基于FPGA的多路遠(yuǎn)傳TDM幀板間傳輸設(shè)計(jì)

郭永超 李淯陽(yáng) 潘波

（重慶金美通信有限責(zé)任公司 重慶市 400030）

1 引言

多路遠(yuǎn)傳信號(hào)跨單元板傳輸時(shí)，若把所有的信號(hào)線一對(duì)一連接，由于線數(shù)太多造成PCB 布線困難，且占用大量FPGA 管腳，因此需要把多路的串行碼流復(fù)接成一路TDM 幀進(jìn)行跨單元板傳輸，從而達(dá)到減少線數(shù)，節(jié)約資源的目的。

板間傳輸?shù)碾y點(diǎn)有二，一是時(shí)鐘抖動(dòng)造成滑碼[1]，二是時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的相位偏移造成誤碼。時(shí)鐘抖動(dòng)主要由于遠(yuǎn)傳模塊時(shí)鐘質(zhì)量不好引起，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的相位偏移主要由于時(shí)鐘和數(shù)據(jù)PCB 布線長(zhǎng)度不一致以及各種干擾引起。

2 TDM幀板間傳輸?shù)目傮w設(shè)計(jì)方案

有線傳輸模塊共有8 路遠(yuǎn)傳，可實(shí)現(xiàn)256kbit/s、512kbit/s、1024kbit/s、2048kbit/s 的傳輸速率。本方案設(shè)計(jì)了三個(gè)單元板，有線傳輸模塊位于單元板一，該單元板完成有線傳輸模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)、TDM 成幀、解幀。單元板二完成遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)收發(fā)、TDM 成幀、解幀，遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)處理。單元板一、二的區(qū)別在于一個(gè)做主模塊，一個(gè)做從模塊。另有一塊聯(lián)絡(luò)板，為單元板一和二供電，并把兩者之間的相關(guān)信號(hào)連接起來(lái)。

3 TDM幀板間傳輸?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)

TDM 幀由tdm_clk、tdm_fs、tdm_txd、tdm_rxd 這四個(gè)信號(hào)組合實(shí)現(xiàn)。tdm_clk 是時(shí)鐘信號(hào)，頻率為32MHz，其它信號(hào)均與之對(duì)齊；tdm_fs 是幀起始信號(hào)，表示一幀的開(kāi)始，其脈沖寬度為一個(gè)tdm_clk 周期；tdm_txd 和tdm_rxd 表示發(fā)送和接收的TDM 數(shù)據(jù)。采用自定義的幀格式[2]，一幀劃分為16 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙8 個(gè)bit，前8 個(gè)時(shí)隙發(fā)送8 路遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，后8 個(gè)時(shí)隙發(fā)送單元板之間的控制維護(hù)消息，每路遠(yuǎn)傳的波特率為2Mbps，，如要調(diào)整傳輸速率，只需要調(diào)整tdm_clk 即可，但是要注意與遠(yuǎn)傳時(shí)鐘匹配。

3.1 發(fā)送模塊（TDM成幀）實(shí)現(xiàn)原理

發(fā)送模塊主要完成遠(yuǎn)傳時(shí)鐘、數(shù)據(jù)同步，串并轉(zhuǎn)換，block-RAM 讀寫(xiě)，時(shí)隙分配，TDM 幀發(fā)送等功能。其具體數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示，可分為九個(gè)步驟。

圖1：TDM 發(fā)送模塊數(shù)據(jù)處理流程

（1）打拍緩存，消除亞穩(wěn)態(tài)[3]。采用上升沿檢測(cè)的方式把遠(yuǎn)傳時(shí)鐘和數(shù)據(jù)同步到系統(tǒng)時(shí)鐘上來(lái)，數(shù)據(jù)放到寄存器組txdata_temp。

（2）移位寄存。為每一路遠(yuǎn)傳都設(shè)置一個(gè)32bit 的移位寄存器，在遠(yuǎn)傳時(shí)鐘的上升沿把txdata_temp[1]放入移位寄存器的最低位txdata_shift[0],同時(shí)txdata_shift 左移一位。

（3）串并轉(zhuǎn)換。每一路遠(yuǎn)傳都有一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)移位寄存器接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，每記滿32bit 就把txdata_shift 中的數(shù)據(jù)放入txdata_parallel，實(shí)現(xiàn)了串并轉(zhuǎn)換為寫(xiě)入block-RAM 做好了準(zhǔn)備。

（4）數(shù)據(jù)寫(xiě)入block-RAM 進(jìn)行緩存。為了消除遠(yuǎn)傳時(shí)鐘的抖動(dòng)造成的滑碼，采用block-RAM 來(lái)緩存數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)所采用的FPGA 芯片是xilinx 公司的K7 系列，一個(gè)block-RAM 的數(shù)據(jù)寬度為36 位（實(shí)際只用到低32 位，高4 位置0）；尋址范圍0-511，9位地址線[4,5]。對(duì)于一路遠(yuǎn)傳而言，它的時(shí)鐘頻率較低，數(shù)據(jù)量不大，較小的緩存容量就足以應(yīng)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)引起的滑碼問(wèn)題。為了節(jié)約block-RAM 資源，把一個(gè)block-RAM 做地址分割，共分為8 個(gè)緩存通路，高3 位地址線作為通路地址，低6 位地址線作為通路內(nèi)地址，這樣每一路的緩存容量為32bit*64=2048bit。為了避免數(shù)據(jù)溢出，為每一通路設(shè)置一個(gè)門(mén)限，只有在門(mén)限內(nèi)才允許對(duì)通路內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)。門(mén)限由三個(gè)參數(shù)組成，寫(xiě)上限、讀開(kāi)始、讀下限，比如設(shè)置寫(xiě)上限為2000bit、讀開(kāi)始門(mén)限為1000bit、讀下限為50bit，當(dāng)通道內(nèi)的數(shù)據(jù)量大于2000bit 時(shí)不允許寫(xiě)入，數(shù)據(jù)量大于1000bit 時(shí)開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小于50bit 時(shí)不允許讀數(shù)據(jù)，理想情況下通道的讀寫(xiě)速率是一致的，這樣通道內(nèi)的數(shù)據(jù)量就會(huì)保持在中間值左右，從而最大限度的發(fā)揮“緩沖”作用。txdata_parallel 每更新一次，產(chǎn)生一次寫(xiě)使能信號(hào)，相應(yīng)通路的寫(xiě)使能有效且通道內(nèi)數(shù)據(jù)量未達(dá)到寫(xiě)上限時(shí)，數(shù)據(jù)才能夠?qū)懭搿?/p>

（5）數(shù)據(jù)從block-RAM 讀出。讀使能信號(hào)有效時(shí)，在幀定位信號(hào)tdm_fs 的節(jié)拍下，遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)從block-RAM 讀出并放入寄存器組dataout_temp，控制維護(hù)消息由FPGA 內(nèi)部模塊產(chǎn)生，與遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)相互獨(dú)立。

（6）打一拍時(shí)序?qū)R。數(shù)據(jù)從block-RAM 到dataout_temp 的過(guò)程，因?yàn)楦魍ǖ赖淖x使能信號(hào)不一定同時(shí)有效，所以dataout_temp 數(shù)組中各通路的數(shù)據(jù)不一定同時(shí)變化，后一級(jí)寄存器組需要做雙字到字節(jié)轉(zhuǎn)換，每一個(gè)tdm_fs 周期要分四次從前一級(jí)的寄存器組取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，有可能四個(gè)字節(jié)還沒(méi)取完dataout_temp 中的數(shù)據(jù)就改變了，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此有必要插入一個(gè)寄存器組dataout_temp2，在tdm_fs 的節(jié)拍下把dataout_temp 賦值給dataout_temp2，為雙字到字節(jié)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。

（7）雙字到字節(jié)轉(zhuǎn)換。因?yàn)門(mén)DM 幀格式的每一個(gè)時(shí)隙有8bit，而block-RAM 出來(lái)的數(shù)據(jù)是32bit，需把四字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成單字節(jié)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放入寄存器組dataout_toByte。

（8）按時(shí)隙順序把各通道數(shù)據(jù)放入移位寄存器。dataout_toByte 的16 個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)16 個(gè)時(shí)隙，計(jì)數(shù)器每計(jì)滿8 個(gè)bit 就從dataout_toByte 中取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)出來(lái)，其數(shù)據(jù)位D7 放入tdmdata，D6～D0 放入tdmdata_shift 的D7～D1。

（9）在tdm_clk 的節(jié)拍下，把tdmdata_shift 的最高數(shù)據(jù)位D7放入tdmdata，同時(shí)tdmdata_shift 整體左移一位，這樣就完成了八路遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，及八路控制消息的成幀和發(fā)送過(guò)程。

3.2 接收模塊（TDM解幀）實(shí)現(xiàn)原理

接收模塊完成遠(yuǎn)傳時(shí)鐘、數(shù)據(jù)同步，移位寄存，解幀，數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。在數(shù)據(jù)的接收端，因?yàn)門(mén)DM 信號(hào)經(jīng)過(guò)了跨板傳輸，受PCB 布線等因素影響，TDM 時(shí)鐘、幀定位、數(shù)據(jù)信號(hào)之間的相位關(guān)系難免發(fā)生偏移，需對(duì)遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)做一定處理才能正確解碼。數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

圖2：TDM 接收模塊數(shù)據(jù)處理流程

（1）打拍緩存，消除亞穩(wěn)態(tài)。首先用一個(gè)高倍時(shí)鐘對(duì)tdm_clk、tdm_fs、tdm_rxd 進(jìn)行同步，同步數(shù)據(jù)放入tdmdata_temp 寄存器。

（2）移位寄存。在tdm_clk 的節(jié)拍下把同步后的數(shù)據(jù)依次存入一個(gè)8 位的移位寄存器，每8bit 取一個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)出來(lái)放入寄存器組byte_temp。

（3）打一拍時(shí)序?qū)R。為了便于后續(xù)處理，把寄存器組byte_temp 的值在tdm_fs 的節(jié)拍下賦給寄存器組byte_temp2，byte_temp2的前8 路是遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)，要對(duì)外發(fā)送，后面8 路是兩個(gè)單元板的控制維護(hù)消息，內(nèi)部使用。

（4）移位寄存，并串轉(zhuǎn)換。在每一個(gè)tdm_fs 的上升沿把byte_temp2 的前8 個(gè)通道的數(shù)據(jù)賦值給移位寄存器組txdata_shift，在每一個(gè)遠(yuǎn)傳時(shí)鐘的上升沿（2MHz，F(xiàn)PGA 內(nèi)部產(chǎn)生），把rxdata_shift 的每一路的最高位賦值給相應(yīng)的rxdata 管腳，至此完成了TDM 接收模塊的解幀和遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)送。

接收模塊沒(méi)有用block-RAM 做數(shù)據(jù)緩存，因?yàn)榻邮斩酥饕鉀Q的問(wèn)題是相位對(duì)齊，因此只需要打拍消除亞穩(wěn)態(tài)，并用系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行邊沿采樣，就能正確的接收數(shù)據(jù)，同時(shí)接收端的遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)處理模塊的收時(shí)鐘是由FPGA 內(nèi)部產(chǎn)生，不存在時(shí)鐘抖動(dòng)的問(wèn)題，因此解碼后的數(shù)據(jù)也不需緩存就可直接發(fā)出。

3.3 時(shí)鐘預(yù)處理模塊的作用

tdm_clk 和tdm_fs 都是單向的，所以兩個(gè)單元板必須一個(gè)做主一個(gè)做從。時(shí)鐘預(yù)處理模塊通過(guò)參數(shù)化的配置實(shí)現(xiàn)主從切換，當(dāng)配置為主時(shí)，模塊自身生成tdm_clk 和tdm_fs，除了給板內(nèi)的收發(fā)模塊提供以外還對(duì)外提供；配置為從時(shí)接收板外的tdm_clk 和tdm_fs，與板內(nèi)主時(shí)鐘同步后提供給板內(nèi)的收發(fā)模塊。

3.4 時(shí)延分析

TDM 數(shù)據(jù)在發(fā)送端成幀之前需要經(jīng)過(guò)block-RAM 緩存，緩存大小及門(mén)限值影響時(shí)延大小。每個(gè)通道的緩存容量為2048bit,寫(xiě)上限為2000bit、讀開(kāi)始門(mén)限為1000bit、讀下限為50bit，數(shù)據(jù)時(shí)鐘為2MHz。最小時(shí)延Tmin=25us，典型時(shí)延Ttyp=500us，最大時(shí)延Tmax=1000us。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA 實(shí)現(xiàn)多路遠(yuǎn)傳TDM 數(shù)據(jù)幀板間傳輸?shù)姆桨福?在TDM 幀的發(fā)送端使用一個(gè)雙端口RAM，實(shí)現(xiàn)了8路遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的緩存及跨時(shí)鐘域同步，既節(jié)約了資源又有效的解決了滑碼的問(wèn)題，采用自定義的幀格式，在傳輸遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的同時(shí)還能傳輸單元板間的控制維護(hù)消息，具有一定的擴(kuò)展性。