Westsächsische Hochschule Zwickau
Fachbereich Elektrotechnik

Konzipierung und Realisierung einer Ethernet-Anbindung für OFDM-Funkübertragungssysteme

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades

Diplomingenieur (FH)

vorgelegt von

Ronny Zavrtak

Inhaltsverzeichnis

Bilderverzeichnis ... VII
Tabellenverzeichnis ... IX
Verzeichnis verwendeter Abkürzungen ... X
Verzeichnis der Begriffe und Definitionen ... XIII

1 Einleitung ... 16
1.1 Motivation ... 16
1.2 Ziel ... 16
1.3 Generelle Herangehensweise ... 17
1.4 Abgrenzung ... 17

2 Ethernet ... 18
2.1 Überblick über IEEE 802.3 und OSI-Modell ... 19
2.1.1 Das OSI Referenz Modell ... 19
2.1.2 Logical Link Control ... 20
2.1.3 Medium Access Control ... 20
2.1.4 Physical Layer ... 21
2.2 Die IEEE 802 Standards und ihre Beziehung zu OSI ... 22
2.2.1 IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection ... 22
2.2.2 IEEE 802.3x Full Duplex/ Flow Control ... 24
2.3 Die Schnittstellen in IEEE 802.3 ... 25
2.3.1 Das Medium Independent Interface ... 25
2.3.2 Das Gigabit Medium Independent Interface ... 25
2.4 Auswahlkriterien für den Übertragungsstandard ... 26
2.4.1 Lösungsansätze ... 26
2.4.2 Berechnung der Übertragungsbandbreite ... 27
2.5 System on Chip (SoC) ... 28
2.5.1 Intelectual Property (IP) ... 28
2.5.2 On-Chip-Bussysteme ... 28

3 Auswahl des Standards und der Hardware ... 29
3.1 Überblick über mögliche Standards und Hardware ... 29
3.2 Entscheidung für eine Realisierungsvariante ... 30
3.3 Umsetzung in die Hardware ... 31

4 Methodische Vorgehensweise ... 32
4.1 Struktureller Entwurf mit Komponenten ... 32
4.2 Entwurfsablauf ... 33
4.2.1 Bedarfsanalyse ... 34
4.2.2 Bedarfsspezifikation ... 34
4.2.3 Designplanung ... 34
4.2.4 Designeingabe ... 35
4.2.5 RTL Simulation ... 35
4.2.6 Synthese ... 36
4.2.7 Platzieren und Routen ... 37
4.2.8 Timing Analyse ... 37
4.2.9 Gate Level Simulation ... 37
4.2.10 Validierung ... 37

5 Implementierung ... 38
5.1 Designplanung ... 38
5.1.1 Modul U01 Syscon ... 40
5.1.2 Modul U02 Ethernet Master ... 40
5.1.3 Modul U03 Ethernet IP Core ... 47
5.1.4 Modul U04 Memory ... 48
5.2 Designeingabe ... 49
5.3 RTL Simulation ... 50
5.3.1 Top-Level-Testbench ... 51
5.3.2 PHY-Chip-Modell ... 51
5.3.3 Modem-Modell ... 52
5.3.4 LVDS-Testbench ... 52
5.3.5 Simulation der Teststrecke ... 52
5.4 Synthese ... 53
5.4.1 Bausteinwahl ... 53
5.4.2 Optimierungskriterien ... 53
5.5 Platzieren und Routen ... 54
5.6 Statische Timing Analyse ... 54
5.7 Validierung ... 54

6 Ergebnisse ... 55
6.1 Simulationsergebnisse ... 55
6.1.1 Simulation verschiedener Modi ... 55
6.1.2 Senden und Empfangen von Paketen verschiedener Größe ... 56
6.2 Synthesereport ... 57
6.3 Place&Route-Report ... 58
6.4 Timing Ergebnisse nach dem Platzieren und Routen ... 58
6.5 Validierungsergebnisse ... 59

7 Schlussbetrachtung ... 61
7.1 Zusammenfassung ... 61
7.2 Ausblick ... 62

Quellenverzeichnis ... LXIII

Anhang ... LXV
A.1 Schaltungsdesign Ethernetschnittstelle ... LXVI
A.2 Stückliste ... LXVII

1 Einleitung
1.1 Motivation
Diese Arbeit wurde im Institut für angewandte Funksystemtechnik (IAF) in Braunschweig im Zeitraum von September 2004 bis Januar 2005 angefertigt. Die Firma IAF führt anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der digitalen Funkübertragung durch.
Für den Aufbau von Experimentalsystemen für Forschungszwecke im Bereich Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Funkübertragungssysteme wurde eine universelle Field Programmable Gate Array (FPGA) Plattform entwickelt. Diese Plattform basiert auf Bausteinen der Firma Xilinx. Im Rahmen zukünftiger Projekte sollen sowohl der Media Access Control (MAC)-Layer als auch der Physical (PHY)-Layer für ein Ethernet Interface implementiert werden. Der Focus soll verstärkt auf integrierbare Lösungen, wie IP Cores, gelegt werden. Dabei wird die nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten zweckmäßigste Lösung gesucht.

1.2 Ziel
Konzeption und Integration eines Ethernet Interface in einen Virtex2Pro FPGA auf dem vorhandenen Prototyping-Board unter Abwägung der Nutzung eines Intelectual Property (IP) Core, der die Aufgabe des Netzwerkcontroller mit MAC- und PHY- Funktionen übernimmt, gegenüber einer Hardwarelösung auf einer Aufsteckplatine. Abbildung 1 zeigt einen möglichen Einsatz des Boards.

Abbildung 1 ist in der Downloaddatei enthalten !

Abbildung 1: Einsatzumgebung FPGA Prototyping-Board
Das Entwicklungsboard der Firma IAF soll als OFDM-Modem für Forschungszwecke eingesetzt werden. Die Ethernetschnittstelle stellt dann die Verbindung zur Außenwelt her.

1.3 Generelle Herangehensweise
1. Einarbeitung in den Standard IEEE 802.3 und in verwandte Normen als Grundlage für das Ethernet.
2. Konzeption und Auswahl der geeigneten Komponenten für die Schnittstelle.
3. Anpassung des Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Design an die Anforderungen der Schnittstelle.
4. Einpassung des gewählten IP Core in das VHDL Projekt unter Nutzung der Entwicklungsumgebung von Xilinx.
5. Überprüfung des funktionalen Verhaltens der Schaltung durch Simulation mittels Testbench und dem Simulator der Firma Model Technology.
6. Synthetisierung des HDL Codes unter Verwendung der Xilinx ISE Entwicklungsumgebung.
7. Überprüfung und Nachweis der Funktionalität am Prototypenboard.

1.4 Abgrenzung
Das zweite Kapitel beschreibt das vorwiegend für Netzwerkkommunikation verwendete Open Systems Interconnection (OSI) Referenz Modell (RM) und die in dieser Arbeit relevanten Schichten. Ausserdem wird der Bezug zum Standard IEEE 802.3 hergestellt. Darauf aufbauend werden Realisierungsvarianten für die Integration der Ethernetschnittstelle mit ihren Unterschieden aufgezeigt.
In Kapitel 3 wird konkret eine Umsetzungsvariante bestimmt, die nachfolgend realisiert wird. Dazu erfolgt die Auswahl der Hard- und Firmware.
Kapitel 4 enthält die methodische Vorgehensweise bei der Entwicklung eines HDL Modells anhand der verwendeten Hilfsmittel und Werkzeuge.
Kapitel 5 macht die Umsetzung des Designs und die Erstellung der Testumgebung am erstellten Design deutlich. Dabei werden die in Kapitel 4 erörterten Schritte abgearbeitet.
Kapitel 6 stellt die Ergebnisse der Simulation, Implementation und Validierung dar.
Kapitel 7 beinhaltet eine Zusammenfassung der Ausführungen und gibt einen Ausblick auf weitere Arbeit.

2 Ethernet
Der momentan am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze ist Ethernet. Er geht auf gemeinsame Spezifikationen von Intel, DEC und Xerox zurück. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten Funknetze (ALOHA) hin.
Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD-Verfahren. Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxkabeln oder paarweise verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern oder anderen Medien. Die Datenrate beträgt typisch 100MBit/s (früher 10MBit/s, gegenwärtig 100 und 1000MBit/s, zukünftig 10GBit/s).

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