摘    要：本文介紹了一種用FPGA實現的HDLC轉E1的協議控制器，能實現將速率為N×64Kbps(N=1~124)的HDLC數據分接至M路(M=1~4)E1信道中傳輸，并允許各路E1的最大時延為64ms。討論了E1幀結構設計和系統的FPGA實現方法。

引言
E1是我國電信傳輸網一次群使用的傳輸標準,由于我國的E1資源十分豐富, 這樣的傳輸路徑非常容易獲得，靈活利用現有豐富的E1信道來傳輸HDLC數據,可以節約大量傳輸成本。通常，一路HDLC數據僅通過一路E1信道傳輸，但是如果HDLC數據的速率很大，一路E1信號的帶寬不足以傳輸，那么HDLC數據就要分接到M路E1信道中傳輸，接收端再把M路E1信號合路恢復出HDLC數據，M路E1信號如果傳輸路徑不同，肯定會導致不同的延遲，本系統設計時，允許各路E1信號的最大延遲為64ms。

系統E1幀結構設計
本系統中的E1碼流的幀結構可以參照CCITT G.732、G.704或G.706建議給出的PCM基群30/32路系統幀結構得到，但又有所不同。
信息位的組成
本系統所要傳輸的凈負荷(信息位)是N×64Kbps的HDLC數據，標準E1中的TS16信令時隙與TS1~TS15及TS17~TS31共31個時隙可以傳送凈負荷。所以，N和M滿足關系式N≤31×M。對于最大情況，即N=124，M=4時，凈負荷占用31個時隙。當N<124，以至不能填滿所有31個時隙，則固定填入無效位‘1’。
TS0時隙的設計
考慮到系統要能實現將一路N×64Kbps的HDLC數據按比特分接在M路E1信道中獨立傳輸，并在接收端通過合路正確恢復出此數據，合路過程要求M路E1信號完全同步，而實際線路中各路之間有不同程度的延遲，這就要求系統具有延時緩沖能力。在此期間利用一個存儲器對數據進行緩沖保存。而為了辨別某一路保存在SRAM中的CRC復幀應該和其它路保存在SRAM中的相應CRC復幀合路，即為了實現復幀同步，就需要對每一個CRC復幀加上標號，也就是加上復幀定位碼。此外，由于HDLC數據是按比特分接在M路E1信道中傳輸的,當M=2，3，4時，那么在接收端就必須按照發送時分接的順序將M路E1信道中的信息位按比特復接成HDLC數據。所以各路E1都需要一個代表分/復接順序的路標號。為了充分利用E1信道資源 ，利用E1奇幀幀頭后三個備用比特為用戶提供一個12Kbps的同步數據通道，也可以作為低速的異步數據通道，如常用的2400、4800、9600bps的RS-232信號。

系統設計
硬件設計
系統的硬件部分包括一片FPGA和一塊SRAM，FPGA選用Altera公司Cyclone系列EP1C6。Cyclone系列器件是低價格，中等密度的FPGA，內部有5980個邏輯單元，20個4Kbit的RAM塊和2個內部鎖相環。
由于系統允許各路E1信道可以有最大64ms的延時，一個復幀周期為2ms，即最大延遲為32個復幀時間。一個復幀由16個基本幀組成，32個復幀的的比特數為32×256×16=128Kbit，那么各路需要RAM的最大容量為128Kbit。由于最大路數M=4，所以系統所需的RAM最大容量為4×128Kbit= 512Kbit。而EP1C6內部只有80Kbit的RAM，所以選擇使用外接RAM的方法，本系統選用Inbond公司的W24L01，其容量為1024Kbit。
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。
發送部分主要由鎖相環模塊、分路模塊、成幀模塊、CRC校驗模塊和串行擾碼模塊組成。在主時鐘模式下，由本地晶振經有理數分頻產生N×64KHz時鐘和2.048MHz時鐘，N×64KHz時鐘作為HDLC數據的時鐘產生源，N×64Kbps的HDLC先經過串/并轉換,并寫到M個緩存器中，然后用2.048MHz時鐘讀出，并將其插入到E1幀相應的時隙中，組成M路E1信號，并經過CRC-4校驗，最后經過串行擾碼，發送出去。在從時鐘模式下，N×64KHz時鐘由HDLC提供，2.048MHz時鐘由鎖相環模塊從N×64Kbps的HDLC中提取。時鐘模式的選擇及M、N的數值都可以在FPGA內部通過VHDL語言編程設定。
接收部分包括鎖相模塊、幀頭檢測模塊、解擾碼模塊、讀寫RAM模塊以及合路模塊。在接收部分，先用鎖相環通過輸入的E1信號鎖出2.048MHz的同步時鐘和N×64KHz時鐘,用2.048MHz的時鐘對E1信號進行幀頭檢測,找到幀頭后，系統進入幀同步狀態，然后解擾碼，CRC反校驗，以及提取其它各種控制信息和數據。解擾碼以后的數據經串/并轉換后輸出FPGA,存到片外RAM中。收到控制信息后，FPGA開始從RAM中讀取數據，并在N×64KHz時鐘的控制下進行并/串轉換，去幀頭，最后合成一路N×64Kbps的HDLC輸出信號。

圖1  仿真波形圖
仿真與測試
對整個系統和每個子模塊都進行了功能仿真和后仿真。功能仿真平臺為ModelSim + 5.5f ，綜合平臺為FPGA Express 3.5，后仿真平臺為Altera Quartus3.0。用邏輯分析儀HP54645D實測波形如圖1所示(取M=4，N=104)。
結語
通過對FPGA進行VHDL編程，實現了將速率為N×64Kbps (N=1~124)的HDLC數據按比特分接至M路(M=1~4)E1信道中傳輸,并充分利用E1奇幀的TS0時隙,為用戶提供12Kbps的同步數據傳輸通道,而且允許各路E1有64ms的時延。本文設計的HDLC轉E1傳輸控制器也可以作為其它協議轉換器的一個過渡橋梁。例如可以將10Base-T的以太網信號，先經過以太網轉HDLC協議控制器(如ADMtek公司生產的ADM6993芯片)，然后通過HDLC轉E1傳輸控制器，從而實現了Ethernet over TDM的功能。