CN103561361B - 一种基于fpga设计的gpon硬件系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，所述硬件系统包括功能模块、基本配置模块、主控模块、光收发模块和扩展模块，其中：所述功能模块包括以太网模块、电话模块和无线模块；所述基本配置模块包括JTAG、AS和DDR3部分；所述主控模块包括FPGA以及其周边的接口和电路；所述光收发模块包括多组光接收模块和光发送模块；所述扩展模块包括所需要FPGA的扩展功能的各种接口，所述扩展模块具有实现FPGA的扩展功能。

Description

一种基于FPGA设计的GPON硬件系统

技术领域

本发明属于互联网通信技术领域，具体涉及一种光纤接入技术的硬件平台搭建，尤其涉及一种吉比特无源光网络（Gigabit-CapablePassiveOpticalNetwork，GPON）中的光线路终端（OpticalLineTerminal，OLT）和光网络节点（OpticalNetworkUnit，ONU）基于FPGA（Field－ProgrammableGateArray）的硬件平台搭建。

背景技术

随着互联网的高速发展，互联网业务不断增加，用户对互联网的带宽需求也越来越大。目前全球范围内的骨干核心网已经基本实现了光纤化，相对于核心网，接入网由于成本、介质等因素成为了当前网络发展过程中的瓶颈。

目前接入网主要为宽带接入，传统的接入方式主要为数字用户线路（X-DigitalSubscriberLine，xDSL）和混合光纤同轴网（HybridFiber—Coaxial，HFC）。由于目前接入网对带宽的要求急速增长，使用传统的方式已经不容易解决，所以各运营商将目光投入到了光纤接入网（OpticalAccessNetwork，OAN）。同传统接入方式相比，光接入能够提供更大的带宽，是目前认为能解决“最后一公里”问题的主要办法。

光接入系统根据系统的硬件配置主要包括有源光网络（ActiveOpticalNetwork，AON）和无源光网络（PassiveOpticalNetwork，PON）两种接入方式。PON系统由于具有较低的接入成本，成为众多用户的首选接入方式，也成为了解决光纤入户（FiberToTheHome，FTTH）的主要解决方法。

PON技术标准可以分为以下三种：APON（AsynchronousTransferMode-PON，ATM-PON）、EPON（Ethernet-PON）和GPON。APON技术由于带宽不足、技术复杂、成本高、承载IP业务效率低下等原因，未能在市场上取得应用；EPON技术使用以太网取代了ATM，EPON可以使用以太网协议支持现有的所有IP网络，因此EPON技术也是PON技术中的发展热点，但是EPON技术对传统业务（如话音、T1等）的支持存在着可靠性低、服务质量（QualityofService，QoS）不足等问题，将其用来解决FTTH还是不够完美；同APON技术和EPON技术相比较，GPON技术不仅能够提供足够大的带宽，还可以同时传送传统业务和IP业务，提供较好的QoS保障。可以说GPON技术的出现，为FTTH提供了较为完美的解决方案。

GPON系统主要分为三个部分：OLT、ONU和ODN（OpticalDistributionNode，光分路节点）。OLT作为GPON系统的核心部分，除了负责提供接入网和核心网之间的接口以外还具有带宽分配、控制各ONU、实时监控、运行维护等功能。ONU为接入网提供用户侧的接口，提供语音、数据等业务流与ODN的接入，受OLT的集中控制。

目前，OLT的实现方案主要是一些厂商生产的专用于GPON-OLT的专用芯片。如PMC-SIERRA公司生产的PAS5211芯片。PAS5211是一款基于IUT-TG.984（InternationalTelecommunicationUnion-Telecommunication）标准的芯片，最多可支持128个ONU和512个Alloc-ID（AllocationIDentifier），拥有128位的AES（AdvancedEncryptionStandard）加密机制，有4个2.5Gb/s的全双工通信接口，1个多样化接口可工作在上行1.244Gb/s下行2.488Gb/s可支持多个运行商，支持IEEE802.1ad（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）、IEEE802.1d、IEEE802.1q、IEEE802.1p协议，同时可支持IPv4-IGMP（InternetProtocolversion4-InternetGroupManagementProtocol）和IPv6MLD（InternetProtocolversion6-MulticastListenerDiscover），能够完美地支持目前用户端对接入网的各种需求。

ONU的实现方案和OLT的实现方案一样，使用一些厂商生产的专用于GPON-ONU的芯片，如PMC-SIERRA公司生产的PAS74x系列芯片。同PAS5211芯片一样，PAS74x也是一系列基于ITU-TG.984标准的芯片，可支持IPv4和IPv6，支持8个T-COUNT，支持512个PORT-ID，同时也支持AES解密。PAS74x拥有2.488/1.244Gbps接口，拥有16位DDR2的SDRAM接口，拥有16位的FLASH内存控制器，并且拥有JTAG接口，完成芯片调试，能够实现全业务接入和完善的OAM功能。

另外一种OLT/ONU的实现方案是通过FPGA+CPU架构来实现。通过使用较为高端的FPGA芯片来实现GPON协议的核心功能，通过利用嵌入式CPU来实现完善的OAM功能，通过在FPGA外围设置一些接口和电路来实现其扩展的功能。但是基于高端FPGA设计的OLT/ONU价格一般比较昂贵。

发明内容

为了克服ONU与OLT采用不同芯片，在不同硬件平台实现及不可编程等问题，本发明提供一种能够在一个硬件平台上实现ONU和OLT功能的系统可编程、功能可扩展、性能可升级的基于FPGA的GPON硬件平台系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于FPGA设计的GPON系统的硬件系统，包括功能模块、基本模块、主控模块、光收发模块和扩展模块。其中，所述功能包括以太网模块、电话模块和无线模块，所述以太网模块、电话模块和无线模块分别和用户端的有线设备（PC）、电话和无线网络连接设备相连，所述以太网模块包括以太网接口RJ45，所述以太网模块提供将用户有线设备通过FPGA接入以太网的功能，所述电话模块包括电话线接口RJ11，所述电话模块提供用户座机通过FPGA接入电话网络的功能，所述无线模块包括无线网卡，所述无线网卡提供将用户无线设备通过FPGA接入上层网络的功能；所述基本配置模块包括JTAG、AS、DDR3，所述JTAG和AS主要负责对FPGA进行调试工作，所述DDR3主要负责完成FPGA外置存储功能；所述主控模块包括FPGA以及其周边的接口和电路，所述FPGA负责实现GPON协议，负责完成接收、转发等逻辑功能；所述光收发模块包括多组光接收模块和光发送模块，光纤接口，所述光接收模块和光发送模块负责ONU和OLT以及OLT和上层网络的连接，所述的ONU端连接方式中，所述光接收模块中的光接收模块1和所述OLT中的光发送模块1相连，所述光发送模块中的光发送模块1和所述OLT中的光接收模块1相连，所述的OLT端连接方式中，所述光接收模块中的光接收模块1和所述ONU端的光发送模块1相连，所述光发送模块中的光发送模块1和所述ONU端的光接收模块1相连，所述光接收模块中的光接收模块2和所述光发送模块中的光发送模块2和上层网络相连；所述扩展模块包括所需要FPGA的扩展功能的各种接口，所述扩展模块负责实现FPGA的扩展功能，所述扩展模块中级联接口负责实现FPGA的性能扩展，接入子FPGA芯片，其他引脚负责实现FPGA的功能扩展，通过外置引脚增加逻辑功能；

所述功能模块中以太网模块中使用型号88E1111芯片，实现10/100/1000BASE-T，集成1.25GSERDES，所述电话模块中使用型号Si3211芯片，实现DSL/EMTAs/FTTx/WiMax/LTE，提供语音信号，所述无线模块中使用型号AR9331芯片，实现串口连接，支持无线接入和有线接入；所述基本配置模块中JTAG调试接口使用型号70246-1004芯片，采用USB-Blaster连接线，所述AS接口调试，采用USB-Blaster连接线；所述DDR3使用型号MT41J128M8JP*1、MT41J128M16JT-125*2芯片，实现8bit数据位容量为1GbitDDR3，16bit数据位容量为2Gbit，所述DDR3芯片总计5Gbit容量，用于缓存上下行数据；所述扩展模块负责引出FPGA多余管脚，实现功能拓展；所述主控模块FPGA使用型号5CGXFC7D7F27C8N芯片实现最多可直接连接9组2.5Gbps光收发器，无需单独配置串并芯片；所述光收发模块中光接收模块实现2.5Gbps，光发送模块实现2.5Gbps。

作为优选的一种方案，所述的扩展模块具有HSMC接口，可实现FPGA级联，完成GPON硬件平台的性能升级；

作为优选的一种方案，所述的扩展模块具有扩展接口，可以完成其他功能的扩展，实现GPON硬件平台的功能升级；

作为优选的一种方案，所述的功能模块具有有线网络接口、电话接口和无线网络接口，可以实现与计算机、电话和移动网络设备的连接；

作为优选的一种方案，所述的基本模块具有5G内存的DDR3，可存储GPON系统中传输的网络数据；

本发明的技术构思：以可直接接收高速率光信号的FPGA芯片为基础，为ONU和OLT建立统一的硬件平台，降低硬件开发复杂度，提高开发板利用率。本发明采用模块化的设计思路，其中主控模块和基本配置模块实现GPON协议的基本实现；功能模块完成ONU与终端用户的接口；光收发模块完成ONU与OLT，OLT与网络的连接；扩展模块中级联接口实现FPGA子芯片连接，提升开发板性能；其它接口开发ONU其他功能，实现功能提升。

有益效果

1、OLT采用独立的FPGA进行实现；2、ONU和OLT在同一硬件平台下实现，降低硬件开发复杂度，提高开发板利用率；3、具有两个10M/100M/1000M以太网业务接口，满足终端用户高速率的带宽需求；4、具有支持2.5Gbps的光收发器件，实现数据高速率传输；5、具有FPGA芯片级联接口和扩展接口，有助于GPON硬件平台的性能提升和功能扩展。

附图说明

图1为GPON系统硬件模块图；

图2-19为主控模块电路原理图；

其中，图2-10为电源地电路原理图，图11-12为DDR接口电路原理图，图13-14为以太网模块和级联接口电路原理图，图15为电话模块、无线模块及其他引脚电路原理图，图16-17为光收发模块接口电路原理图，图18为PLL电路原理图，图19为VTT电路原理图；

图20-21为DDR3电路原理图；

图22为JTAG和AS电路原理图；

图23为级联接口电路原理图；

图24-25为光收发模块电路原理图；

图26-28为以太网模块电路原理图；

图29-30为电话模块电路原理图；

图31-33为无线模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

下面结合附图对本发明做近一步描述。图1为GPON系统硬件模块图。所述的基于FPGA设计的GPON硬件系统主要包括主控模块、基本配置模块、扩展模块、功能模块和光收发模块，依据具体使用方式，该系统采用同一硬件平台，实现ONU和OLT两种功能。所述的主控模块主要包括FPGA及其外围电路，负责数据的收发、转换和GPON协议的实现（ONU端实现GPON协议中ONU部分，OLT端实现GPON协议中OLT部分）；基本配置模块包括JTAG、AS和DDR3，JTGA和AS通过USBBlaster与主控模块中FPGA相连，完成FPGA的调试工作，DDR3负责存入主控模块的缓存，为系统的正常运转提供缓存空间；扩展模块包括级联接口和其他引脚，级联接口采用HSMC（HighSpeedMezzanineCard，高速中间接口）接口，可连接Altera公司的FPGA，实现硬件系统的性能升级，其他引脚为主控模块中剩余的I/O管脚，用于硬件系统的功能升级。

功能模块为ONU端专用模块，包括以太网模块、电话模块和无线模块，三个模块分别可实现与用户的有线网络连接、电话连接和无线网络连接；光收发模块可分为ONU端和OLT端；ONU端的光收发模块主要负责与OLT端的光收发模块连接，完成GPON系统内的数据传输以及系统内控制信息的交互；OLT端的光收发模块有两个功能，一方面与ONU完成连接，实现数据和控制信息的传递，一方面与上层网络连接，实现GPON系统与网络中的信息传输。

图2—图33是对图1的各个模块电路原理说明。图2为主控模块电路原理图，主控模块中FPGA型号为5CGXFC7D7F27C8N，该款FPGA内置SERDES，无需配置串并转换芯片，可直接连接9组2.5Gbps光收发器，该款FPGA为Altera公司中低端型号，成本较低。图2-图10为电源地电路原理图，包括FPGA的外围电路，以及供电电路，该电路可实现19V直流输入，1.1V、2.5V、3.3V、5V和12V直流输出；图11-图12为DDR3接口电路原理图，为FPGA与DDR接口部分的详细电路；图13-图14为以太网模块和级联接口电路原理图，本发明的硬件系统含有两个10/100/1000Mbps以太网模块，级联电路可进行FPGA级联，实现GPON硬件系统的性能升级；图15为电话模块、无线模块及其他引脚电路原理图；图16-图17为光收发模块接口电路原理图，实现与光模块的连接；图18为PLL电路原理图，采用Si5338A芯片，为FPGA提供时钟信号；图19为VTT电路原理图，使用LTC3025-1芯片，2.5V输入，1.0V输出，保证总线电压。

图20-图21为DDR3电路原理图，使用一片MT41J128M8JP和两片MT41J128M16JT-125芯片，FPGA提供5G内存支撑，保证数据的实时存储，完成快速转发。

图22为JTAG和AS电路原理图，使用70246-1004芯片，实现JTAG口在线调试功能，JTAG和AS采用USB-Blaster方式与主控模块中的FPGA连接；

图23为级联接口电路原理图，通过HSMC接口将FPGA进行扩展，级联FPGA子芯片，实现GPON硬件系统的性能升级；

图24-图25为光收发模块电路原理图，光模块由2.5Gbps/2.5Gbps（收/发）构成；

图26-图28为以太网模块电路原理图，使用88E1111芯片，设计了两个千兆以太网接口，该芯片内置SERDES芯片，无需外接串并转换芯片，实现数据高速率收发；

图29-图30为电话模块电路原理图，电话模块采用Si3211芯片，该芯片可为DSL/EMTAs/FTTx/WiMax/LTE等系统提供语音信号；

图31-图32为无线模块电路原理图无线模块采用AR9331芯片，该芯片可通过串口连接、控制，支持无线接入和有线接入。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，其特征在于：所述硬件系统包括功能模块、基本配置模块、主控模块、光收发模块和扩展模块，所述硬件系统能够在一个硬件平台上实现ONU和OLT功能的系统可编程、功能可扩展、性能可升级，其中：

所述功能模块包括以太网模块、电话模块和无线模块；

所述基本配置模块包括JTAG、AS和DDR3部分；

所述主控模块包括FPGA以及其周边的接口和电路；

所述光收发模块包括多组光接收模块和光发送模块；

所述扩展模块包括所需要FPGA的扩展功能的各种接口，所述扩展模块具有实现FPGA的扩展功能；所述扩展模块中级联接口具有高速中间接口，负责实现FPGA的性能扩展，接入子FPGA芯片；其他引脚负责实现FPGA的功能扩展，通过外置引脚增加逻辑功能；

所述功能模块、基本配置模块、光收发模块和扩展模块分别与主控模块连接；

所述硬件系统的连接方式包括硬件连接方式，所述硬件连接方式包括ONU端连接方式和OLT端连接方式；

其中所述的ONU端连接方式中，所述功能模块的以太网模块、电话模块和无线模块分别和用户端的有线设备PC、电话和无线网络连接设备相连；所述ONU端光收发模块中的光接收模块1和所述OLT端光收发模块的光发送模块1相连；所述ONU端光收发模块中的光发送模块1和所述OLT端光收发模块的光接收模块1相连；无需单独配置串并芯片；

其中所述的OLT端连接方式中，所述OLT端光收发模块中的光接收模块1和所述ONU端光收发模块的光发送模块1相连；所述OLT端光收发模块中的光发送模块1和所述ONU端光收发模块的光接收模块1相连；所述OLT端光收发模块中的光接收模块2和光发送模块2和上层网络相连；无需单独配置串并芯片。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，其特征在于：

所述功能模块中的以太网模块包括以太网接口RJ45，所述以太网模块具有将用户有线设备通过FPGA接入以太网的功能；

所述功能模块中的电话模块包括电话线接口RJ11，所述电话模块提供用户座机通过FPGA接入电话网络的功能；

所述功能模块中的无线模块包括无线网卡，所述无线网卡提供将用户无线设备通过FPGA接入上层网络的功能。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，其特征在于：所述基本配置模块中的JTAG和AS，主要负责对FPGA进行调试工作；所述基本配置模块中的DDR3主要完成FPGA外置存储功能。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，其特征在于：所述主控模块中的FPGA实现GPON协议，完成接收、转发逻辑功能。

5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA设计的GPON硬件系统，其特征在于：所述光收发模块包括光纤接口，所述光接收模块和光发送模块负责ONU和OLT以及OLT和上层网络的连接。