基于CPRI协议的光纤通讯设计与实现

摘要：针对分布式基站基带处理单元和射频拉远单元之间的光纤连接，介绍了CPRI协议规范，讨论了其基于FPGA的硬件实现方案。同时给出了基于FPGA与SCAN25100方案的设计，采用Verilog语言设计开发FPGA。该方案开发成本低，调试简单方便。通过实际测试表明，该设计方案能够有效实现基于CPRI协议的光纤通讯传输，工作性能稳定。

0 引言

2009年1月国内3G牌照正式发放，随着3G时代的到来，各大通信运营商对3G移动通信网络展开了大规模建设，投入巨大，而基站是3G网络建设中，数量最多及成本最高的设备。移动通信领域日趋激烈的竞争，使得通信运营商比以往更加关注建网成本，而分布式基站具备低成本、高性能、快速运营等特性，能够大大节省运营商的建网与运维成本。因此分布式基站成为当前3G网络建设的最主要选择。

分布式基站核心理念，是把传统宏基站基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)分离，二者通过光纤相连。网络部署时，将BBU、核心网、无线网络控制设备集中在机房内，与规划站点上部署的RRU通过光纤连接，完成网络覆盖。

为了有效处理分布式基站BBU与RRU间的光纤连接，无线通信行业形成两个联盟，分别制定了两种接口标准：2002年诺基亚、LG、三星等宣布成立OBSAI(开放式基站结构同盟)；2003年爱立信、华为、NEC、北电和西门子等联合成立CPRI (通用公共无线接口组织)。本文主要介绍基于CPRI协议的光纤通讯。

1 CPRI协议概述

CPRI协议定义了两个协议层。两个协议层为物理层(L1)和数据链路层(L2)。在物理层中，将上层接入点的传输数据进行复/分接，并采用8B/10B编解码，通过光模块串行收发数据。数据链路层定义了一个同步的帧结构，包含基本帧和超帧(由256个基本帧组成)，数据在L2层中，通过CPRI固定的帧结构形式进行相应的成帧和解帧处理。

基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)之间可以通过一条或多条CPRI数据链路来连接，每条CPRI数据链路支持614．4Mbps、1228．8M-bps和2457．6Mbps三种比特率高速串行传输。当前工业界，通过将四条并行CPRI数据链路进行相应串行化处理，可实现BBU与RRU之间通过光纤以近10Gbps(即4X2457．6 Mbps)速率超高速传输。

2 硬件方案

采用FPGA来设计实现基于CPRI协议的光纤通讯，可以有多种方案来实现，下面介绍两种方案。

方案一：采用集成了RocketIO模块的FPGA。RocketlO收发器是在Xilinx公司Virtex2 Pro以上系列FPGA芯片中，集成的功能可配置千兆位级串行收发器。可通过调用Xilinx公司的COREGenerator生成的IPCore来使用RocketIO收发器。该模块的功能包括8B/10B编解码，串并转换，时钟与数据流的绑定以及时钟恢复等。使用此方案优点是，可以使电路板尺寸较小、结构紧凑，可方便设置参数；缺点是，一般集成了RocketIO的FPGA芯片价格均较高，必然带来开发成本的提高，同时开发周期相对也较长。

方案二：FPGA与SCAN25100相结合。SCAN25100是美国国家半导体专门为新一代基站结构推出的串行/解串器，其集成了高精度延迟校准测量(DCM)电路及独立的发送和接收系统锁相环路，还具备先进的高速混合信号和时钟管理以及信号调节等功能。同时芯片具备8B/10B编解码、高速串并转换、锁定检测、CPRI信号和帧丢失检测等功能。可根据这款芯片来构建多天线技术分布式基站光纤互连解决方案。此方案开发成本较低，调试简单方便，性能稳定。

2．1 方案整体设计

本文主要针对方案二进行介绍与讨论。该方案设计，由FPGA完成CPRI协议的成帧、解帧、同步、传输数据复，分接等操作，以及与SCAN 25100相关接口设计，同时负责对SCAN25100与光模块控制与状态监控。SCAN25100负责实现8B/10B编解码和高速串并转换功能。

FPGA与SCAN25100之间通过使用并行数据线传输，SCAN25100的并行数据线支持8位和10位两种模式，这里选择用FPGA将SCAN25100配置成10位模式。SCAN25100完成8B/10B编解码和高速串并转换，与光模块通过差分串行数据线相连。最后由光模块完成光、电信号转换，通过光纤与外部设备进行数据传输，实现光纤通讯数据收发。其方案原理框图如图1所示。

2．2 时钟方案

采用输出频率为61．44MHz的有源晶振为FPGA提供系统基准时钟(CLK61)，系统所需的其他频率时钟，均可使用FPGA内置的时钟管理模块，对CLK61进行分频、倍频及移相而得。SCAN25100有四个时钟端口，与FPGA相连。系统时钟方案如图2所示。

SCAN25100芯片内置振荡器能够产生一个30．72MHz时钟SYSCLK输出，提供给FPGA作参考时钟。当系统作为REC端时，FPGA需要提供一个30．72MHz时钟REFCLK，给SCAN25100作为参考时钟。REFCLK和SYSCLK均使用LVDS差分电平，在FPGA内部使用缓冲器IBUFGDS来将输入差分时钟信号转为单端时钟，而使用OBUFDS将单端时钟转为差分时钟输出。

TXCLK为FPGA输出给SCAN25100，用于采集输出数据tx_data(9：0)的时钟。RXCLK为SCAN25100输出给FPGA，用于采集输入数据rx_data(9：0)的时钟。TXCLK和RXCLK配置使用INCMOS18电平，均为双边沿采集数据，其时钟频率由用户根据需求配置SCAN25100串行接口(DOUT和RIN)的传输速率决定。SPMODE(1：0)的配置值决定传输速率，对应关系见表1。

2．3 PCB布板设计

PCB布板设计要特别注意信号完整性问题，尤其当系统设定速率为2457．6Mbps高速传输时。图3所示为系统速率设定为2457．6Mbps，未注意信号完整性问题的PCB布板设计下，TXCLK时钟信号眼图，可以看到时钟信号质量较差。而SCAN25100对TXCLK信号质量要求较高，如占空比要求为45％～55％范围。经测试，在此设计下，当系统工作于614．4Mbps或1228．8Mbps时，系统能正常传输数据，但当系统速率转换为2457．6Mbps，此时TXCLK/RXCLK双边沿对DDR(Double Data Rate)数据出现了错误采集，SCAN25100与光模块之间的差分串行数据线传输也变得不稳定。因此系统对PCB布板设计要求较高。