摘要：針對(duì)分布式基站基帶處理單元和射頻拉遠(yuǎn)單元之間的光纖連接，介紹了CPRI協(xié)議規(guī)范，討論了其基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方案。同時(shí)給出了基于FPGA與SCAN25100方案的設(shè)計(jì)，采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)開發(fā)FPGA。該方案開發(fā)成本低，調(diào)試簡(jiǎn)單方便。通過實(shí)際測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)方案能夠有效實(shí)現(xiàn)基于CPRI協(xié)議的光纖通訊傳輸，工作性能穩(wěn)定。
0 引言
2009年1月國(guó)內(nèi)3G牌照正式發(fā)放，隨著3G時(shí)代的到來，各大通信運(yùn)營(yíng)商對(duì)3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)展開了大規(guī)模建設(shè)，投入巨大，而基站是3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，數(shù)量最多及成本最高的設(shè)備。移動(dòng)通信領(lǐng)域日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，使得通信運(yùn)營(yíng)商比以往更加關(guān)注建網(wǎng)成本，而分布式基站具備低成本、高性能、快速運(yùn)營(yíng)等特性，能夠大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)與運(yùn)維成本。因此分布式基站成為當(dāng)前3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的最主要選擇。
分布式基站核心理念，是把傳統(tǒng)宏基站基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)分離，二者通過光纖相連。網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，將BBU、核心網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備集中在機(jī)房?jī)?nèi)，與規(guī)劃站點(diǎn)上部署的RRU通過光纖連接，完成網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
為了有效處理分布式基站BBU與RRU間的光纖連接，無線通信行業(yè)形成兩個(gè)聯(lián)盟，分別制定了兩種接口標(biāo)準(zhǔn)：2002年諾基亞、LG、三星等宣布成立OBSAI(開放式基站結(jié)構(gòu)同盟)；2003年愛立信、華為、NEC、北電和西門子等聯(lián)合成立CPRI (通用公共無線接口組織)。本文主要介紹基于CPRI協(xié)議的光纖通訊。
1 CPRI協(xié)議概述
CPRI協(xié)議定義了兩個(gè)協(xié)議層。兩個(gè)協(xié)議層為物理層(L1)和數(shù)據(jù)鏈路層(L2)。在物理層中，將上層接入點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)/分接，并采用8B/10B編解碼，通過光模塊串行收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層定義了一個(gè)同步的幀結(jié)構(gòu)，包含基本幀和超幀(由256個(gè)基本幀組成)，數(shù)據(jù)在L2層中，通過CPRI固定的幀結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相應(yīng)的成幀和解幀處理。
基帶處理單元(BBU)和射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)之間可以通過一條或多條CPRI數(shù)據(jù)鏈路來連接，每條CPRI數(shù)據(jù)鏈路支持614．4Mbps、1228．8M-bps和2457．6Mbps三種比特率高速串行傳輸。當(dāng)前工業(yè)界，通過將四條并行CPRI數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行相應(yīng)串行化處理，可實(shí)現(xiàn)BBU與RRU之間通過光纖以近10Gbps(即4X2457．6 Mbps)速率超高速傳輸。
2 硬件方案
采用FPGA來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于CPRI協(xié)議的光纖通訊，可以有多種方案來實(shí)現(xiàn)，下面介紹兩種方案。
方案一：采用集成了RocketIO模塊的FPGA。RocketlO收發(fā)器是在Xilinx公司Virtex2 Pro以上系列FPGA芯片中，集成的功能可配置千兆位級(jí)串行收發(fā)器。可通過調(diào)用Xilinx公司的COREGenerator生成的IPCore來使用RocketIO收發(fā)器。該模塊的功能包括8B/10B編解碼，串并轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)流的綁定以及時(shí)鐘恢復(fù)等。使用此方案優(yōu)點(diǎn)是，可以使電路板尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊，可方便設(shè)置參數(shù)；缺點(diǎn)是，一般集成了RocketIO的FPGA芯片價(jià)格均較高，必然帶來開發(fā)成本的提高，同時(shí)開發(fā)周期相對(duì)也較長(zhǎng)。
方案二：FPGA與SCAN25100相結(jié)合。SCAN25100是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體專門為新一代基站結(jié)構(gòu)推出的串行/解串器，其集成了高精度延遲校準(zhǔn)測(cè)量(DCM)電路及獨(dú)立的發(fā)送和接收系統(tǒng)鎖相環(huán)路，還具備先進(jìn)的高速混合信號(hào)和時(shí)鐘管理以及信號(hào)調(diào)節(jié)等功能。同時(shí)芯片具備8B/10B編解碼、高速串并轉(zhuǎn)換、鎖定檢測(cè)、CPRI信號(hào)和幀丟失檢測(cè)等功能。可根據(jù)這款芯片來構(gòu)建多天線技術(shù)分布式基站光纖互連解決方案。此方案開發(fā)成本較低，調(diào)試簡(jiǎn)單方便，性能穩(wěn)定。
2．1 方案整體設(shè)計(jì)
本文主要針對(duì)方案二進(jìn)行介紹與討論。該方案設(shè)計(jì)，由FPGA完成CPRI協(xié)議的成幀、解幀、同步、傳輸數(shù)據(jù)復(fù)，分接等操作，以及與SCAN 25100相關(guān)接口設(shè)計(jì)，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)SCAN25100與光模塊控制與狀態(tài)監(jiān)控。SCAN25100負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)8B/10B編解碼和高速串并轉(zhuǎn)換功能。
FPGA與SCAN25100之間通過使用并行數(shù)據(jù)線傳輸，SCAN25100的并行數(shù)據(jù)線支持8位和10位兩種模式，這里選擇用FPGA將SCAN25100配置成10位模式。SCAN25100完成8B/10B編解碼和高速串并轉(zhuǎn)換，與光模塊通過差分串行數(shù)據(jù)線相連。最后由光模塊完成光、電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過光纖與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)光纖通訊數(shù)據(jù)收發(fā)。其方案原理框圖如圖1所示。
2．2 時(shí)鐘方案
采用輸出頻率為61．44MHz的有源晶振為FPGA提供系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘(CLK61)，系統(tǒng)所需的其他頻率時(shí)鐘，均可使用FPGA內(nèi)置的時(shí)鐘管理模塊，對(duì)CLK61進(jìn)行分頻、倍頻及移相而得。SCAN25100有四個(gè)時(shí)鐘端口，與FPGA相連。系統(tǒng)時(shí)鐘方案如圖2所示。
SCAN25100芯片內(nèi)置振蕩器能夠產(chǎn)生一個(gè)30．72MHz時(shí)鐘SYSCLK輸出，提供給FPGA作參考時(shí)鐘。當(dāng)系統(tǒng)作為REC端時(shí)，F(xiàn)PGA需要提供一個(gè)30．72MHz時(shí)鐘REFCLK，給SCAN25100作為參考時(shí)鐘。REFCLK和SYSCLK均使用LVDS差分電平，在FPGA內(nèi)部使用緩沖器IBUFGDS來將輸入差分時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)為單端時(shí)鐘，而使用OBUFDS將單端時(shí)鐘轉(zhuǎn)為差分時(shí)鐘輸出。
TXCLK為FPGA輸出給SCAN25100，用于采集輸出數(shù)據(jù)tx_data(9：0)的時(shí)鐘。RXCLK為SCAN25100輸出給FPGA，用于采集輸入數(shù)據(jù)rx_data(9：0)的時(shí)鐘。TXCLK和RXCLK配置使用INCMOS18電平，均為雙邊沿采集數(shù)據(jù)，其時(shí)鐘頻率由用戶根據(jù)需求配置SCAN25100串行接口(DOUT和RIN)的傳輸速率決定。SPMODE(1：0)的配置值決定傳輸速率，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。
2．3 PCB布板設(shè)計(jì)
PCB布板設(shè)計(jì)要特別注意信號(hào)完整性問題，尤其當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定速率為2457．6Mbps高速傳輸時(shí)。圖3所示為系統(tǒng)速率設(shè)定為2457．6Mbps，未注意信號(hào)完整性問題的PCB布板設(shè)計(jì)下，TXCLK時(shí)鐘信號(hào)眼圖，可以看到時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量較差。而SCAN25100對(duì)TXCLK信號(hào)質(zhì)量要求較高，如占空比要求為45％～55％范圍。經(jīng)測(cè)試，在此設(shè)計(jì)下，當(dāng)系統(tǒng)工作于614．4Mbps或1228．8Mbps時(shí)，系統(tǒng)能正常傳輸數(shù)據(jù)，但當(dāng)系統(tǒng)速率轉(zhuǎn)換為2457．6Mbps，此時(shí)TXCLK/RXCLK雙邊沿對(duì)DDR(Double Data Rate)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了錯(cuò)誤采集，SCAN25100與光模塊之間的差分串行數(shù)據(jù)線傳輸也變得不穩(wěn)定。因此系統(tǒng)對(duì)PCB布板設(shè)計(jì)要求較高。
