FPGA气象应急通信设备论文

随着以太网技术飞速发展，人们生活节奏的加快，对上网速度的要求越来越高，近年来各地都建起了以太城域网、以太广域网，原来由TDM电路承载的业务，纷纷转由以太网来承载，采用以太网作为传输来承载各种业务已成为一种趋势。本系统是基于以太网的应急通信系统。该系统采用千兆以太网内核（FPGA）设计，系统组网灵活，传输方便，中心端设备简单，成本低，可实现视频、电话、以太网、语音等的远程传输通信。

1相关技术

1.1FPGA技术

FPGA采用基于查表技术和SRAM工艺的逻辑块编程技术。同CPLD相比，逻辑块密度更高，触发器更多，设计更灵活，多用于大规模电路的设计，尤其更适合做复杂的时序逻辑。由于FPGA采用SRAM工艺，断电后数据丢失，实际应用时还须外挂一个ERPROM或FlashMemory来存储编程数据。典型的器件如Altera公司的FLEX、ACEX、APEX、Cyclone和Stratix系列，Xilinx公司的Spartan和Virtex系列等。本设计考虑到速率和带宽的问题采用Altera公司的CycloneⅡ系列芯片。

1.2物理隔离技术

随着信息时代的到来，计算机技术在通信领域的广泛应用和多方融合，传统的通信方式也不断被跨越时间和空间的网络通信所代替。网络通信拓展了通信的业务范围，使通信变得更加高效、便捷。由于人们对计算机通信网络的依赖程度越来越高，网络传输的精准性、保密性问题日益凸显。物理隔离技术可确保隔离有害攻击，在可信网络之外和保证可信网络内部信息不外泄的前提下，完成网间数据的安全交换。现今世界，每个人都需要各种来源的信息，尤其在其决策性的业务中更需要依赖于这些信息的准确性和可靠性。人们在行业部门和关键业务中都大量地采用计算系统和网络技术，从而带来了新的威胁和风险。因此，计算机通信网络安全已不再是军方和政府部门的一种特殊需求。实际上，所有领域都对网络安全提出了更高的要求。

1.3千兆以太网技术

千兆以太网技术不仅继承了以太网技术的很多优点，同时又具有许多新特性，例如传输介质包括双绞线、光纤和同轴电缆，编解码方案采用8B/10B的编码技术，采用载波扩展和分组突发技术等。正是因为千兆以太网的这些优秀的新特性，它目前已经成为局域网的主流解决方案。千兆以太网的技术规范包括CSMA/CD协议、以太网帧结构、全双工模式、流量控制以及IEEE802.3标准中所定义的管理对象。千兆以太网的关键技术是MAC层和千兆以太网接口的设计与实现。

2数字气象应急通信设备的系统组成及原理

2.1应用拓扑结构

本通信系统由便携式气象应急通信设备、指挥中心端设备以及传输系统组成。中心端设备由以太网交换模块、视频解码模块、电话网关模块、视频客户端软件等组成。本设计在通信系统中的应用体系结构。

2.2硬件设计工作原理及信号流程

数字气象应急通信设备由网络视频模块、电话网关模块、以太网交换模块、传输模块以及电源供电模块等组成（图2）。（1）以太网交换模块。内置高性能交换引擎，采用存储转发方式，实现以太网数据的交换转发。交换引擎支持8个以太网接口，可划分WLAN，支持多种优先级设置，以实现视频、电话及以太网数据等业务的隔离传输，满足各种业务对带宽和实时性的要求。动态共享缓存实现对数据包的存储。（2）网络视频模块。网络视频模块实现数字音视频在以太网进行实时传输（图3）。视频及音频信号分别经模/数转换后，进入视频音频处理器，进行压缩编码。编码后的音频和视频数据流经网络处理器处理成以太网数据包，在网络中进行传输[3-4]。视频压缩编码采用H.264，可以以较低的码率实现视频的高质量的传输，较MPEG-2/MPEG-4等各式可节省网络带宽。音频压缩编码采用MP3格式。（3）电话网关。电话网关模块实现数字电话在以太网进行实时传输。二线电话信号先经2/4转换，进入编解码电路，进行压缩编码和解码。网络处理器完成对编、解码的音频信号的打包和解包处理，其中包括一些协议处理。打包后的音频流在以太网上进行传输。本系统音频编解码采用G.729，码率为8kb/s。（4）传输模块。本设备目前仅支持光纤传输，将来可考虑802.11g以及802.11n等无线桥接传输方式，以及3G无线传输。光纤传输时，以太网交换模块的第8口工作在100BASE-FX模式。（5）电源供电模块。本设备采用220V交流供电，也可采用12V（9~18V）直流供电（可采用外挂电池盒供电）。

3以太网交换模块的实现

MAC模块处理是用FPGA来实现的，由于传输速率高，并串变换后8B/10B是由Altera公司的CPLD内核来实现的。以太网交换模块的实现包括以太网控制器MAC模块的FPGA设计和MAC子层的编程，物理层PHY的器件选择和硬件电路的设计以及MⅡ/GMⅡ接口和吉比特模式下支持的RGMⅡ接口的设计。Altera公司的CycloneⅡ系列器件可以集成完整的千兆以太网硬核，硬核包括网络控制器（MAC模块）以及可选择的物理层PCS模块和PMA模块，其中MAC模块支持10/100/1000Mb/s。Altera公司自主开发的SOPCBuilder工具可以提供快速搭建SOPC系统的能力，这种架构可以包含1个或多个中央处理器（CPU），提供存储器接口，设备和系统互连逻辑的复杂系统。

3.1整体信号流程

在发送数据的时候，MAC模块过来的数据送到PHY，对PHY来说，没有帧的概念，都是数据而不管什么地址，数据还是CRC。在此把并行数据转化为串行流数据，将8位数据比特编码为一个10位传输序列。在传输前，将串行链路中要发送的8位数据比特被转换成一个10比特代码组，其中2比特“特殊字符”表示的信令和控制功能有表示数据帧的开始，数据帧的结束和链路结构。传输代码中额外增加比特位的根本目的是为了提高串行链路的传输特性，以确保有足够的位级传输出现，接收机可以从数据流中恢复“时钟”。再按照物理层的编码规则（10BASE-T的NRZ编码或100BASE-T的曼彻斯特编码，1000BASE-T的4D-PAM5编码）把数据编码，编码后的数据再变为模拟信号通过光收发器把数据送出去。收数据的流程与之相反[5-6]。

3.2IP核的支持

Altera的FPGA器件提供了参数可设置的千兆以太网大型处理器，可在Altera的cycloneⅡ或ArriaGX等多种器件中实现，选择配置与其相应的接口标准。其IP核的参数如下：①支持IEEE802.3标准；②多通道MAC，支持最多24端口；③10/100/1000Mb支持全双工工作模式；④以太网物理层编码子层1000BASE-X/SGMⅡ标准的自协商。

3.3MAC的FPGA设计

本以太网控制器MAC的总体结构框图如图3所示，整个系统分为MAC模块，主机接口模块和管理数据输入输出模块。其中，MAC模块主要执行在全双工模式下的流量控制，MAC帧实现发送和接收功能，其主要操作有MAC帧的打包与解包以及纠错检测，并且提供了到外部物理层器（PHY）器件的并行数据接口，物理层处理直接利用商用千兆PHY器件，主要开发集中在MAC控制器的设计中。管理应用模块连接以太网的物理层和链路层，提供了数据输入和输出，并且提供了标准的IEEE802.3媒体介质独立接口。主机接口模块则提供以太网控制器与上层协议（如TCP/IP协议）之间的接口，并且用于数据的发送、接收以及完成控制器内各种寄存器的设置。

3.4接口的设计

整个系统模块间连接如图4所示。其中，PCS模块代表物理层的物理编码子层，PMA模块代表物理介质接入层。吉比特模式下支持RGMⅡ接口。GMⅡ接口为MAC模块与以太网物理层（PHY）设备提供了无缝连接；可选择的管理数据输入/输出模块为以太网物理层（PHY）提供管理信息；为用户提供基于Aalon-ST的8bit/32bit接口；可选择的集成物理介质介入模块。

3.5千兆以太网IP核的设计

利用Altera公司的FPGA芯片通过QuartusⅡ设计平台可以开发出以太网MAC控制器IP核，它可实现单条或多条吉比特以太网链路，并通过路由器或交换机可与任意以太网端口相连。整个配置过程是将IP核进行参数设置并配置为所需模式，利用FPGA内部提供的FI-FO模块并设置FIFO存储器的类型及存储器的数据长度。将IP核设置为千兆以太网MAC模块，并配置MAC模块的功能。由PHY器件提供可选的PCS模块。表1中描述了接口信号和MAC以太网端GMⅡ模块信号等，GMⅡ模块的接收信号一般直接连到PHY器件上，负责与PHY器件的数据交互，其信号与PHY器件接口一一对应（表1）。相应的接口信号包括：控制接口信号，复位信号，MAC系统端信号（包括接收接口信号和发送接口信号），MAC以太网端信号（包括GMⅡ模块信号和PHY管理接口信号）。

3.6物理层（PHY）的设计

Altera公司的千兆以太网MAC核默认支持的物理层器件有支持10/100/1000Mb/s的Marveil88E1145，NationalDP83865以及支持双物理层和10/100/l000Mb/s的Marvell88E1111。在此，选择Marveil88E1111为PHY器件。吉比特PHY芯片通过GMⅡ接口与MAC模块的连接如图5所示。Marveil88E1111是AlaskaUltraMarrell公司的吉比特以太网物理层收发器，它合并了Marrell的虚拟电缆特点，应用反射技术可以远程识别潜在的电缆失灵。支持10BASE-T，100BASE-TX和1000BASE-T以太网协议，支持GMⅡ，TBI和简化的吉比特媒体独立接口RGMⅡ。完整的1.5GHz的1000BASE-X串并光纤收发应用。4个时间选择模式的RGMⅡ接口。超低功耗，只有0.75W。内部只要2种电源（2.5V和1.2V），I/O接口为3.3V。

3.7开发环境

系统FPGA的内部电路是利用Altera公司的QuartusⅡ设计软件以及SOPCBuilder系统开发工具niosⅡ设计的。FPGA的设计流程如图6所示。利用niosⅡ开发软件可以在FPGA内部建立CPU内核，从而实现对系统的控制功能。CPU的建立是用C语言编程在SOPCBuilder，niosⅡIDE工具的协助下实现的，内核的开发还包括外设接口的定制和软件开发。气象应急数字通信设备配置千兆以太网接口可直接将处理后的高速率数字信号从网口发送给远端计算机处理平台，省去了功率放大模块和高频电缆等，减少投入，使系统的集成度更高，可靠性更好，设计人员的调试更方便，而且接口的通用性和扩展性更强。

作者：杨昆 单位：山东省临沂市气象局