西安电子科技大学
硕士学位论文
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
姓名：黄灿
申请学位级别：硕士
专业：通信与信息系统
指导教师：邱智亮
20100101
摘要
近年来，多媒体业务的发展使得人们对于带宽的要求日益迫切，卫星通信的一个重要发展方向就是向宽带多媒体卫星通信发展。作为B-ISDN（宽带综合业务数字网）的核心技术，ATM技术具有很强的灵活性和适应性，能向用户提供包括语音、图像和数据在内的综合多媒体业务，并能根据需要分配资源，提高资源的利用率。ATM技术应用于卫星通信，大大提高了卫星通信组网和在广域范围支持用户多媒体业务的能力。要实现基于星上ATM交换技术的宽带多媒体卫星通信，就要解决如何将地面网络接入卫星ATM交换网络的问题。
本文结合实验室承担的科研项目“宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现”，在介绍和分析了宽带多媒体卫星通信系统、IP/ATM卫星通信技术后，论文讨论了基于卫星ATM交换技术的宽带多媒体卫星通信系统的设计方案，重点研究了地面适配网关的功能结构和硬件组成。然后，论文介绍了地面适配网关FPGA模块的划分、各个模块的功能及设计方案，并重点给出了其中一些关键模块的具体FPGA实现和时序仿真验证分析，包括UTOPIA接口、卫星ATM接口、接收处理模块以及队列管理等关键模块（接口均支持相关的协议标准）。其中接收处理模块及基于链表思想的队列管理模块实现了AAL5适配功能。最后，利用相关测试设备对地面适配网关进行了各种功能的板级测试，板级测试结果与时序仿真一致，表明本文设计的地面适配网关能完成标准ATM/卫星ATM信元转换、以太网帧/卫星ATM信元适配的基本功能，达到预期目标。
关键词：卫星通信ATM FPGA AAL5适配 队列管理
ABSTRACT
In recent years, with the development of multimedia services, we are increasing urgent demand for bandwidth. Satellite communication is developing into broadband multimedia satellite communication. As the key technology of B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network), ATM (Asynchronous Transfer Mode) has a strong flexibility and adaptability, and it can provide users with multimedia services, including voice, video, and data, etc. ATM can also allot resources as needed, in which way the resource utilization has been greatly improved. The combination of ATM with satellite communication greatly enhances the capacity of satellite communication in networking and supporting users’ multimedia services over wide area. To achieve broadband multimedia satellite communication based on the satellite ATM switching, we have to resolve the problem how to make terrestrial networks work together with satellite ATM switching networks.
Based on the research project “Design and Implementation of Terrestrial Adapting Gateway in Broadband Multimedia Satellite Communication System”, after introduction and analysis broadband multimedia satellite communication and IP/ATM satellite communication technology, the design method of broadband multimedia satellite communication system based on satellite ATM switching is discussed in this thesis. And the hardware components and functional structures of the terrestrial adapting gateway are especially analyzed. Afterwards, the function and design of the FPGA modules of gateway are introduced. And then the FPGA implementation and timing simulation of some key modules, such as UTOPIA, Satellite ATM Interface, receiving treating module, queue management, are provided in this thesis. AAL5 adaptation is implemented by Receiving treating module and queue management module. Finally, the development board of terrestrial adapting gateway is functionally tested by using relevant test equipment. And the board level test result is in line with timing simulation. So the result proves that the design has implemented the conversion of standard ATM cell and satellite ATM cell, the conversion of Ethernet frame and satellite ATM cell is also proved. As a whole, the design achieves the desired goals.
Keyword: Satellite Communication ATM FPGA AAL5 Adaptation Queue Management
创新性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
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关于论文使用授权的说明
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本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。
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导师签名： 日期：
第一章绪论1
第一章绪论
1.1宽带多媒体卫星通信系统简介
宽带多媒体卫星通信指的是通过卫星进行语音、数据、图像和视频等的处理和传输，它有极其广泛的应用，包括通信、数字电视、数字广播、广域网互联、远程教学、远程医疗、电视会议、视频点播等。宽带多媒体卫星通信已成为当前卫星通信研究的热点之一，它的发展将会开辟全球通信的新时代。
多媒体卫星通信系统不同于广播电视卫星系统和移动通信卫星系统。广播电视系统是针对一个区域发送同样的节目，而多媒体卫星系统能够为每一个用户提供特别服务，允许每个用户通过多媒体卫星通信系统与其他用户实时交换信息，是双向交互式的通信。现在的移动通信卫星系统是只传输声音和寻呼的窄带传输，而多媒体系统要传输声音、图形、图像以及视频等，是宽带传输（按需要可变带宽的宽带传输），因此多媒体卫星通信系统的服务灵活性更好[1]。
同样的，与地面固定宽带网络比较，宽带多媒体卫星通信系统也具有一些明显不同的特点：卫星系统可以向终端用户提供全球多媒体业务，而这种业务目前只能通过地面网络实现；在很多地区，地面多媒体业务的设置在商业上不一定有价值；在一个辽阔的地理区域内，卫星系统特别适用于多媒体广播业务和分配多媒体内容业务[2]。
宽带多媒体卫星通信系统的优点如下[3]：
（1）覆盖面大。一颗卫星的波束覆盖范围可达数千公里，提供处处可以使用的通信。
（2）可部署性。宽带卫星系统既可以和地面系统相结合，又可绕开复杂的地面网建立独立的卫星网络。后一个特点可快速部署，卫星通信终端可即插即用，迅速实现全球通信。
（3）大容量，高功率，高频段，可与陆地光纤容量相比美，地面终端小型化，价格可以被大多数用户所接受，增加了卫星在通信市场中的竞争力。
（4）星上处理和交换功能先进，新传输技术的开发和应用，充分发掘卫星传输不对称性所带来的优势，带宽按需动态分配，满足广播、多点传送和多媒体通信需求。
（5）成本低廉。随着新的宽带卫星数据业务扩大到更多的商业、企业、政府机构和家庭用户，以及新卫星技术的应用，将进一步降低每月的接入费用，有利于扩展用户数。
（6）提供一体化网络。数字卫星网络因其覆盖面广、易部署等特点，在将来
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
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有可能取代目前传输速率参差不齐、接入方式复杂的地面网络，并提供全球宽带主干系统。企业用户还可以有选择地把多种应用统一到一个卫星网络上。
1.2 IP/ATM 卫星通信技术
通过上一节的介绍，可以看到，宽带多媒体卫星通信系统虽然优点很多，但需要很高的可靠性才能保证服务质量，因此，宽带多媒体卫星通信系统的星上交换及无线链路传输单元采用ATM （异步传输模式）是一个较好的选择，而其地面系统主要采用有着广泛应用的IP 。IP 作为Internet 的基础无处不在，而能够与其兼容的信息网络很可能是基于IP 或其未来的某个版本，如IPv6。IP 技术的最大特点是灵活和兼容性强。人们一度认为，IP 、ATM 或两者的结合会成为未来高效率的多媒体信息网络的核心技术。这种结合的方式之一就是IP over ATM 技术，即利用高效可靠并且具有服务质量保证QoS 的ATM 网络来承载用户IP 分组[4]。本文所介绍的多媒体卫星通信系统便是利用该模式进行组网的，即星上交换及无线链路采用ATM 网络，通过ATM 信元承载地面系统局域网以太网帧来承载用户IP 分组。 1.2.1
ATM 技术
1．ATM 信元结构
ATM 的信元结构根据ATM 接口的不同而有所区别，ATM 端点与其所连接的ATM 交换机之间的接口称为用户网络接口UNI （User-Network Interface ）。网络中两个ATM 交换机之间或两个ATM 网络之间的接口称为网络节点接口NNI （Network-Node Interface ）。针对这两种网络接口，ATM 信元有两种不同的信元头分别与之对应[5]。这两种接口上的ATM 信元头仅仅是前两个字段不同。信元头包含ATM 信元在网络中传递信息所需的信息。信元的结构如下图1.1所示：
1
23
456
..字节
1
23456..53
字节
（a ）用户网络接口 （b ）网络节点接口
图1.1 ATM 信元格式
第一章绪论3
以下介绍信元头中各字段的作用[5]：
（1）一般流量控制GFC（Generic Flow Control）：长度为4 位，现在基本不需要该字段的接入控制功能，通常将其设置为0。
（2）虚通路标识符VPI/虚信道标识符VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）：提供路由信息，用来标识ATM信元所属的虚通路/虚信道。
（3）信息类型PT（Payload Type）：长度为3 位，用来区分该信元是用户信息还是管理信息。第一个比特为0表示是用户数据信元，为1表示是管理数据信元，第二个比特表示有无遭受到拥塞，第三个比特用来区分服务数据单元SDU 的类型。
（4）信元丢失优先级CLP（Cell Loss Priority）：长度为1 位，指示信元的丢失优先级。
（5）首部差错控制HEC（Header Error Control）：长度为8 位，提供信元头除HEC外所有字段的差错控制，该字段由ATM PHY器件提供。
2．ATM 协议参考模型
ATM 协议参考模型分为四层，即物理层、ATM 层、ATM适配层和高层（应用层）。以下主要介绍下三层的功能[6]：
（1）物理层
物理层主要提供线路编解码、比特定时以及光电转换，信元流和比特流的转换，信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等功能。
（2）ATM 层
ATM层的主要功能有：传送各种类型的信息包括用户信息、控制信息和管理信息；信元的复用与分用；信元的VPI/VCI 转换；信元头的产生与提取；一般的流量控制。
（3）ATM 适配层
ATM 适配层即为AAL（ATM Adaptation Layer），其作用是增强ATM 层所提供的服务，并向高层应用提供各种不同的服务。根据不同业务的特点，如比特率是否恒定，是否需要同步，是否面向连接等，ITU-T 规定AAL层要提供四种类别的服务A、B、C、D类，并规定了四种类型的AAL，以支持这四类服务，这四种AAL分别是AAL1，AAL2，AAL3/4和AAL5。
AAL层可分为两个子层：汇聚子层CS（Convergence Sub-layer）和拆装子层SAR（Segmentation And Reassembly）。
?CS子层：使ATM系统可以对不同的应用（如文件传送、点播视像等）提供不同的服务。在CS子层形成的协议数据单元叫做CS-PDU。
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
4
?SAR子层：在发送时，将CS子层传下来的协议数据单元CS-PDU划分成长度为48字节的单元，交给ATM层作为信元的净负荷。在接收时，功能相反，SAR将ATM层交上来的48字节长的净负荷装配成CS-PDU。Array
CS
SAR
ATM
5
图1.2 AAL5适配过程的示意图
图1.2为AAL5将用户数据分割为48字节的数据块传递给ATM层的过程[7]。如图，CS子层将从应用层接到数据作为本子层的净负荷，并加上尾部组成一个完整的CPCS-PDU。SAR子层将CPCS-PDU拆分成48字节固定长度的SAR-PDU单元，并由ATM层在SAR-PDU前加上5字节的信元头，组成53字节的ATM信元进行传输。由于ATM网络采用了面向连接的传输方式，信元在传输过程中顺序不会改变，因此，在SAR子层将一个CPCS-PDU拆分成多个信元时，只需在最后一个信元的信元头做上标记，即能区分两个不同的分组。利用标记信元头的PT字段可完成此功能。若为一个分组中的最后一个信元，则PT设为001，而其他信元的PT设为000。
在CPCS-PDU中，为了保证CPCS-PDU的长度为48字节的整数倍，需在净负荷和尾部之间加入0-47字节的填充字段PAD。尾部由四个部分8字节组成。CPCS-UU是用户到用户字段，用于透明传输上层用户的端到端信息，不属于AAL 层；CPI字段目前保留不用；净负荷长度字段用来标识净负荷的长度，使得接收端可根据其值正确删除PAD，由于该字段长度为两个字节，因此净负荷的最大长度为65535字节；CRC字段为32位差错校验，校验CPCS-PDU中除CRC域外的所有的字段。
1.2.2IP/ATM卫星通信协议
IP/ATM卫星通信协议如图1.3所示。实际当中以利用AAL5协议的TCP/IP应用较为普遍，此处以它为例。宽带多媒体卫星系统星上交换采用ATM方式，地面
第一章绪论5
网络采用应用最为广泛的以太网。ITU-T 定义了四种AAL协议：AAL1适用于固定比特流服务（例如话音业务），AAL2适用于可变比特率的服务，AAL3/4适用于对丢失信息敏感的服务（不是时延），AAL5适用于高速数据服务[8]。AAL5 现已成为最重要和最普遍应用的AAL协议类型，本文中设计的地面适配网关的以太网帧适配就是基于AAL5协议的。
TCP/UDP
IP
以太网帧
AAL5
ATM
图1.3 IP/ATM卫星通信协议包示意图
1.2.3ATM技术与卫星通信系统相结合的优势
ATM技术的主要特点有：标准统一、带宽分配灵活并可按需分配、高速率、支持多媒体业务、支持多播和不同优先级的服务策略。ATM技术与卫星通信系统结合则具有以下优势[9]：
1)卫星通信可以覆盖很广的地理范围，可以为地面系统很难到达的地方提供通信服务，还可以在很广的地理区域为用户提供移动性，利用卫星，ATM业务可以在更广泛的地理区域应用，包括城市、农村、难以进入偏僻地区以及实现远程接入；
2)在网络配置和容量分配方面，卫星可以提供多种机动性，可以区分使用ATM网络的不同地理区域；
3)可以根据用户的需要，为不同的业务提供不同的服务速率，可以提供几十Kbps至几十Mbps的服务速率；
4)卫星通信系统具有可以满足各种需求带宽的能力，配合ATM网络能够按需提供带宽和支持多媒体业务的特点，为多种业务提供综合传输服务，如话音、数据和视频信息；
5)卫星提供宽带和多点到多点通信和快速组网功能，这有助于配置ATM网络的多点到多点通信；
6)ATM技术与卫星通信系统结合可以减少信息转发跳数，降低传输时延。
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
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星上采用ATM交换模式，不仅能够增加网络的灵活性，而且还能充分发挥分组交换网的优点，提高网络资源的利用率，所以卫星ATM交换不仅可以继承卫星通信的优点，还可以充分发挥ATM技术的特点，使两种技术达到完美的结合。但是要真正实现卫星通信系统和ATM技术相结合后能够发挥出两者各自的优势，还有很多关键问题需要解决。
1.3论文内容及安排
论文介绍了宽带多媒体卫星通信系统的相关知识及其设计方案，分析了地面适配网关的功能需求，并给出了地面适配网关的功能结构及硬件电路设计。由于地面适配网关结构复杂，模块较多，因此先介绍了地面适配网关FPGA的各个模块的功能及设计方案，然后给出了其中一些关键模块的具体FPGA实现，包括UTOPIA接口、St接口、接收处理模块以及队列管理等关键模块，并对这些模块进行了时序仿真验证与分析。最后，论文介绍了对地面适配网关的板级测试情况。
第一章简要叙述了宽带多媒体卫星通信系统的相关知识，并介绍了IP/ATM卫星通信技术，指出了ATM技术在宽带多媒体卫星通信中应用的重要性与优越性。
第二章给出了基于ATM技术的宽带多媒体卫星通信系统（SATM系统）的总体构架，并根据需求分析对地面适配网关进行了总体设计。
第三章首先详细介绍了地面适配网关FPGA的功能模块划分，然后论述了FPGA实现AAL5适配的原理和过程，深入分析了地面适配网关的FPGA部分关键模块，包括UTOPIA接口、St接口、Et端口接收处理模块、St端口接收处理模块以及队列管理等，给出了它们的FPGA实现，并利用ISE、ModelSim等工具对这些关键模块进行了时序仿真分析，验证了设计的可行性。
第四章通过搭建测试平台，对本文设计的地面适配网关进行了相关的板级测试，在无星载ATM交换机联合测试时，通过各种回环测试验证了网关的标准/非标ATM信元转换、以太网帧/非标ATM信元适配等功能的正确性，然后配合SmartBits200测试仪与星载ATM交换机进行了联合测试，结果表明网关及星载ATM交换机的相关性能均符合要求。多种板级测试方法充分验证了本文设计的地面适配网关功能正确，达到了预期目标。
第二章宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的总体设计7第二章宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的总体设计
根据论文所依托的科研项目对宽带多媒体卫星通信系统的功能及性能要求，本章对宽带多媒体卫星通信系统总体框架进行介绍，并对地面适配网关进行了需求分析，描述了它的功能结构和硬件组成。
2.1宽带多媒体卫星通信系统总体框架
具有星上ATM交换功能的宽带多媒体卫星通信系统总体框架如图2.1所示。它由若干个地面接入网、地球同步轨道卫星组成。每个地面接入网络为一个独立的B-ISDN 业务接入点，地面适配网关将卫星ATM网络系统与多个以太网互联，而星载ATM交换机负责各个地面适配网关之间的相互通信，通过卫星ATM信元承载以太网数据帧，保证多个以太网之间的正常通信。我们采用从MAC层接入卫星ATM网络的方法，对整体的以太网隐藏了卫星ATM网络的工作细节，使之成为一条透明传输链路，以太网终端用户感觉不到卫星ATM网络的存在。这样无需修改终端设备的软硬件，便可支持任何以太网的高层协议。
ATM
卫星ATM交换网络
射频
地面适配网关1
2地面适配网关3
以太网交换机
路由器
卫星
以太网交换机
以太网1以太网2
终端以太网交换机
图2.1 宽带多媒体卫星通信系统总体框架
由图2.1可以看出，地面接入网传输的是以太网MAC帧，无线链路传输的是卫星ATM信元，整个多媒体卫星通信系统分为地面局域网和卫星ATM网络两个部分：
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
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在局域网即用户接入侧，主要采用现在广泛应用的以太网。这样不仅减少网络改造的成本，使网络具有良好的平滑过渡性，而且对终端用户系统几乎没有影响；
在卫星无线链路传输侧，根据前面章节的分析，由于ATM技术比较适合数据、视频等多媒体业务的综合传输，故通信卫星采用ATM传输和交换技术。
作为系统的重要组成，地面适配网关将两个子系统连通，其主要功能包括： 无连接网络（以太网）和有连接网络（卫星ATM网络）之间的协议转换，地面适配网关支持这两个网络通信的128条虚连接；
不定长的以太网帧和定长的卫星ATM信元之间的转换；
可支持标准的ATM信元与卫星ATM信元之间的相互转换，用于标准ATM 测试仪测试星载ATM交换机的性能，验证星上ATM网络性能。
2.2地面适配网关的需求分析
地面适配网关是连接地面以太网和卫星ATM交换系统的桥梁。在数据传输方面，它要完成以太网帧的AAL5适配；在连接控制方面，它要作为代理建立ATM 虚连接；同时，能配合利用标准ATM测试仪测试星载ATM交换机的各项性能指标，验证星上ATM网络性能。根据对需求的分析，地面适配网关的主要具体功能如下：
1)对外部提供一个100Mbps全双工以太网接口、一个标准ATM接口、一个采用LVDS信号传输的卫星ATM接口。
2)支持以太网端口与卫星ATM端口的双向通信，网关将以太网帧转换成卫星ATM信元，发送到卫星ATM网络；反之，将卫星ATM信元转换为以太网帧，发送到地面局域网。以太网帧的源目的MAC地址与卫星ATM信元的VPI/VCI是一一对应的，即不同源目的MAC地址对应有不同的VPI/VCI。
3)支持标准ATM测试端口与卫星ATM端口的双向通信，网关将标准ATM 信元转换成专用的卫星ATM信元格式，发送到卫星ATM网络；反之，将专用卫星ATM信元转换为标准ATM信元，发送到地面ATM测试设备。这样可以利用标准ATM测试仪测试星载ATM交换机的性能。
4)以太网帧的AAL5适配。主要包括AAL5帧尾的产生（CRC、长度和填充字段）、AAL5帧的切割以及信元头的添加。
5)卫星ATM接口为LVDS制式信号端口，网关内部要完成串并转换，也要完成普通单端信号与LVDS制式信号的相互转换。
6)卫星ATM信元载荷的提取、AAL5重装、CRC校验和AAL5去尾。将来自卫星链路不同连接的卫星ATM信元进行载荷提取，若是发往Et端口则进行信
第二章宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的总体设计9
元载荷的CRC校验、AAL5帧重装和AAL5去尾。
7)支持用于以太网端口与卫星ATM端口的通信的128条ATM虚连接，对应于128种不同的源目的MAC地址与VPI/VCI映射，同时要对各个连接的数据队列进接收、存储、发送管理。
8)支持RS-232串口通信，能通过串口捕获信元、配置ATM PHY寄存器等，方便网关在网络中的调试、测试与维护。
2.3地面适配网关的总体设计
2.3.1功能结构
根据前面的需求分析，设计的地面适配网关功能结构如图2.2所示：
At
St
Et
图2.2 地面适配网关功能结构框图
At接口为标准ATM接口，物理上连接ATM PHY芯片，用于配合标准ATM 测试分析仪测试星载ATM交换机的性能。从At接口进来的标准ATM信元，经过非标ATM信元转换后转换成卫星ATM信元，然后从St接口发送出去；同样从St 接口发来的非标信元经转换后成为标准ATM信元发送到At接口。
Et接口为以太网接口，物理上连接以太网PHY芯片，从Et接口进来的以太网MAC帧经过AAL5适配后，转换成卫星ATM信元从St接口发送出去。从St 接口进来的卫星ATM信元，由串口控制台选择是发送到At接口，还是重装成以太网帧发送到Et接口。
St接口为卫星ATM接口，传输的是卫星ATM信元，它是一种非标ATM信元，本文所描述的非标信元指的就是卫星ATM信元。结合项目中实际的运用，非标信元的格式如图2.3所示。与第一章介绍的标准ATM信元格式相比，不同之处如下：
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
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1)ST代替了GFC用于标识业务类型；
2)24位的VPI/VCI中，高6位标识输入端口号（波束号），其余18位用于标识ATM连接；
由此可见，上述卫星ATM信元格式是在标准信元的基础上将信元头进行了重新的定义，它不仅可以最大程度地降低星载ATM交换机的设计复杂度，而且保证了宽带多媒体卫星系统的保密性与可靠性。
图2.3 卫星ATM信元格式
如图2.2所示，地面适配网关还包括一个嵌入于FPGA的硬核CPU、RS-232串口和ATM PHY配置接口，用来选择测试通信的端口、配置ATM PHY、读写ATM PHY寄存器及捕获标准ATM信元。
2.3.2硬件组成
AAL5适配是整个设计的核心部分，主要由FPGA芯片来完成。为缩短研发周期及有利于后续的开发，决定采用开发板相结合的方式实现地面适配网关的功能。采用现成的FPGA开发板与扩展板实现以太网帧与非标ATM信元相互转换、标准ATM信元与非标信元的相互转换，及非标信元的并/串转换、发送速率适配等工作，利用FPGA自身内嵌的CPU硬核实现对ATM PHY芯片的配置及超级终端控制指令的解析与执行，并利用FPGA开发板携带的RS-232串行接口连接超级用户终端。开发板上携带的以太网PHY与RJ-45网口提供了以太网物理接口，支持了与局域以太网的互联互通。而采用标准ATM物理层芯片、光模块实现155Mbps ATM物理接口，并将ATM接口板以扩展板的形式连接到FPGA开发板的扩展槽上，扩展板同时提供St物理接口。
地面适配网关的硬件电路设计总体结构如下图2.4所示，开发板为Xilinx公司生产的ML507开发板，开发板主要提供核心芯片FPGA与以太网PHY芯片，扩展板是由实验室设计制作，主要提供物理上的St接口和ATM接口。两板通过XGI （Xilinx通用接口，Xilinx Generic Interface）接插件相连，两板间XGI接口信号主
第二章宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的总体设计11
要包括四类信号：一是用于FPGA与St接口通信所需要的LVDS信号；二是FPGA 内部UTOPIA接口与ATM PHY之间接口信号；三是一些对ATM PHY芯片进行控制、配置信号；四是由开发板向扩展板提供的电源、地。
图2.4 地面适配网关硬件组成框图
由图2.4可见，地面适配网关的硬件主要包括：一块用于业务适配的FPGA、用于FPGA上电配置的PROM芯片、外部存储芯片SSRAM、以太网PHY芯片、ATM PHY芯片、电源、晶体振荡器、JTAG接口、St差分接口等器件。
FPGA是Virtex 5系列XC5VFX70T-1FFG1136芯片，这款FPGA内核电压1.0V、60nm铜工艺、12层金属走线、三栅极氧化层工艺，工业级芯片最高工作频率可达550MHZ，等价逻辑单元高达72000个，采用6输入查找表（LUT）技术，近5M字节的内部RAM存储空间，嵌入有1个PowerPC 440 CPU硬核。两种可供选择的内嵌RAM块18kb和36kb，12个数字时钟管理器（DCM）和6个锁相环（PLL），32个全局时钟网络等。另外，它的PowerPC 440 CPU与BlockRAM的工作频率高达
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550MHZ，单端IO的最高速度为800Mbit/s，差分IO高达1.25Gbit/s，所有这些数据表明这是一款超快的FPGA，能最大限度实现设计的性能，满足星上工作环境的需要[10]。
设计采用片外SSRAM存储数据的方法，SSRAM是由Xilinx公司生产的，型号为ISSI IS61NLP25636A-200TQL，其存储空间为256K x 36 bits，完全满足地面适配网关的数据存储需求[11]。
地面适配网关的以太网的PHY芯片采用的是Marvell Alaska公司的88E1111，提供标准的RJ-45的接口和MII接口[12]。
扩展板上ATM端口的PHY芯片选用的是PMC公司的5352[13]，该芯片与通用的UTOPIA_I/II兼容，选用该155Mbps ATM PHY芯片主要基于满足星载ATM交换机端口最大速率，即108.544Mbps，若选择速率更高的ATM PHY芯片只会造成线上空信元密度增加，并无实际意义。PM5352为专用ATM物理层芯片，其性能突出，并有特殊防时延抖动功能，因而较利于作为测试环境适配设备。
扩展板采用八层PCB板体结构，整板面积为5350mil×5770mil，电源为+3.3V 与+5V，由开发板通过XGI接口提供。扩展板上总体分为三个部分：一是与XGI 接口对应的接口插针模块，用于与开发板的连接；二是St接口模块，其中包括2个标准St接口器件以及与其相关的26个端口接插件；三是ATM模块，包括155Mbps ATM PHY以及与其相配套的光模块物理接口、19.44MHz时钟晶振、复位电路等。
第三章地面适配网关的关键技术与设计实现13第三章地面适配网关的关键技术及设计实现
在地面适配网关的整个设计中，FPGA芯片内部功能的设计是整个设计的重点，因此本章首先给出FPGA功能模块的详细划分及设计，然后结合本人在项目中所做的工作，具体介绍了部分关键模块的FPGA实现，并利用ISE、Modelsim 等工具，对这些关键模块进行综合、布局布线、时序仿真验证及分析。
3.1FPGA功能模块划分
地面适配网关中的FPGA主要负责对以太网帧进行AAL5适配、分段、转换成非标ATM信元并转发，将来自St（卫星ATM）端口的非标信元按所属的连接重新组成以太网帧，发送到以太网口。同时FPGA还提供一个标准ATM测试端口，支持标准ATM信元转换与非标ATM信元相互转换。另外，为了利于调试与测试星载ATM交换机的各项性能，用FPGA内嵌的PowerPC 硬核来进行ATM PHY 控制、信元捕获。FPGA功能模块的详细划分如图3.1所示。
图3.1 FPGA功能模块划分
各模块的主要功能简要描述如下：
?St接口：提供与卫星ATM网络互联互通的LVDS制式信号，主要完成串/并转换、卫星ATM空信元的识别丢弃、普通单端信号与LVDS制式信号相互转换等功能。
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?MAC接口：使用开源的MAC IP核，其主要功能包括前导码和帧定界符的产生、帧尾部填充的产生/去除、收端的CRC校验和发端的CRC产生、可以产生流控帧、支持单播、多播和广播。
?UTOPIA接口：提供FPGA与ATM PHY芯片通信的接口，可以连接多个ATM PHY，根据发送接收数据的位数又可以分为16位模式和8位模式，本设计中只连接1个PHY，发送接收数据采用16位模式。
?接收处理模块：Et和St端口各有一个接收处理模块，内部有由2个乒乓操作的fifo组成的接收缓存Rx_buffer。其功能是检测各自端口的数据接收，当接收完一个可处理数据单元后时发起接收请求。
?连接查找表：对于Et端口的连接查找表提供每个以太网帧的源目的MAC 地址到所属连接的快速查找匹配；对于St端口提供VPI/VCI到所属连接的快速查找匹配，用于AAL5帧的重装。
?调度器：根据来自队列管理模块的信息，采用收发交替的机制将读写指令、存储逻辑地址、端口位置、缓存号及长度等信息递交总线处理。
?队列管理：队列管理模块是实现AAL5适配功能的核心模块，该模块负责管理Et、St两个端口之间256个存储队列信息。
?Bus_master：总线主接口设备，根据调度器发起的读写指令、内存地址、端口号、缓存号及长度信息，开启总线数据传输。
?Slave_x：总线从接口设备，响应Bus_master的传输指令，读对应的Rx_buffer 或写对应的Tx_buffer。
?发送控制模块：Et和St端口各有一个发送控制模块，内部有由2个乒乓操作的fifo组成的发送缓存Tx_buffer。主要功能是根据调度器信息，接收存储由总线传递来的数据，并完成AAL5帧的去尾或信元头的添加工作。
?SSRAM控制器：将存储逻辑地址译码为物理地址，根据Bus_master提供的信息控制片外SSRAM的最终读写操作。
?信元捕获模块：当超级终端经串口向Power PC发送信元捕获指令后，Power PC会控制信元捕获模块将捕获到的信元写入捕获模块内部的双端口RAM，同时Power PC内程序读取该信元数据并通过串口显示在超级终端上。
?ATM PHY配置模块：该模块在系统上电后自动配置ATM PHY芯片的寄存器，然后将读写PHY寄存器权让给Power PC，超级终端能通过RS-232串口读写ATM PHY寄存器。
?8_convert_16模块：完成信元数据8位到16位的转换，5字节的信元头之后加一个全为0的字节，完成16bit的54字节的信元，便于ATM PHY发送。
?16_convert_8模块：完成信元数据16位到8位的转换，去掉ATM PHY在5字节的信元头后的添加的那个多余字节，产生完整有效的53字节信元。
第三章地面适配网关的关键技术与设计实现15
3.1.1MAC接口
MAC接口模块作为FPGA芯片与外部以太网PHY的接口，在FPGA中占据着非常重要的地位。根据IEEE802.3协议，MAC模块的具体功能包括：
a)通过一个4bits的MII接口（工作频率25MHz）与100 Mbps以太网PHY进行无缝连接。能够以正确的帧间隔（IFG）进行数据帧的背靠背发送，为发送帧加上前导字节和SFD，在发送过程中对长度不足的帧进行填充。
b)10/100 Mbps模式下，可以工作在全双工或半双工方式。在发送数据的过程中进行循环冗余校验码（CRC）的计算，在数据末端加上计算出来的CRC校验码。在接收时同样进行CRC计算，丢弃CRC校验出错的数据帧。
为了便于设计的实现与减少设计的复杂性，本文使用MAC IP核，它有标准的MII接口，与采用同样接口的PHY芯片实现无缝集成使用，它与FPGA中的另2个模块Et端口接收处理模块和Et端口发送控制模块通信的数据位数是32位。
3.1.2UTOPIA接口
UTOPIA接口是FPGA与外部ATM PHY芯片相通信的接口。按照ATM论坛（The ATM Forum）定义，UTOPIA 是物理层与上层逻辑边界的具体物理实现，它规范ATM 层和物理层之间的信号电平和时序定义，用于连接ATM 网络中ATM 子层和ATM PHY 子层。目前有四个等级的UTOPIA 规范，本文采用UTOPIA leve12 协议，它支持点对点的高速互联，可最多支持31个PHY端口，其数据宽度可以是16 比特或者8 比特，这里采用的是16比特宽度，主时钟频率是50Mhz。设计中UTOPIA接口与ATM 5352 PHY芯片相通信的实例如下图3.2所示[13]。
图3.2 UTOPIA与ATM PHY5352接口实例
宽带多媒体卫星通信系统地面适配网关的设计与实现
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从功能上看，UTOPIA 接口可以分为发送和接收两部分[14]。一方面，UTOPIA 接口从8_convert_16模块接收数据，存入发送fifo 中，当接收一个完整的ATM 信元后，询问ATM PHY 芯片能否接收数据，如果可以，将该信元按照一定时序，并伴随一定的控制信号，发送至ATM PHY 芯片；另一方面，当UTOPIA 接口内部的接收fifo 仍可以接收至少一个完整信元时，UTOPIA 接口询问ATM PHY 芯片是否有信元发送，如果有，则按照一定的时序接收信元，并存储到接收fifo 中，等待16_convert_8模块的读取。
UTOPIA 接口的ATM 信元结构如下图3.3所示，从图中可以看出，UTOPIA 接口数据为16位，通过UTOPIA 接口传送的ATM 信元为54字节。与标准ATM 信元相比，它在第5个字节后插入8 bit 的HCS STATUS/CONTROL 位[13]。
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…
Word 1Word 2Word 3Word 4Word 5
Word 27Bit 0
Bit 7Bit 8Bit 15
图3.3 UTOPIA 接口的ATM 信元结构
3.1.3 St 接口
St 接口（st_interface ）是地面适配网关与星载ATM 交换机LVDS 制式信号接口。它与星载ATM 交换机外部物理接口如下表3.1所示。
表3.1 地面适配网关与星载ATM 交换机外部物理接口信号定义
序号 信号 数量 电平 备 注 1
时钟
2 LVDS 108.544MHz ，包括由星载ATM 交换机提供
接收时钟，和提供给交换机的发送时钟。
2 数据 2 LVDS 串行数据，一个为接收数据，一个发送数据。
3 SOC 2 LVDS 标识5字节信头（高电平），为低电平时表示
信元载荷，也包括一个接收soc 和一个发送soc 。 St 接口主要功能包括：将St 端口的LVDS 制式输入输出信号与标准单端信号
相互转化，在收端检测卫星ATM 空信元、HEC 校验出错的信元、不完整的信元并将它们丢弃，在发端无有效信元时发送空信元，发送和接收的信元串行数据均采用背靠背方式，同时该模块也将接收的有效信元的串行数据转化为8位的并行数据发送到St 端口接收处理模块或At 端口的8_convert_16模块，将从St 端口发送