FPGA在波分復用系統光監控信道中的應用

FPGA在波分復用系統光監控信道中的應用

摘要：在波分復用系統中，光監控信道用來傳送網管信息，包括系統的狀態信息和控制命令信息。本文介紹了1種WDM光監控信道的設計方法，使用Altera FPGA完成光監控信道板的核心功能，通過采用TOP-DOWN設計方法，在FPGA中完成E1和HDLC功能。該設計已經成熟應用在實際的波分復用系統中。
關鍵詞：波分復用　FPGA 光監控信道　E1 畢業論文 論文網
波分復用(WDM)是利用單模光纖低損耗區的巨大帶寬，將不同速率（波長）的光混合在1起進行傳輸，這些不同波長的光信號所承載的數字信號可以是相同速率、相同數據格式，也可以是不同速率、不同數據格式。可以通過增加新的波長特性，按用戶的要求確定網絡容量。對于2。5Gb/s以下的速率的WDM，目前的技術可以完全克服由于光纖的色散和光纖非線性效應帶來的限制，滿足對傳輸容量和傳輸距離的各種需求。
WDM系統的構成如圖1所示。發送端的光發射機發出波長不同而精度和穩定度滿足1定要求的光信號，經過光波長復用器復用在1起送入摻鉺光纖功率放大器（摻鉺光纖放大器主要用來彌補合波器引起的功率損失和提高光信號的發送功率），再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據情況決定有或沒有光線路放大器，到達接收端經光前置放大器（主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離）放大以后，送入光波長分波器分解出原來的各路光信號。
WDM系統可以增加1個波長信道專用于對系統的管理，這個信道就是所謂的光監控信道（Optical Supervising Channel－OSC）對于采用摻鉺光纖放大器（EDFA）技術的光線路放大器，EDFA 的增益區為 1530 nm ~1565 nm， 光監控通路必須位于EDFA有用增益帶寬的外面（帶外OSC），為1510 nm。監控通路采用信號翻轉碼 CMI 為線路碼型。
按照ITU-T的建議，WDM系統的光監控信道應該與主信道完全獨立。在OTM站，在發方向，監控信道是在合波、放大后才接入監控信道的；在收方向，監控信道是首先被分離的，之后系統才對主信道進行預放和分波。同樣在OLA站點，發方向，是最后才接入監控信道；收方向，最先分離出監控信道。在整個傳送過程中，監控信道沒有參與放大，但在每1個站點，都被終結和再生了。這點恰好與主信道相反，主信道在整個過程中都參與了光功率的放大，而在整個線路上沒有被終結和再生，波分設備只是為其提供了1個個通明的光通道。
監控通路接口參數
監控通路的接口參數如表1-4。
表1-1 監控通路的接口參數
監控波長  1510nm
監控速率  2Mbit/s
信號碼型  CMI
信號發送功率  (0~-7dBm)
光源類型
  光譜特性    MLM  LD
    *
最小接收靈敏度  -48dBm
1。1。1 監控通路的幀結構
監控通路的2Mbit/s系統物理接口應符合G。703要求。其幀結構和比特率符合G。704的規定，如圖1-23所示。
0 1 2 3 。。。。。。。。 16 17 。。。。。。。 29 30 31
圖1-2 監控通路的幀結構
時隙0 ：幀同步字節。
幀結構中至少有2個時隙作為公務聯絡通路，1個作為光中繼段公務聯絡，可在光放大器中繼站上接入。另1個作為光復用段之間的業務聯絡，可在WDM系統終端站接入。
幀結構中至少有 1 個時隙供使用者(通常為網絡提供者)使用，可以在光線路放大器中繼站上接入。
幀結構中必須有4 個字節作為光中繼段的 DCC 通道， 8個字節作為光復用段的DCC 通道，以傳送有關 WDM 系統的網絡管理信息。終端設備有公務聯絡和使用者通路兩個接口。
至少有空閑字節，以準備擴容時采用。
系統設計
本文討論的光監控信道電路板電路由單片機，FPGA，光收/發模塊，及相關附屬電路組成，其中，FPGA完成系統的主要功能，是本電路板的核心。
光監控信道電路板電路原理框圖如圖2所示：

其中，光收發模塊為武漢郵電科學院生產的2M光/電，電/光轉換模塊，工作波長為1510nm。 兩對光收發模塊可以完成光監控信道兩個方向上的光/電， 電/光轉換。光收模塊將輸入的1510nm光信號光電轉換為4M CMI編碼電信號，送入FPGA，在FPGA中完成CMI/NRZ解碼，E1的幀同步，HDLC處理，將從其他站點傳送來的監控信息取出到FPGA中的雙口RAM中，通過單片機讀出，由單片機通過串口送到管理板，監控信息最終可以顯示到網管計算機上�！�對于從管理板發出的本站需要傳送到其他站的監控信息，由管理板通過串口發給單片機，單片機將需傳送的信息寫到FPGA內的RAM中，FPGA將需傳送的信息進行HDLC與E1的成幀處理，CRC處理及NRZ/CMI編碼，然后送到光發送模塊進行電/光轉換，傳送到光纖線路中。
FPGA設計
FPGA選用Altera公司Cyclone系列EP1C12。Cyclone系列器件是低價格，中等密度的FPGA，內部有12060個邏輯單元，52個4Kbit的RAM塊和2個內部鎖相環。
通過VHDL實現系統功能，系統采用自頂向下的EDA設計流程，利用VHDL語言編程實現系統功能。
FPGA原理框圖如圖3：
發送部分主要由時鐘模塊、HDLC和E1時序產生及成幀模塊、NRZ/CMI編碼、公務電話處理模塊和單片機時序發生模塊組成。當有監控數據需要發送時，單片機向FPGA的雙口RAM寫入數據，數據寫完后單片機時序發生模塊將產生請求處理信號通知HDLC和E1時序產生及成幀模塊進行處理，HDLC和E1時序產生及成幀模塊將雙口RAM中的待傳送數據取出并進行處理，包括并/串轉換，HDLC標志位添加與成幀，E1的成幀與CRC產生等，同時將兩路公用電話插入到E1的相應時隙中，最后將E1送到NRZ/CMI編碼模塊進行編碼，編碼后送給電路板的光發模塊發送到線路中。
接收部分包括時鐘模塊、E1幀同步檢測與HDLC標志字檢測處理模塊、NRZ/CMI解碼模塊、公務電話處理模塊、單片機時序產生模塊。對于由光收模塊來的碼流，先由CMI/NRZ解碼模塊進行解碼，然后進行E1幀同（失）步檢測，HDLC標志字檢測，CRC檢測等。1旦發現是發送給本站的數據，則進行相應的HDLC處理，串/并轉換，將數據存入到雙口RAM并通知單片機收取。如果不是發給本站的數據，則由發送部分的HDLC，E1時序產生，成幀模塊繼續向下1個站點傳輸�！�
本系統由FPGA完成光監控信道板的核心功能。FPGA選用Altera公司Cyclone系列EP1C12，采用Top-down設計方法，用VHDL完成各功能模塊。兩路發送/接收邏輯共占FPGA75%的資源， 該系統已應用在Wavexpress城域網波分復用設備中，工作狀態良好�！�
1、 ITU-T Recommendation G。692
2、 郵電技術規定YDN120-1999 《光波分復用系統總體技術要求》（暫行規定）
3、 孫學軍等《DWDM 傳輸系統原理與測試》北京：人民郵電出版社2000。2
4、 紀越峰《光波分復用系統》北京：北京郵電大學出版社 2001。11
5、 吳繼華，王誠《Altera FPGA/CPLD設計》北京：人民郵電出版社2005。7
6、 姜立東《VHDL語言程序設計及應用》北京：北京郵電大學出版社 2004。6  畢業論文 論文網

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