与t c 层连接 在本文中，光收发模块选用了武汉电信器件公司的r t x m l 6 7 4 1 0 。该模块以 7 2 模块设计硕上论文 1 4 9 0 n m a p d 连续接收、1 3 1 0 n m 激光器突发发送的方式工作，采用s f f2 1 0 金属封装， 最为关键的是它符合i t ug 9 8 4 2 和g 9 8 4 5 标准对光收发模块所定义的一系列参数要 求。串并并串转换模块可以选择外置芯片，也可以直接使用f p g a 内部的串化器解串 器，这样可以最大限度利用f p g a 的资源，合理选择的话就能适当降低成本。本文采用 了后者，选用的是赛灵思公司v i r l r e x4f x 系列芯片中的r o c k e ti o 多吉比特收发器， 它能支持6 0 0 m b i t s 至1 1 1 g b i t s 之间任何速率数据的串化和解引列。 传输汇聚层分为成帧子层( f r a m i n gs u b l a y e r ) 和适配子层( a d a p t a t i o ns u b l a y e r ) 。 它的主要功能包括帧同步、媒质接入控制、o n u 注册、动态带宽分配、前向纠错编解 码等。由于f p g a ( 现场可编程门陈列) 内部有丰富的逻辑资源和i o 引脚，能根据设 计者需要完成大型的复杂设计，可以反复使用，开发费用低、风险小，而且在设计内容 修改升级后只需要更换与之搭配的e p r o m 即可，所以t c 层一般都采用f p g a 芯片来 实现1 2 引。根据对g 9 8 4 3 协议的研究，课题组在之前已经给出了传输汇聚层的总体设计 图，如2 3 所示。从图可以看出这一层采用了模块化的设计原则，该原则不仅仅是一种 设计工具，更是一种设计思路、设计方法，它集中体现了自顶向下、模块化设计、分工 协作的系统原则，也是大型系统设计的推荐方案【2 5 1 。虽然t c 层已经有了新协议，但其 只是在细节部分改动，总体层次并没有什么变化，而且该图当时已经对o n t 进行了简 化，没有考虑a t m ，刚好与新标准符合，所以本文将继续沿用该设计图，但在模块具 体实现时会参照新的协议进行。 2 2 开发设计方法 8 图2 3 传输汇聚层总体设计 硕士论文 基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 2 2 1 开发工具i s e 随着微电子技术的发展，现场可编程门阵列( f p g a ) 得到了广泛的应用。f p g a 与标准门阵列类似，都具有逻辑单元灵活、适用范围宽和可实现较大规模电路设计的优 点。同时，f p g a 相比于标准门阵列，又具有设计成本低、开发周期和可在线检测等优 点，所以在产品原型设计中大量被应用f 2 6 】。 赛灵思将基于查找表( l o o ku pt a b l e ) 技术、s r a m 工艺、要外挂p r o m 的可编 程逻辑器件称为f p g a l 2 7 j 。本质上查找表可以看作一个r a m ，以市场上广泛使用的四 输入查找表为例，可以把它看成是一块地址线为4 位的1 6 x1 的r a m 。设计者通过h d l 语言( 或者原理图输入方式) 描述一个逻辑电路后，开发软件能够自动计算出电路会出 现的所有可能结果，并将这些结果存储到查找表中。所以，当外部信号输入到f p g a 芯 片中时，就相当于输入了一个地址，f p g a 利用该地址找到所对应的内容然后输出，从 而完成逻辑功能。当f p g a 上电时，内部r a m 将p r o m 中的数据读入，并通过前述方 式构造出所设计的内部逻辑，一旦掉电，芯片又会恢复成空白状态【2 7 】。 i s e 软件具有界面友好、操作简单的特点，再加上赛灵思的f p g a 芯片占有很大市 场，与第三方软件相互取长补短，使其功能越来越强大。i s e 的功能主要包括设计输入、 综合、仿真、实现和下载，涵盖了f p g a 丌发的整个过程( 如图2 4 所示) 。 图2 4f p g a 开发流程 9 2 模块设计硕上论文 在开始f p g a 设计之前，首先要对系统的功能进行定义并划分好模块，这是后续工 作的基础。 在设计输入阶段，常见的两种方式是硬件描述语言( h d l ) 和原理图描述。由于前 者描述的电路不会因为具体的芯片工艺变化而变化，可移植性和复用性更好，因而在大 规模数字电路的设计中更多的是采用h d l 语言来描述【2 8 1 。i s e 在这方面提供了用于h d l 代码输入和查看报告的i s e 文本编辑器( t h ei s et e x te d i t o r ) ，用于原理图编辑的工具 e c s ( t h ee n g i n e e r i n gc a p t u r es y s t e m ) ，用于生成口核的核生成器( c o r eg e n e r a t o r ) ，用 于状态机设计的s t a t ec a d 以及用于编辑约束文件的约束文件编辑器( c o n s t r a i n te d i t o r ) 2 8 1 o 逻辑综合是在设计者给定对电路速度、功耗等约束的条件下，通过计算机的优化处 理，获得一个能满足约束条件的电路设计方案【2 9 】。i s e 不仅具有赛灵思自身提供的综合 工具x s t ，同时还内嵌了m e n t o rg r a p h i c s 公司的l e o n a r d o s p e c t r u m 和s y n p l i c i t y 公司的 s y n p l i f y 。 布局布线是利用实现工具将设计映射到目标芯片中去，选择能够实现逻辑功能的连 线进行连结，然后产生f p g a 配置所需要的位流文件 2 9 1 。i s e 提供的是i m p a c t 和 b i t g e n ，来实现f p g a 程序的烧写。 仿真包括功能仿真、综合后仿真和布局布线后仿真三种，其目的就是在程序下载到 芯片之前测试设计的电路是否满足原定的要求，便于修改【3 0 】。i s e 自带了具有图形化编 辑功能的h d lb e n c h e r ，也提供了与后面将要提到的m o d e l s i m 之间的接口。 2 2 2 仿真工具m o d e i s i m 在f p g a 的设计过程中，所编写的h d l 程序或者原理图成功地进行了编译，只能 说明该设计符合语法规范，而不能保证其能实现所需要的逻辑功能，所以要用到仿真工 具来验证输出信号是否与设计者所思考的一样。 在进行仿真之前，首先要保证编写出的v h d l 程序是可综合的。所谓可综合也就是 说该程序能够真正被硬件实现。任何符合v h d l 语法的代码都是对硬件的一种行为描 述，但不一定可直接对应成具体电路的设计信息1 3 。一般来说，只有寄存器传输级或者 更低层次的行为描述才能保证是可综合的。举个例子：如果要算两个8 位宽的变量相除， 直接在程序中写c = a b 的话，那么该语句是无法综合的。因为除法需要减法器来试除， 寄存器来存放中间变量等，这条语句对硬件来说太为抽象。所以在进行后仿真时，一定 要保证前面的设计实体都是可综合的。前面的准备工作完成后，接着要编写测试激励文 件( v h d lt e s tb e n c h ) ，该文件相当于给待测试模块提供了输入信号，通过观测模块对 输入的响应来检验设训3 1 】。测试激励的编写方法与模块编写方法类似，遵循同样的语法， 文件设计的好坏也会直接影响到模块的正确性。 l o 硕士论文基于新( 3 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 m o d e l s i m 是m e n t o rg r a p h i c s 公司的一款多语言仿真和验证工具，既能够用来仿真 v h d l 语言，也可以仿真v e r i l o g 语言，同时它还支持两者的混合仿真1 2 引。m o d e l s i m 采 用直接优化的编译技术，具有编译仿真速度快、编译代码与平台无关、便于保护i p 核 以及支持c c + + 功能调用和调试的优点1 3 。 在m o d e l s i m 中，包含四个仿真命令。首先是行为仿真( s i m u l a t eb e h a v i o r a lm o d e l ) ， 这种仿真没有考虑器件内部逻辑单元和连线的实际延时信息，只是为了初步验证设计的 逻辑功能。第二个仿真是翻译网表后仿真( s i m u l a t e p o s tt r a n s l a t ev h d l m o d e l ) ，它是使 用软件综合后生成的门级网表进行的仿真，没有加入时延文件。第三个仿真命令是映射 后仿真( s i m u l a t ep o s tm a pv h d lm o d e l ) ，它是将逻辑映射到具体器件后考虑了器件本 身延时但没有考虑连线延时的仿真。最后一个命令是布局布线后仿真( s i m u l a t e p o s t p l a c e & r o u t ev h d lm o d e l ) ，它是在布局布线后，提取有关的器件延时和连线延时 等参数然后标注到模型中进行的仿真，也是最接近实际器件运行状态的仿真【3 2 。 2 3 帧同步模块 光线路终端o l t 在下行方向上以广播方式向多个光网络终端o n t 发送数据，采用 的是1 2 5 u s 固定时间长度的帧结构【l 训。当o l t 以2 4 8 8 3 2 g b i t s 的速率发送数据时，由 上面两个数值相乘可知下行帧总的长度为3 8 8 8 0 字节。假如以后发展为1 0 g 下行速率， 那么每帧总的字节数将变为原来4 倍，但其帧结构不会有大的变化，如图2 5 所示。它 将仍然由物理控制块( p c b d ) 和传输汇聚层净荷( g t cp a y l o a d ) 两部分组成，变化的 只是g t cp a y l o a d 所包含的g e m 帧数增加。也就是说以后模块要改进的话，只用把帧 长的计数器改为现有的4 倍即可。 u l uf a _ f n en - ll j 1 。0p r r 锄enl j l o _ 【f r a m en 十l p c b dg t cp a y l o a dp c b dg t cp a y l o a dp c b d g t cp a y l o a d 删f r a m eg 踟f r a m e吲f r a m e 图2 5 下行帧结构 在上述帧结构中，物理控制块的组成如图2 6 所示。帧同步模块处理的主要是其中 的p s y n c 域，它是一个固定的3 2 比特结构，其值以十六进制表示为b 6 a b 3 1 e 0 。由于 每一帧都以其开始，因而o n t 可以通过它找到每帧的开头，进而为后续处理模块提供 必需的同步控制信号【14 1 。 2 模块设计硕十论文 p c b d g t cp a y l o a d 、- l p s y n c i d e n tp l o a m d b i pp l e n dp l e n d u p s t r e a mb w m a p i 4 b y t e s4 b y t e s1 3 b y t e s 1 b y t e4 b y t e s4 b y t e s n 木8b y t e s 图2 6 物理控制块结构 在设计该模块时，端口经串并转换后的输入数据设计为3 2 位。之所以选用3 2 位数 据是因为f p g a 芯片的处理频率有限，过高则无法实现。为了将来符合1 0 gg p o n 数据 率的要求，经3 2 位串并转换后，每一路的处理频率只需要3 1 1 m h z ，而在2 5 g 数据率 下，处理频率只需要7 7 m h z 。在程序当中首先是设置一个异步复位信号，让模块的所 有输出端口清零。然后是当时钟上升沿到来时，通过判定模块状态( 以s y n信号来state 记录，其初值记为“0 0 ，为搜索状态) 来决定它的工作方式：若其处于搜索状态，则 检测d a t a 的值是否为o x b 6 a b 3 1 e 0 ，如果是的话，说明找到了一个同步字，s y ns t a t e 进入预同步状态；若其处于预同步状态，则记录帧长的计数器开始工作，一旦发现在第 二帧的开头检测到d a t a 的值为o x b 6 a b 3 1 e 0 ，那么s y ns t a t e 进入同步状态，模块输出 端口f r a m es y n 为1 ，表明同步成功，与此同时将c h e c k e d 信号置为l ，表明经同步后的 一帧i d e n t 域开始，相当于下一模块的参考信号；若其在同步状态，则当连续5 帧检测 到d a t a 值不为o x b 6 a b 3 1 e 0 时，模块重新进入到搜索状态，并且将b el o s s 信号置为1 ， 表明丢失帧。 2 4 上行加扰、下行解扰模块 1 2 x ox 7 融口口1 赞 n f r e tp s y 扛c 矗e i d 图2 7c t 9 8 4 3 参考加扰模块图 通信中数据加扰的目的在于对输入信号进行随机化处理，从而减少连0 和连l 情况 硕士论文基于新g 9 8 4 系列协议的g p o n 终端物理层和传输汇聚层关键模块设计 的出现，以便于接收端正确提取出位同步信号，与此同时也可起到加密数据的作用【3 3 1 。 无论是加扰还是解扰，其实质都是用伪随机序列发生器产生的序列与输入信号相异或而 产生的，所以，加解扰模块的关键在于伪随机序列发生器的设计。 g 9 8 4 3 协议中规定对于下行帧，除了用于帧同步的4 个字节外，其余数据都必须 进行加扰处理，扰码生成多项式为x 7 + x 6 + 1 ，并且在后面附录中给出了通过串行移位 寄存器产生伪随机序列的加扰模块图，如2 7 所示。图中七个触发器的初始状态均设置 为1 ，随后它将产生如图2 8 所示的1 2 7 比特的序列码，继而不断重复，序列下面的一 行数字是用十六进制表示。 1 1 11 1 1 00 0 0 00 1 0 00 0 0 11 0 0 00 1 0 10 0 0 11 1 1 00 1 0 00 1 0 11 0 0 1 fe04851e459 1 1 0 10 1 0 0 1 1 1 1 0 1 00 0 0 1 1 0 00 1 0 01 0 0 11 0 1 10 1 0 11 0 1 11 1 0 1 d4 fac49 b5bd 1 o1 1 0 10 0 1 01 1 1 01 1 1 00 1 1 00 1 0 10 1 0 8d2ee65 图2 8 伪随机序列 图2 7 所示的加扰模块虽然结构简单，但由于它是一比特一比特串行进行处理的， 所以不能满足g p o n 的高速传输要求。而且前面已经介绍过，串并转换后的数据是以 3 2 位宽度进入后续模块的，所以只能设计3 2 位并行处理的加解扰模块，也就是要按照 图2 7 分析出模块3 2 位输出和7 个寄存器输入数据的关系，最终使得模块直接输出序列 f e 0 41 8 5 1e 4 5 9d 4 f a1 c 4 9b 5 b d8 d 2 ee 6 5 5 。一般来说，并行加解扰模块的设计 有状态转移矩阵法和延时因子法两种，但由于前者的计算量太大，所以在这里本文按照 延时因子法进行分析【3 4 】。该算法基本原理在此不赘述，其详细计算过程可参考论文后面 的附录a 。 由附录a 中的延时因子递推式和状态转移图，可以求得伪随机序列发生器的3 2 比 特输出d a t a o u t 与七个寄存器d a t a ( 6d o w n t oo ) 之间的关系如下，其中d a t a 的初值经过多 次仿真发现应设为“0 1 0 1 0 1 0 ”。 d a t a o u t ( 0 ) = d a t a ( 2 ) x o rd a t a ( 3 ) x o rd a t a ( 4 ) x o rd a t a ( 6 ) ； d a t a o u t ( 1 、 = d a t a ( 3 ) x o rd a t a ( 4 ) x o rd a t a ( 5 ) x o rd a t a ( 6 ) x o rd a t a ( o ) ； d a t a o u t ( 2 ) = d a t a ( 1 ) x o rd a t a ( 4 ) x o rd a t a ( 5 ) x o rd a t a ( o ) ； d a t a o u t ( 3 ) = d a t a ( 1 ) x o rd a t a ( 2 ) x o rd a t a ( 5 ) x o rd a t a ( 6 ) ； d a t a o u t ( 4 ) = d a t a ( 2 ) x o rd a t a ( 3 ) x o rd a t a ( 0 ) ； d a t a o u t ( 5 ) = d a t a ( 1 ) x o rd a t a ( 3 ) x o rd a t a ( 4 ) ； d a t a o u t ( 6 ) = d a t a ( 2 ) x o rd a t a ( 4 ) x o rd a t a ( 5 ) ； d a t a o u t ( 7 ) = d a t a ( 3 ) x o rd a t a ( 5 ) x o rd a t a ( 6 ) ； 2 模块设计硕士论文 d a t a o u t ( 8 ) = d a t a ( 4 ) x o rd a t a ( o ) ； d a t a o u t ( 9 ) = d a t a ( 1 ) x o rd a t a ( 5 ) ； d a t a o u t ( 10 ) = d a t a ( 2 ) x