杜慧敏，張英杰，張麗果

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network,EPON)在物理層采用無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)技術(shù)，在鏈路層使用以太網(wǎng)協(xié)議，利用PON的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的接入，具有低成本、高帶寬、擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活快速地服務(wù)重組、與現(xiàn)有以太網(wǎng)兼容以及管理方便等特點(diǎn)，成為寬帶接入網(wǎng)一種有效的通信方法。

受4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)和智慧家庭等市場(chǎng)應(yīng)用的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)，用戶帶寬以每年50%的速率增長(zhǎng)[1]，當(dāng)前主流的10 G EPON技術(shù)越來越無法滿足市場(chǎng)需求，高帶寬、高穩(wěn)定性的100 G EPON技術(shù)將成為未來全球超帶寬產(chǎn)業(yè)中的主要光接入網(wǎng)技術(shù)[2]。

為了檢測(cè)和糾正通信過程中信息發(fā)生的錯(cuò)誤，在通信系統(tǒng)中常用前向糾錯(cuò)碼(Forward Error Correct,FEC)技術(shù)來保證通信的質(zhì)量。在FEC的碼類中，里德-所羅門(Reed-Solomon,RS)編碼是一種糾錯(cuò)能力較強(qiáng)的線性分組碼[3]。RS編碼是基于有限域伽羅華域(Galois Field,GF)的碼組，其所有的校驗(yàn)碼符號(hào)均取自伽羅華域，編碼中所有運(yùn)算都在伽羅華域中進(jìn)行。RS碼由于其編碼相對(duì)簡(jiǎn)單、編碼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，糾錯(cuò)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，被廣泛應(yīng)用于高速數(shù)字通信系統(tǒng)中，以滿足數(shù)據(jù)通信可靠性的要求[5]。

通常使用RS(n,k)表示不同糾錯(cuò)能力的RS碼，其中n代表碼長(zhǎng)符號(hào)的數(shù)目，k代表待編碼數(shù)據(jù)單元(Code Word,CW)符號(hào)的數(shù)目，n、k之間的差值越大，糾錯(cuò)能力就越強(qiáng)。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.3-2015版標(biāo)準(zhǔn)使用RS (255,223)作為10 G EPON的糾錯(cuò)碼標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于100 G EPON系統(tǒng)，IEEE并沒有規(guī)定需要采用的FEC糾錯(cuò)碼類，通常采用RS碼或者低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check Code,LDPC)碼。

從100 G EPON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上來看，目前主流的方法是采用4個(gè)25 G EPON子系統(tǒng)來構(gòu)建100 G EPON系統(tǒng)。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中尚沒有明確規(guī)定25 G EPON系統(tǒng)糾錯(cuò)碼標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[6]建議在25 G EPON系統(tǒng)中依舊采用RS編碼作為糾錯(cuò)碼，通過分析不同n、k值的RS碼在25 G EPON系統(tǒng)中的性能，從編碼效率、冗余度、碼長(zhǎng)和連續(xù)糾錯(cuò)能力等4個(gè)方面綜合考慮，發(fā)現(xiàn)選用RS(1 023,847)碼作為25 G EPON系統(tǒng)的前向糾錯(cuò)碼時(shí)，可以在不影響系統(tǒng)傳輸速率的情況下達(dá)到最優(yōu)的編碼增益。

在RS編碼算法和編碼器設(shè)計(jì)上，線性反饋移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)可以直接實(shí)現(xiàn)串行編碼，但是，這種做法采用串行處理的做法，需要將待編碼的數(shù)據(jù)符號(hào)依次串行移入編碼電路，處理周期較長(zhǎng)、計(jì)算效率低，不能滿足高速通信系統(tǒng)的要求[7]。針對(duì)這一問題，采用并行方式實(shí)現(xiàn)RS編碼器是主流的方法，2013年，文獻(xiàn)[8]借鑒文獻(xiàn)[9]提出的高速循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(Cyclic Redundancy Check,CRC)并行編碼方法，將該方法用于并行RS編碼，實(shí)現(xiàn)了靈活性更強(qiáng)、可用于并行編碼計(jì)算的RS(255,223)編碼器，滿足了10 G EPON的系統(tǒng)要求。2015年，文獻(xiàn)[10]實(shí)現(xiàn)了一種編碼利用率更高的RS(624，k)編碼器(615

從目前的研究看，還沒有一種通用的RS編碼器并行設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。另外，在現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(Field Programmable Gate Grray,FPGA)中實(shí)現(xiàn)100 G EPON RS編碼依然面臨巨大的挑戰(zhàn)，即單通道編碼器最高工作頻率要達(dá)到390.625 MHz，以保證最高數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到25 Gbit/s。

擬提出一種100 G EPON系統(tǒng)RS編碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。由4路數(shù)據(jù)傳輸速率為25 Gbit/s的通信子系統(tǒng)構(gòu)成100 G EPON通信系統(tǒng)。選用適用于25 G EPON通信系統(tǒng)并且性能更好的RS碼組作為子系統(tǒng)編碼器的碼型。通過分析RS編碼器的n、k等參數(shù)以及待編碼數(shù)據(jù)的特性，求出編碼電路的并行系數(shù)，計(jì)算RS編碼器的并行度。合理選擇RS編碼器的并行度并利用多路切換技術(shù)、數(shù)據(jù)并行化計(jì)算等方法，設(shè)計(jì)一種可用于100 G EPON通信系統(tǒng)的RS編碼器。

1 RS碼的原理與性質(zhì)

1.1 RS串行編碼原理

RS碼為定義在有限域GF(2m)上的線性分組碼[13]，其中m為該碼組的符號(hào)寬度，其對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式為

其中，ai為對(duì)應(yīng)伽羅華域中的第i個(gè)元素，2t為n與k的差值。

待編碼數(shù)據(jù)的信息多項(xiàng)式為

d(x)=dk-1xk-1+…+d1x+d0

其中，dk-1,…,d1、d0表示k個(gè)符號(hào)的待編碼數(shù)據(jù)。

不同碼型的RS碼組其生成多項(xiàng)式也不同[14]。用生成多項(xiàng)式g(x)除x2td(x)，商式記為Q(x)，余式記為r(x)。計(jì)算過程可表示為[15]

余式r(x)即為RS(n,k)編碼的校驗(yàn)多項(xiàng)式，余式r(x)可以表示為

r(x)=rn-k-1xn-k-1+…+r1x1+r0

其中，rn-k-1、…、r1、r0表示生成的n-k個(gè)符號(hào)的校驗(yàn)碼。

待編碼信息多項(xiàng)式與RS編碼校驗(yàn)多項(xiàng)式共同構(gòu)成碼組多項(xiàng)式[16]c(x)，其表達(dá)式為

c(x)=x2td(x)+r(x)=dk-1xn-1+…+
d1xn-k+1+d0xn-k+rn-k-1xn-k-1+…+r1x1+r0

1.2 基于LFSR的串行RS編碼方法

經(jīng)典RS編碼器[17]通常采用除法方式實(shí)現(xiàn)編碼過程，其編碼器主要采用一組線性反饋移位寄存器(Linear Feedback Shift Register,LFSR)。經(jīng)典RS(n,k)串行編碼器的電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，g0、g1、…、gn-k-1為生成多項(xiàng)式g(x)的系數(shù)，dk-1、…、d1、d0為編碼器的輸入數(shù)據(jù)符號(hào)，x0(n)、x1(n)、…、xn-k-1(n)為n時(shí)刻各個(gè)寄存器的狀態(tài)值，P0、P1、…、Pn-k-1為該編碼電路計(jì)算k個(gè)周期后編碼的結(jié)果，即n-k個(gè)校驗(yàn)符號(hào)。

圖1 經(jīng)典RS串行編碼器結(jié)構(gòu)

RS串行編碼器電路包括3個(gè)工作過程。首先，開關(guān)調(diào)至k1，將k個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)dk-1、…、d1、d0串行移入電路中。一旦所有的數(shù)據(jù)符號(hào)全部移入電路中，寄存器n-k個(gè)狀態(tài)值x0(n)、x1(n)、…、xn-k-1(n)就構(gòu)成了RS校驗(yàn)碼。其次，將開關(guān)調(diào)至k2，以關(guān)閉反饋連接。最后，移出n-k個(gè)校驗(yàn)符號(hào)到信道中。這n-k個(gè)校驗(yàn)符號(hào)與之前的k個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)共同構(gòu)成了一個(gè)完整的碼字。

可以看出，該串行編碼器每次只能處理1個(gè)輸入符號(hào)，編碼時(shí)延為k個(gè)周期。該串行編碼每個(gè)時(shí)鐘周期處理的符號(hào)數(shù)有限，制約了編碼器的計(jì)算效率，不符合高速系統(tǒng)的性能要求[18]。采用串行方式實(shí)現(xiàn)的RS編碼器，由于其編碼效率低、編碼周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用范圍[19]。

1.3 并行RS編碼方法

文獻(xiàn)[20]最早使用狀態(tài)空間的方法處理并行CRC編碼的問題，之后有大量文獻(xiàn)使用了相同的方法研究不同使用情況下的CRC并行編碼問題。CRC碼與RS碼都屬于循環(huán)碼，編碼原理相同，都可以使用LFSR進(jìn)行編碼，這就決定了也可以使用狀態(tài)空間這一方法來解決RS碼的并行化編碼問題[21]。

采用狀態(tài)空間的方法重新描述上述LFSR的工作原理，串行RS編碼電路時(shí)刻n寄存器的狀態(tài)可以表述為

(1)

其中：x0(n)、x1(n)、…、xn-k-1(n)表示時(shí)刻n每個(gè)寄存器的狀態(tài)，在下一時(shí)刻n+1，寄存器的狀態(tài)按照式(1)更新；m(n)表示n時(shí)刻移入電路的數(shù)據(jù)符號(hào)，所有寄存器的初始值均為0，時(shí)刻0時(shí)進(jìn)入寄存器序列的消息符號(hào)為m(0)，時(shí)刻0結(jié)束時(shí)寄存器的狀態(tài)為x(1)，以此類推，時(shí)刻1移入編碼電路的數(shù)據(jù)符號(hào)為m(1)，時(shí)刻n-k-1移入編碼電路的最后一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)為m(n-k-1)，該時(shí)刻結(jié)束時(shí)寄存器序列里的值即為校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)。

若將其生成多項(xiàng)式系數(shù)組成的矩陣記為G，生成多項(xiàng)式系數(shù)與常量組成的方陣記為F，那么式(1)可以表示為

x(n+1)=Fx(n)+m(n)G

(2)

為了得出并行編碼的算法，只需要對(duì)式(2)進(jìn)行超前遞推即可，遞推的層數(shù)決定了并行編碼的符號(hào)寬度。根據(jù)式(2)，可以推導(dǎo)出q個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)并行RS編碼的計(jì)算表達(dá)式為

x(n+q)=Fqx(n)+m(n)Fq-1G+
m(n+1)Fq-2G+…+m(n+q-2)FG+
m(n+q-1)G

(3)

由于g0、…、gn-k-1等系數(shù)可以預(yù)先計(jì)算出來，意味著式(1)中F與G就是確定的，可以在RS編碼計(jì)算前提前計(jì)算出來。式(3)可以同時(shí)處理并行q個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，于是就實(shí)現(xiàn)了并行編碼處理。

1.4 RS編碼的并行度計(jì)算

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，用RS并行編碼電路的并行度來衡量其編碼效率[22]。將編碼器理論上需要同時(shí)處理的數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)定義為編碼電路并行系數(shù)，實(shí)際上需要處理的數(shù)據(jù)符號(hào)的個(gè)數(shù)定義為編碼電路的并行度。并行系數(shù)理論上可以是任意正數(shù)，但并行度一定是正整數(shù)。

設(shè)RS(n,k)編碼器的數(shù)據(jù)符號(hào)位寬為m，編碼器的輸入數(shù)據(jù)位寬為Bw，CW的更新周期為Tcw個(gè)時(shí)鐘周期，則Tcw與m、n以及Bw之間的關(guān)系可以表述為

(4)

為了在Tcw個(gè)周期內(nèi)處理完k個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，需要計(jì)算出每個(gè)時(shí)鐘周期電路需要處理的符號(hào)數(shù)，即電路的并行系數(shù)，其計(jì)算表達(dá)式為

(5)

電路并行系數(shù)θ可以是任意的正數(shù)，但是在電路實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，并行度只能是整數(shù)，因此，將并行系數(shù)θ向上取整，得出編碼電路并行度β的取值范圍為

(6)

雖然并行度越大，編碼電路可同時(shí)處理的數(shù)據(jù)符號(hào)就越多，越有利于提高編碼電路的計(jì)算效率[23]，但是，由于β只是對(duì)并行系數(shù)θ向上取整，并不等于并行系數(shù)，采用β作為電路并行度的編碼電路，需要計(jì)算出實(shí)際的編碼計(jì)算周期，編碼計(jì)算周期的計(jì)算表達(dá)式為

(7)

與使用Tcw相比，采用Tencode作為編碼周期會(huì)造成不同程度的周期浪費(fèi)，并且β的值越大，浪費(fèi)的周期數(shù)越多。在實(shí)際的操作過程中，β的上界受輸入數(shù)據(jù)的時(shí)序關(guān)系或編碼電路可用資源數(shù)的制約，往往存在有一個(gè)界限。

由式(6)可得編碼電路最小并行度為

(8)

更大的并行度意味著更大的電路面積，因此，在資源受限的情況下，選擇最小并行度βmin作為RS編碼電路的最優(yōu)并行度，可以使電路占用最小的硬件資源。另外，電路選擇最小并行度βmin進(jìn)行并行化編碼計(jì)算，以滿足輸入數(shù)據(jù)的時(shí)序要求，最大程度地減少編碼計(jì)算浪費(fèi)的周期數(shù)，提高編碼效率。

2 并行編碼器的實(shí)現(xiàn)

2.1 100 G EPON通信系統(tǒng)

由4個(gè)數(shù)據(jù)吞吐率為25 Gbit/s的通信子系統(tǒng)構(gòu)成100 G EPON通信系統(tǒng)。100 G EPON通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)設(shè)備承載4個(gè)OLT子通信系統(tǒng)，每個(gè)OLT子系統(tǒng)通過光分配網(wǎng)(Optical Distribution Network,ODN)與光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,ONU)設(shè)備相連，構(gòu)成4個(gè)25 G EPON子通信系統(tǒng)，從而組成100 G EPON通信系統(tǒng)。

圖2 100 G EPON通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.3-2015等相關(guān)協(xié)議，在Intel Stratix 10系列的1SG280LN2F43 FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)4×25 G EPON系統(tǒng)對(duì)RS編碼器的處理能力有著如下的要求。

1)在數(shù)據(jù)接口寬度為65 bit的條件下，編碼器的工作頻率需大于390.625 MHz，以滿足子系統(tǒng)25 Gbit/s的數(shù)據(jù)吞吐率要求。

2)在CW的更新周期為158個(gè)時(shí)鐘周期的條件下，編碼器需要具備高速數(shù)據(jù)的處理能力。

3)FPGA芯片需要承載4個(gè)EPON系統(tǒng)，分配給單路編碼器的芯片硬件資源有限，經(jīng)計(jì)算，單路編碼器硬件資源占用最大值為板級(jí)資源的3%，因此，需要在有限的資源上實(shí)現(xiàn)該編碼器。

2.2 RS編碼器并行度的選擇

實(shí)現(xiàn)的25 G EPON子通信系統(tǒng)中RS編碼器的輸入是65 bit位寬的數(shù)據(jù)，碼組類型為RS(1 023,847)，數(shù)據(jù)符號(hào)位寬m為10 bit。利用式(4)和式(5)，得到CW的更新周期Tcw為158個(gè)時(shí)鐘周期，并行度系數(shù)θ為5.36，因此，選擇的最優(yōu)并行度βmin為6，即編碼器可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)并行處理6個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)。由于電路并行度βmin只是接近并行度系數(shù)θ的最小整數(shù)，并且根據(jù)式(7)可以計(jì)算出，編碼器實(shí)際的計(jì)算周期為142個(gè)時(shí)鐘周期，與Tcw(158個(gè)時(shí)鐘周期)相比較，存在16個(gè)時(shí)鐘周期的浪費(fèi)。

在確定電路并行度βmin后，根據(jù)式(3)可得出6倍并行編碼電路的推導(dǎo)公式為

x(n+6)=F6x(n)+m(n)F5G+
m(n+1)F4G+m(n+2)F3G+m(n+3)F2G+m(n+4)FG+m(n+5)G

(9)

2.3 編碼器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上一部分的并行算法設(shè)計(jì)RS(1 023,847)并行編碼器電路架構(gòu)。編碼器電路由數(shù)據(jù)輸入與輸出電路和編碼電路核心計(jì)算模塊組成。編碼器整體架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 并行編碼電路架構(gòu)

2.3.1 數(shù)據(jù)輸入與輸出電路

編碼器需要適用于25 G EPON通信系統(tǒng)，需要滿足系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)吞吐率的要求，為此，編碼器電路架構(gòu)采用多路切換技術(shù)的采用乒乓電路結(jié)構(gòu)。與不采用乒乓結(jié)構(gòu)的電路相比，在相同電路時(shí)鐘頻率的條件下可以達(dá)到2倍的數(shù)據(jù)吞吐率。其電路內(nèi)部包括2套相同的子編碼電路，輸入數(shù)據(jù)以CW為單元，緩存單元為異步先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(First in First Out,FIFO)，經(jīng)過乒乓電路中的輸入仲裁寫入兩個(gè)緩存單元“fifo_in”，其不但要滿足跨時(shí)鐘域條件下數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)不丟失，而且還要滿足最大程度上節(jié)省電路資源的要求，為此，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將輸入緩存深度設(shè)為128最為合適。

數(shù)據(jù)從緩存單元分別進(jìn)入兩個(gè)子編碼電路進(jìn)行編碼計(jì)算，編碼完畢后，寫入緩存深度也為設(shè)置為128的緩存單元“fifo_out”，深度的選取與輸入緩存的深度選取原則一致，數(shù)據(jù)在乒乓電路的輸出仲裁下，分別從緩存中相互切換的輸出。

編碼電路的外部輸入數(shù)據(jù)的寫時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘，其頻率為390.625 MHz。由于編碼器采用乒乓操作，則編碼電路內(nèi)部只需采用工作頻率為195.312 5 MHz的時(shí)鐘即可滿足系統(tǒng)需求，實(shí)現(xiàn)了低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的功能。

2.3.2 核心計(jì)算模塊

編碼電路核心計(jì)算模塊主要包括位寬轉(zhuǎn)換模塊、編碼計(jì)算模塊等。

位寬轉(zhuǎn)換模塊對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行并行化處理。本文設(shè)計(jì)采用RS(1 023,847)碼組，一個(gè)CW中有效數(shù)據(jù)周期持續(xù)130 個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)位寬為66 bit。該模塊首先將66 bit有效數(shù)據(jù)的最低位去掉，形成130個(gè)時(shí)鐘周期位寬為65 bit的待校驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于每個(gè)CW中實(shí)際待校驗(yàn)數(shù)據(jù)為8 450 bit，因此，在其之后添加20 bit的“0”，構(gòu)成8 470 bit即847 個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的待校驗(yàn)數(shù)據(jù)。之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行6路并行化處理，每路一個(gè)10 bit符號(hào)的數(shù)據(jù)輸出。

編碼計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)基于式(9)，核心計(jì)算模塊架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 核心計(jì)算模塊架構(gòu)

該模塊由編碼模塊“encoding”以及位寬轉(zhuǎn)換模塊“RsTransform_66”模塊組成。編碼模塊根據(jù)選擇的最優(yōu)并行度βmin設(shè)計(jì)，“encoding”模塊中電路主要負(fù)責(zé)并行度為6的編碼計(jì)算，即按照每個(gè)時(shí)鐘輸入6個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行計(jì)算，其中狀態(tài)寄存器主要計(jì)算每個(gè)周期更新的狀態(tài)x(n)。在進(jìn)行編碼計(jì)算時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)，并行輸入的6個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)分別與乘法運(yùn)算模塊F5G、F4G、F3G、F2G、FG和G進(jìn)行伽羅華域乘法運(yùn)算并相加，記為結(jié)果1，另外，將乘數(shù)F6與當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)值x(n)進(jìn)行伽羅華域乘法運(yùn)算，其結(jié)果記為2。將結(jié)果1與結(jié)果2相加，并將和反饋給狀態(tài)寄存器x(n)，作為下個(gè)計(jì)算周期的初始狀態(tài)值。如此，即實(shí)現(xiàn)了并行6 路編碼計(jì)算。該計(jì)算過程總共需要142 個(gè)計(jì)算周期，計(jì)算結(jié)束時(shí)，所獲得的176 個(gè)狀態(tài)即為校驗(yàn)碼字，由狀態(tài)寄存器輸出，完成編碼計(jì)算過程。

計(jì)算出的RS校驗(yàn)碼為176 個(gè)校驗(yàn)符號(hào)的數(shù)據(jù)格式，每個(gè)符號(hào)位寬為10 bit，與編碼器外部的數(shù)據(jù)位寬66 bit不匹配，為此，將數(shù)據(jù)輸入至編碼位寬轉(zhuǎn)換模塊“RsTransform_66”，經(jīng)過添加同步頭數(shù)據(jù)和補(bǔ)零操作，將其轉(zhuǎn)換為每個(gè)時(shí)鐘周期66 bit的數(shù)據(jù)格式輸出。

3 仿真結(jié)果及分析

使用Matlab 2012b軟件仿真編碼算法，利用Modelsim軟件仿真電路軟件，采用Quartus Prime Standard Edition 18.1軟件與Intel 1SG280LN2F43 FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)電路。

3.1 算法與硬件仿真

為了驗(yàn)證編碼器的功能正確性，可對(duì)比算法仿真結(jié)果與硬件電路仿真結(jié)果的差異。

為了方便對(duì)比二者的結(jié)果，在待編碼的CW中構(gòu)造全“1”的CW，即該CW由8 450 bit全“1”構(gòu)成。

由于采用的是RS(1 023,847)碼組，在算法仿真與硬件仿真中的CW為8 470 bit，因此，需要在事先提供的8 450 bit數(shù)據(jù)后添加20 bit的全“0”數(shù)據(jù)，構(gòu)成8 470bit的待編碼信息。

在進(jìn)行Matlab編程時(shí)，首先輸入RS(1 023,847)碼組的生成多項(xiàng)式，之后輸入由8 450bit全“1”數(shù)據(jù)以及20 bit全“0”數(shù)據(jù)構(gòu)成的CW，得出經(jīng)Matlab計(jì)算的編碼結(jié)果如圖5所示，其中校驗(yàn)碼符號(hào)以十進(jìn)制數(shù)來表示，高符號(hào)位數(shù)據(jù)處于每一行的左側(cè)。在進(jìn)行硬件仿真時(shí)，利用Verilog語言，基于Modelsim仿真軟件，CW的構(gòu)造也由8 450 bit全“1”數(shù)據(jù)以及20 bit全“0”數(shù)據(jù)構(gòu)成，硬件仿真的部分結(jié)果如圖6所示，由于校驗(yàn)碼符號(hào)過多，因此只顯示了部分低符號(hào)位的校驗(yàn)碼符號(hào)與第174至175符號(hào)位的校驗(yàn)碼符號(hào)。

對(duì)比算法仿真與硬件仿真的結(jié)果可以看出，兩者的RS(1 023,847)編碼結(jié)果相同，表明硬件電路的邏輯功能正確。

圖5 Matlab編碼仿真結(jié)果

圖6 Modelsim編碼仿真結(jié)果

3.2 電路時(shí)序與資源分析

利用基于Stratix10芯片的邏輯綜合工具對(duì)設(shè)計(jì)的編碼電路進(jìn)行綜合，得出該編碼電路最高時(shí)鐘頻率已經(jīng)達(dá)到390.625 MHz，表明該電路可以滿足25 G EPON子通信系統(tǒng)對(duì)編碼器在時(shí)鐘頻率上的要求。

另外，對(duì)本編碼電路的資源消耗數(shù)進(jìn)行分析。由于本電路基于的FPGA芯片的基本單元庫(kù)為可編程邏輯單元(Adaptive Logic Module,ALM)，每個(gè)ALM包括1組查找表、2個(gè)寄存器、2個(gè)加法器和一些其他布線。編碼模塊的邏輯資源消耗以ALM為單位來表示。根據(jù)編碼模塊綜合結(jié)果可以得出，編碼模塊的總資源占用為17 884個(gè)ALM。而Stratix10芯片可用的ALM數(shù)為933 120個(gè)ALM，25 G EPON子通信系統(tǒng)給RS編碼器分配的資源占用率為3%，所提設(shè)計(jì)電路的資源占用率為1.91%，符合25 G EPON子通信系統(tǒng)的要求，也符合100 G EPON通信系統(tǒng)的要求。

將所提設(shè)計(jì)的RS(1 023,847)編碼電路與10 G EPON通信系統(tǒng)中所采用的RS(255,223)編碼電路的性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種RS編碼器的性能對(duì)比

從上述對(duì)比結(jié)果可知，所提設(shè)計(jì)的編碼電路具有更大的數(shù)據(jù)吞吐率，可應(yīng)用于更高速的通信系統(tǒng)，糾錯(cuò)能力更強(qiáng)，幾乎是RS(255,223)編碼器糾錯(cuò)能力的7倍，在相同的誤幀率情況下，設(shè)計(jì)的編碼電路可以帶來更高的編碼增益，并且，編碼電路的最大時(shí)鐘頻率也大于RS(255,223)編碼器的最大時(shí)鐘頻率。設(shè)計(jì)的編碼電路在性能方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，在資源占用方面，僅僅為RS(255,223)編碼器的10倍，相對(duì)而言，設(shè)計(jì)的編碼電路具有更加良好的性能。

3.3 編碼器的硬件測(cè)試

在FPGA的實(shí)際測(cè)試中，設(shè)計(jì)了RS(1 023,847)碼的性能測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 性能測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

測(cè)試平臺(tái)由數(shù)據(jù)測(cè)試儀和光衰減器，以及包含EPON電路的OLT芯片與ONU芯片等設(shè)備構(gòu)成。1個(gè)OLT設(shè)備與4個(gè)ONU設(shè)備同時(shí)通信。測(cè)試過程中利用數(shù)據(jù)測(cè)試儀生成待編碼數(shù)據(jù)并發(fā)送到OLT設(shè)備中，數(shù)據(jù)經(jīng)過OLT設(shè)備后，進(jìn)行RS(1 023,847)編碼運(yùn)算后輸出，輸出后的數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至光衰減器，再?gòu)墓馑p器到1號(hào)與4號(hào)ONU設(shè)備，每個(gè)ONU設(shè)備對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，最終把譯碼糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)測(cè)試儀，數(shù)據(jù)測(cè)試儀將接收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析每個(gè)25 G EPON通信子系統(tǒng)的誤碼情況。若RS編譯碼器具有良好的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力，達(dá)到系統(tǒng)要求的編碼增益，則表明本編碼器具有正確的邏輯功能，并且符合高速EPON系統(tǒng)的要求。

具體的測(cè)試方法為，利用數(shù)據(jù)測(cè)試儀向OLT發(fā)送固定幀長(zhǎng)為64的數(shù)據(jù)，OLT將數(shù)據(jù)傳輸至每個(gè)ONU，ONU將數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)測(cè)試儀來分析誤碼情況。光衰減器用來調(diào)節(jié)光功率，可以改變OLT至ONU傳輸過程中的誤碼率。整個(gè)測(cè)試過程分為兩步。第一步，關(guān)閉帶有FEC糾錯(cuò)功能的RS編譯碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試從10-8到10-2等不同數(shù)量級(jí)的誤幀率(Frame Error Rate)水平情況下信噪比數(shù)值。第二步，開啟帶有FEC糾錯(cuò)功能的RS編譯碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，測(cè)試過程與第一步一致。

對(duì)用上述測(cè)試方法測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出4個(gè)25 G EPON通信子系統(tǒng)接收的光功率-誤幀率結(jié)果，如圖8所示。其中，F(xiàn)EC1、FEC2、FEC3、FEC4等4條折線分別表示在開啟FEC功能的情況下，OLT與第1、第2、第3和第4號(hào)ONU同時(shí)進(jìn)行通信時(shí)，信道在不同誤幀率情況下的信噪比數(shù)值；NO FEC1、NO FEC2、NO FEC3、NO FEC4等4條折線分別表示在關(guān)閉FEC的情況下，信道在不同誤幀率情況下的信噪比數(shù)值。

圖8 實(shí)際測(cè)試的信噪比-誤幀率結(jié)果

從圖8可以看出，對(duì)于4條子通信線路，在相同誤幀率的情況下，開啟FEC能帶來明顯的編碼增益，所設(shè)計(jì)的RS(1 023,847)編譯碼器可以明顯地改善4條通信線路的信號(hào)傳輸質(zhì)量，在誤幀率達(dá)到1×10-7時(shí)，開啟FEC可以帶來平均8.0 dB的編碼增益，能夠滿足100 G EPON系統(tǒng)對(duì)糾錯(cuò)能力需求。

4 結(jié)語

提出了一種適合于100 G EPON系統(tǒng)的通用RS編碼器的設(shè)計(jì)方法。由4路25 G子系統(tǒng)構(gòu)成100 G 通信系統(tǒng)。綜合考慮碼型性能和糾錯(cuò)能力，選用RS(1 023,847)作為編碼器的碼組。提出了一種通用的編碼電路并行度計(jì)算方法，根據(jù)編碼器參數(shù)與輸入數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過計(jì)算電路并行系數(shù)進(jìn)而計(jì)算編碼電路的并行度。通過選擇合適的并行度，提出了適合于25 G EPON子系統(tǒng)的RS(1 023,847)的高速編碼器設(shè)計(jì)方案，4路編碼器同時(shí)工作，利用多路切換技術(shù)、數(shù)據(jù)并行化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種由4路25 G EPON子系統(tǒng)構(gòu)成的100 G EPON通信系統(tǒng)的高速RS編碼器。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)編譯碼器的數(shù)據(jù)吞吐率和糾錯(cuò)能力滿足100 G EPON系統(tǒng)要求。