基于FPGA的帧同步的仿真和设计.doc

1、 草鱼 草鱼 Tianjin 草鱼 University 草鱼 of 草鱼 Technology 草鱼 and 草鱼 Education 草鱼 草鱼 草鱼 毕 草鱼业 草鱼论 草鱼文 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 专 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼业 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 电气技术教育 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 班级学号 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 0201 草鱼 草鱼 36 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 学生姓名 ： pork 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 童萌 草鱼 草 鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 指导教师 ： pork 草鱼 草鱼 李韶远 草

2、鱼 草鱼 草鱼 讲师 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 二 七 草鱼年 草鱼六 草鱼月 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 天津工程师范学院本科生毕业论文 草鱼 草鱼 草鱼 基于 FPGA 的帧同步的仿真和设计草鱼 The 草鱼 simulation 草鱼 and 草鱼 design 草鱼 with 草鱼 FPGA 草鱼草鱼 for 草鱼 the 草鱼 framers 草鱼 synchronization 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 专业班级 ： por k电气 0201 草鱼 学生姓名 ： por k童萌 草鱼 指导教师 ： por k李韶远 草鱼 讲师 草鱼 系 草鱼

3、草鱼 草鱼 草鱼 别 ： por k自动化工程系 草鱼 草鱼 2007 草鱼年 草鱼 6 草鱼月 草鱼 草鱼 摘 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼要 草鱼 随着网络的普及和发展 ， 鲤鱼 对数据的传输标准也在随之不断的提高 。 草鱼 这就在数据的控制问题上提出了更大的要求 。 草鱼 在数字信号中 ， 鲤鱼 数据一般都是以帧结构存在的 ， 鲤鱼 各个时隙的位置可以根据帧定界信号加以识别 。 草鱼 因此在数字通信网中 ， 鲤鱼 帧同步是同步复接中最重要的部 分 ， 鲤鱼 它包括帧同步码的产生和帧同步码的识别 。 草鱼草鱼 文中介绍了二分查找法的工作原理及帧同步的实现过程 。 草鱼 在研究运算规则的同时 ,根

4、据国际光互联论坛制定的甚短距离光传输标准对三种不同的查找方案进行了比较 ,最终选择二分查找法作为实践对象 。 草鱼 其中 ， 鲤鱼 基本结构设计上采用了六级并行计算模式 ，鲤鱼 再根据具体步骤制定帧同步的流程图 ， 鲤鱼 并以 Altera 公司开发的 EDA 工具 QuartusII 作为编译 、 pork仿真平台 ， 鲤鱼 完成了帧同步的硬件语言描述 ， 鲤鱼 从而达到了对数据结构中帧定界的查找目的 。 草鱼 通过对仿真测试和对 输出波形的理论分析 ， 鲤鱼 证明程序工作正常 、 pork方法行之有效 ， 鲤鱼 可以满足相关标准及使用要求 ， 鲤鱼 并在速度 、 pork准确率体现了二分查

5、找算法的优越性 。 草鱼 草鱼草鱼 草鱼 关键字 ： pork帧定界 ； pork帧同步码 ； porkFPGA； pork甚短距离光传输 草鱼 ABSTRACT 草鱼 Along 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 universality 草鱼 and 草鱼 developments 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 network, 草鱼 the 草鱼 datas 草鱼 delivering 草鱼standards 草鱼 was 草鱼 also 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 immediately 草鱼 continuous 草鱼 exaltation. 草鱼 This 草鱼 put 草

6、鱼 forward 草鱼 the 草鱼greater 草鱼 request 草鱼 on 草鱼 the 草鱼 control 草鱼 problem 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 data. 草鱼 In 草鱼 digital 草鱼 signal, 草鱼 the 草鱼 data 草鱼invariably 草鱼 existed 草鱼 with 草鱼 the 草鱼 structure 草鱼 of 草鱼 framer, 草鱼 and 草鱼 the 草鱼 each 草鱼 position 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 time 草鱼partition 草鱼 could 草鱼 be 草鱼 located

7、草鱼 with 草鱼 framer 草鱼 Delimitation. 草鱼 Therefore, 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 digital 草鱼connecting 草鱼 system, 草鱼 the 草鱼 framers 草鱼 synchronization 草鱼 was 草鱼 the 草鱼 most 草鱼 important 草鱼 part, 草鱼 and 草鱼 it 草鱼 included 草鱼 the 草鱼 creation 草鱼 and 草鱼 identification 草鱼 of 草鱼 the 草鱼 framers 草鱼 synchronization 草鱼 code.草鱼

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12、 草鱼 normal 草鱼 , 草鱼 has 草鱼 effective 草鱼 method 草鱼 , 草鱼 can 草鱼 satisfy 草鱼relative 草鱼 standard 草鱼 and 草鱼 use 草鱼 to 草鱼 ask 草鱼 , 草鱼 and 草鱼 has 草鱼 embodied 草鱼 the 草鱼 voluntarily 草鱼 optimize 草鱼function 草鱼 in 草鱼 the 草鱼 process.草鱼 草鱼 Key 草鱼 words: 草鱼 framer 草鱼 Delimitation； por kthe 草鱼 framers 草鱼 synchroniza

13、tion 草鱼 code； porkFPGA； por kVSR 草鱼 草鱼 草鱼 - 0 - 目 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 录 草鱼 草鱼 草鱼 1 草鱼绪论 1 草鱼 1.1 草鱼 SDH 与帧同步概述 1 草鱼 1.2 草鱼 FPGA 现状与发展 2 草鱼 1.3 草鱼 论文内容介绍 2 草鱼 2 草鱼 帧同步 4 草鱼 2.1 草鱼 引言 4 草鱼 2.2 草鱼 帧数据结构 4 草鱼 2.3 数据传送 4 草鱼 2.3.1 草鱼 发送方向的数据传送 4 草鱼 2.3.2 草鱼 接收方向的数据传送 5 草鱼 2.3.3 草鱼 OC-192 帧至数据通道映射 5 草鱼 2.4 草鱼 VSR

14、帧同步 6 草鱼 3 草鱼算法原理 8 草鱼 3.1 草鱼 引言 8 草鱼 3.2 草鱼 OC-192 帧同步模块功能描述 8 草鱼 3.3 草鱼 帧对齐方案 8 草鱼 3.3.1 草鱼 常见帧对齐方案概要 8 草鱼 3.3.2 草鱼 帧对齐电路结构性能分析 11 草鱼 3.3.3 草 鱼OC-192 帧同步模块总体电路结构 11 草鱼 4 草鱼 设计与实现 12 草鱼 4.1 研究背景与语言工具简介 12 草鱼 4.1.1 草鱼 FPGA 概述 12 草鱼 4.1.2 草鱼 Verilog 草鱼 HDL 语言简介 12 草鱼 4.1.3 草鱼 Quartus 草鱼 II 仿真环境简介 13

15、草鱼 4.2 草鱼 帧同步算法的设计 14 草鱼 4.2.1 草鱼 模块设计 14 草鱼 4.2.2 草鱼 设计仿真 19 草鱼 5 草鱼结论 22 草鱼 6 草鱼参考文献 23 草鱼 7 草鱼附录 24 草鱼 7.1 草鱼 基于 Verilog 草鱼 HDL 语言的实体整体描述 24 草鱼 7.2 草鱼 二分查找法原理 仿真 图 29 草鱼 8 草鱼致谢 30 草鱼 英文资料 及中文翻译 草鱼 天津工程师范学院 2007 届毕业生毕业设计 1 1 草鱼绪论 草鱼 1.1 草鱼 SDH 与帧同步概述 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 1986 年 CCITT（现在的 ITU-T）以美国的同步光网络

16、（ SONET）为基础开始制定 SDH 标准 。 草鱼 此后陆续通过了一系列关于 SDH 的建议 ， 鲤鱼 到目前为止已形成了一个完整的全球统一的光纤数字通信标准 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 SDH 传输网具有以下优点 ： por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 1）全球通用的光接口标准 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 2）一次到位的同步复用方式使传输系统的硬件品种 、 por k数量减少 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 3）可以简单地升级到更高的速率等级 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼

17、（ 4）有丰富的开销可供网络管理使用 ， 鲤鱼 具有强有力的标准化网管功能 ； por k草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 （ 5）具有承载诸如 ATM（ 异步传输模式 ） 的能力 。 草鱼草鱼 SDH/SONET 被定义为一些由 SDH/SONET 网络部件组成的网络 。 草鱼 这些形成同步的数字传输 、 por k复接 、 pork分接和互联 。 草鱼 已有全球通用的网络节点接 （ NNI） ， 鲤鱼 从而简化了信号的互通以及信号的传输 、 pork复用 、 pork交叉连接 和交换过程 。 草鱼 同时已有一套标准化的信息结构等级即同步传输模块 STM， 鲤鱼 并具有一种块状帧结构

18、 ， 鲤鱼 安排了丰富的开销比特用于网络的运行 、 pork管理和维护 ;pork基本的网络部件有终端复用器 （ TM） 、 pork分插复用器 （ ADM）和同步数字交叉连接设备 （ CSDXC） 等 ， 鲤鱼 其功能各异 ， 鲤鱼 但都有统一的光接口 ,能够在基本光缆上实现横向兼容 ， 鲤鱼 允许不止一家设备在光路上互通 ； pork已有一套特殊的复用结构 ， 鲤鱼 允许 PDH 和 SDH 等信号都能进入其帧结构 ， 鲤鱼 因而具有广泛的适应性 ； pork大量采用软件进行网络配置和控 制 ， 鲤鱼 使得新功能和新特性的增加比较方便 ， 鲤鱼 适应将来的不断发展 。 草鱼草鱼 随着 In

19、ternet 和 SDH/SONET 的不断发展 ， 鲤鱼 使得越来越多的采用光互联的电信设备放置于同一大楼甚至同一机房内 ， 鲤鱼 在这些短距离光互联采用标准 SDH/SONET 接口器件成本较高 ， 鲤鱼 局域网 内短距离采用甚短距离光互联系统 （ VSR） 将大大降低成本 。 草鱼草鱼 VSR-4 是 OIF（ Optical 草鱼 Internetworking 草鱼 Forum光互连论坛 ） 制定的一套协议 。 草鱼 这种VSR 接 口 使用 OC-192 速率和格式 ， 鲤鱼 速率为 10Gbit/s 与长距离接口不同 ， 鲤鱼 这种应用不需要一定使用 OC-192 信号在网络组件

20、间串行传输 ， 鲤鱼 而可以把信号映射到一些并行通道里传输 （ 在数根光纤或者单根多模光纤上传输 ） ， 鲤鱼 同时一也可以使用多种光纤和波长 。 草鱼 OIF 在研究了多种可能的接 口 后 ， 鲤鱼 制定了 4 种 OC-192 草鱼 VSR 协议标准 。 草鱼草鱼 VSR 采用 SDH/SONET 草鱼 帧的接口 ， 鲤鱼 用并行光技术来取代昂贵的串行互联 ， 鲤鱼 使业务提供者可以低成本有效地解决客户在入网点内部传送 STM-64/OC-192帧格式数据 。 草鱼 VSR传输设备用由 12 只 850nm 垂直腔面发射激光器 （ VCSEL） 组成的激光器阵来代替传统的串行单激光器接口传

21、输 10Gbit/s 数据 。 草鱼草鱼 同步是通信系统中一个重要的实际问题 。 草鱼 数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个“字” ， 鲤鱼 又用若干“字”组成一“句” 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 在接收这些数字流时 ， 鲤鱼 必须知道这些“字” 、 pork“句”的起止时刻 ， 鲤鱼 在接收端产生与“字” 、 pork“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列 ， 鲤鱼 称为“字”同步和“句”同步 ， 鲤鱼 统称为帧同步或群同步 。 草鱼 可以说 ， 鲤鱼 在同步通信系统中 ， 鲤鱼 “同步”是进行信息传输的 前提 ， 鲤鱼 这就要求同步系统应有高的可靠性 。草鱼 草鱼 为了更加有效地利用信道

22、 ， 鲤鱼 将低速数据合成一路高速数据传输 ， 鲤鱼 为了保证接收端能和发送端一致 ， 鲤鱼 必须有一个帧同步系统以实现发送端和接收端的帧同步 。 草鱼 实现帧同步的天津工程师范学院 2007 届毕业生毕业设计 2 基 本 方法是在发送端循环地插入帧同步码组 ， 鲤鱼 接收端通过检测该帧同步码组以达到帧同步 。 草鱼 帧同步系统是由发送端的帧同步码组产生电路和插入电路以及接收端的帧同步电路所组成 ， 鲤鱼 而帧同步电路的结构对同步性能的影响是主要的 。 草鱼草鱼 1.2 草鱼 FPGA 现状与发展 草鱼 过去 ， 鲤鱼 通常使用电路原理图来实现 群同步算法 ， 鲤鱼 如 ： pork逐比特移位

23、法和预置启动搜索法 ，鲤鱼 设计都较复杂 ， 鲤鱼 要求设计者有丰富的硬件电路设计经验 ， 鲤鱼 要很熟悉器件的结构及功能 ，鲤鱼 设计时间较长 ， 鲤鱼 维护工作也很困难 。 草鱼 本文使用 Verilog 草鱼 HDL 语言编写程序代码 ， 鲤鱼 经过综合 、 pork仿真和优化等过程 ， 鲤鱼 最终将产生的门级网络表用开发工具自动写入到芯片中 ，鲤鱼 以代替传统原理图来实现群同步算法 ， 鲤鱼 主要原因有 ： porkVerilog 草鱼 HDL 具有强大的语言结构 ， 鲤鱼 是一种集设计 、 pork模拟 、 pork综合为一体的标准硬件描述语言 ， 鲤鱼 设计灵活 ， 鲤鱼 可以用模

24、拟器来验证程序的功能和时序的正确性 ； pork不要求设计者非常熟悉器件的内部结构 ， 鲤鱼 使得设计者可以集中精力从事设计构思 ； por kVerilog 草鱼 HDL 程序可读性较好 ， 鲤鱼 可以在各 EDA平台上运行 ， 鲤鱼 具有良好的可移植性和维护性 ； porkVerilog 草鱼 HDL 的设计可以与工艺无关 。草鱼草鱼 FPGA/CPLD 是 20 世纪 90 年代发展起来的大规模可编程逻辑器件 ， 鲤鱼 随着 EDA 技术和微电子技术的进步 ， 鲤鱼 FPGA 的时钟延迟可达到 ns 级 ， 鲤鱼 结合其并行工作方式 ， 鲤鱼 在超高速 、 por k实时测控方面有非常广

25、阔的应用前景 ； pork并且 FPGA 具有高集成度 、 pork高可靠性 ，鲤鱼 几乎可以将整个设计系统下载于同一芯片中 ， 鲤鱼 实现所谓片上系统 ， 鲤鱼 从而大大缩小其体积 ， 鲤鱼 因此以 FPGA/CPLD 为代表的可编程逻辑器件受到了世界范围内广大电子设计工程师的普遍欢迎 ， 鲤鱼 应用日益广泛 。 草鱼 在国外 ， 鲤鱼 FPGA 的技术发展与应用已达到相当高的程度 ； por k在国内 ， 鲤鱼 FPGA 技术发展十分迅速 ， 鲤鱼 然而与国外相比还存存较大的差距 。 草鱼草鱼 此外 ， 鲤鱼 传统的数字设计一般采用积木式方法进行 ， 鲤鱼 即由器件搭成电路 板 ， 鲤鱼

26、由电路板达成数字系统常用的积木块是固定功能的标准集成电路 ， 鲤鱼 设计者需要根据需要选择合适的器件 ， 鲤鱼 再由期间组成电路板最终完成设计 。 草鱼 传统的数字系统设计只能对电路板进行设计 ， 鲤鱼 通过设计电路板来实现系统功能 。 草鱼草鱼 采用可编程逻辑器件通过对器件内部的设计来实现系统功能 ， 鲤鱼 是一种基于芯片的设计方法 。 草鱼 设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引出端 。 草鱼 将电路板大部分的设计工作放在对逻辑器件的设计中进行 ， 鲤鱼 通过对芯片设计来完成数字系统的逻辑功能 。 草鱼 灵活的内部功能块组合 、 pork引出端定义等 ， 鲤 鱼 可大大减少电路设计和电路

27、板设计的工作量和难度 ， 鲤鱼 有效的增强设计的灵活性 ， 鲤鱼 提高生产效率 。 草鱼 基于芯片的设计方法可以减少芯片的数量 ， 鲤鱼 缩小系统体积 ， 鲤鱼 降低能源消耗 ， 鲤鱼 提高系统性能和可靠性 。 草鱼草鱼 1.3 草鱼论文内容介绍 草鱼 第一章 草鱼 引言部分 ： pork从课题背景出发 ， 鲤鱼 介绍 帧同步 技术 的 发展 趋势 及总体研究过程 和规划 ； por k草鱼 第二章 草鱼 介绍帧结构以及实际应用当中的数据传输方案以及与帧的关系 。 草鱼 由浅入深的引入帧同步的概念 ， 鲤鱼 并结合其原理简要介绍一些数据传输与接收方面的工作特点 。 草鱼硬 件以及硬件描述语言

28、（ Verilog 草鱼 HDL） ； por k草鱼 第三章 草鱼 着重介绍帧同步的查找方案 ， 鲤鱼 对不同方案进行比对 ， 鲤鱼 从优而择 ， 鲤鱼 确定论文的研究方向 。 草鱼 介绍与其相关的硬件电路结构知识 。 草鱼草鱼 第四章 草鱼 简要介绍设计多许的硬件设备和软件环境 ， 鲤鱼 从分段的角度出发 ， 鲤鱼 结合模块化的语言描述从不同侧面剖析二分法原理的实现过程 ， 鲤鱼 演示比对仿真结果 。 草鱼草鱼 天津工程师范学院 2007 届毕业生毕业设计 3 第五章 草鱼 对本次设计的结论及展望 。 草鱼 比较基于原理算法所设计的程序的优缺点 。 草鱼 草鱼 草鱼 天津工程师范学院 20

29、07 届毕业生毕业设计 4 2 草鱼帧同步 草鱼 2.1 草鱼引言 草鱼 在数字网络中 ， 鲤鱼 为了扩大传输容量 ， 鲤鱼 提高信道利用率 ， 鲤鱼 常常需要把若干个低速数字信号合并成一个高速数字信号 ， 鲤鱼 然后通过高速信道传输 ， 鲤鱼 数字复接就是实现这种数字信号合并的专门技术 。 草鱼 数字复接把低速数字信号合并为高速信号 ； pork相反 ， 鲤鱼 在接收端 ， 鲤鱼要用分接器把发 送 端数字信号分解为原来的支路数字信号 。 草鱼 为保证分接器的帧状态相对于复接器的帧状态能获得并保持相位关系 ， 鲤鱼 以便正确地实施分接 ， 鲤鱼 在合路数字信号中还必须循环插入帧定位信号 ， 鲤

30、鱼 因此在合路数字信号中 ， 鲤鱼 也就存在以帧为单位的结构 ，鲤鱼 各个 数字时隙的位置可以根据帧定位信号加以识别 。 草鱼 因此在数字通信网中 ， 鲤鱼 帧同步是同步复接设备中最重要的部分 ， 鲤鱼 它包括帧同步码的产生和帧同步码的识别 ， 鲤鱼 其中接收端的帧同步识别电路的结构对同步性能的影响是主要的因素 。 草鱼草鱼 2.2 草鱼帧数据结构 草鱼 VSR4-01.0 接口的性能目标是利用基于 850nm的 VCSEL 的并行光收发技术 ， 鲤鱼 通过300m长的多模带状光纤实现 OC-192 帧结构数据 （ 见图 2-l） 的双向传输 。 草鱼 因为采用并行收发技术 ， 鲤鱼 所以 ，

31、 鲤鱼 必须定义 OC-192 帧映射到并行发送通道以及在并行接收 端重组 OC-192 帧的方法 ， 鲤鱼 使 VSF4-01.0 接口获得实际应用并实现不同厂商之间产品的互联互通 。 草鱼草鱼 A 1 A 1 A 1 . . . A 1 A 2 . . . A 2 A 2 A 2 . . .A U 指 针S O H净 负 荷 ( 含 P O H )S O N E T123945.2 7 0 * 6 4传 输 顺 序数 据 方 向草鱼 图 2-l 草鱼 OC-192 帧结构数据 草鱼 草鱼 2.3 数据传送 草鱼 2.3.1 草鱼 发送方向的数据传送 草鱼 发送方向功能框图见图 2-2。 草

32、鱼 来自 OC-192 成帧器的 16 路 622Mbit/s 数据是字节对准的 ， 鲤鱼 它们与 622MHz 时钟同步 ， 鲤鱼 传送的 12 路 1.244Gbit/s 高速数据也与 622MHz 时钟信号同步 。 草鱼草鱼 草鱼 天津工程师范学院 2007 届毕业生毕业设计 5 成帧器有 效 数 据帧同步编码串并转换串并转换数 据 输 出草鱼 草鱼 图 2-2 草鱼 发送方向数据加工流程图 草鱼 草鱼 2.3.2 草鱼 接收方向的数据传送 草鱼 在接收方向 （ 见图 2-3） ， 鲤鱼 来自 12 个并行光纤的光信号被并行光接收模块转换为1.244Gbit/s 的电信号进入转换集成电路

33、的接收部分 ， 鲤鱼 它从每个通道的 1.244Gbit/s 数据流中恢复出各自的时钟并进行 1： por k10 串并转换 ， 鲤鱼 经帧同步后 ， 鲤鱼 对 12 路并行数据流进行 8B10B 解码 ， 鲤鱼 并利用每个数据流中的帧定界符进行帧对齐 ， 鲤鱼 即去除通道间经传输后 造成的延时差别 （ 接收部分通道间延时差别容忍度不小于 80ns） 。 草鱼 转换集成电路使用一个算法找出帧定界符 ， 鲤鱼 10 个数据通道的帧定界符被 A1 字节覆盖 ， 鲤鱼 恢复成原来的 OC-192 帧 。 草鱼 转换集成电路最后把数据通道重组为 16 路 622Mbit/s 的并行数据 。 草鱼草 鱼

34、 草鱼 时钟恢复串并转换解码数据对齐校验成帧有 效 数 据 数 据 接 收草鱼 草鱼 图 2-3 草鱼 接收方向数据加工流程图 草鱼 草鱼 2.3.3 草鱼 OC-192 帧至数据通道映射 草鱼 输入的 16 路 622Mbit/s 数据经过帧定位和字节分接后分配到 10 个数据通道 （ 如 图 2-4所示 ） 。 草鱼 OC-192 帧的第一个 A1 字节 （ AI, 草鱼 A2 为帧同步码字 ） 必须在通道 1 传输 ， 鲤鱼后续字节顺序分配在余下的数据通道中 。 草鱼 OC-192 成帧器提供的 622MHz 时钟信号用于产生 1.244GHz 时钟信号 ， 鲤鱼 送给并 /串转换电路 。 草鱼草鱼 草鱼