EPON物理層關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)

　　摘要　簡要介紹了EPON物理層，對其中的突發(fā)光功率控制、突發(fā)接收判決門限恢復(fù)、突發(fā)時鐘同步等關(guān)鍵技術(shù)進行了討論，并給出了實用的解決方案。

　　關(guān)鍵詞　EPON　突發(fā)發(fā)送　突發(fā)接收　突發(fā)光功率　控制

　　1　引言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，在骨干網(wǎng)不斷提速擴容的同時，接入網(wǎng)越來越成為高速信息網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)正是解決接入網(wǎng)問題的方法之一，EPON避免了異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，和以太網(wǎng)實現(xiàn)無縫連接，成為傳輸IP數(shù)據(jù)的最佳平臺，是實現(xiàn)真正的三網(wǎng)合一的解決方案。本文將簡要介紹EPON技術(shù)，對其物理層(主要是PMD層)的關(guān)鍵技術(shù)做出討論，并給出解決方案。

　　2　EPON物理層關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1　突發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送

　　EPON的點對多點(P2MP)的特殊結(jié)構(gòu)和時分多址（TDMA)的接入方式?jīng)Q定了ONU發(fā)送機工作在突發(fā)發(fā)送的模式下。這就對激光器的響應(yīng)速度，更重要的是對發(fā)射機輸出光功率控制電路提出了新的要求。傳統(tǒng)APC電路針對連續(xù)傳輸設(shè)計，其偏置電流在整個傳輸過程中恒定不變。然而在突發(fā)模式中，激光器被不斷地打開和關(guān)閉，其偏置電流必須能快速地響應(yīng)變化。否則很可能在直流偏置還沒有調(diào)整到指定值之前，ONU的發(fā)送已經(jīng)結(jié)束，激光器又要關(guān)閉，直流偏置重新歸零，這導(dǎo)致自動功率控制回路無法正常工作。

　　因此，傳統(tǒng)連續(xù)模式的自動功率控制回路是無法正常工作在突發(fā)模式下的。針對這種情況提出兩種解決方案：

　　方案一是采用數(shù)字APC電路的方法。在每個ONU突發(fā)發(fā)送期間特定時間點對激光器的輸出光信號進行采樣，根據(jù)激光器輸出光功率的具體樣值，按一定的算法對激光器的直流偏置進行調(diào)整。采樣值在兩段數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔內(nèi)保存，這就解決突發(fā)模式下的自動功率控制問題。但是數(shù)字APC存在一些缺點，如它需要一個微控制器的參與，并需要一塊高速的RAM，不利于模塊的集成，且對微控制器的速率要求較高。

　　方案二是對傳統(tǒng)連續(xù)模式自動功率控制電路進行修改，使其能工作于突發(fā)模式之下。連續(xù)模式的自動功率控制回路之所以不能正常工作在突發(fā)模式下，是由于當(dāng)激光器關(guān)閉時，直流偏置切斷，當(dāng)激光器被重新打開時，自動功率控制回路已丟失了原來的狀態(tài)，直流偏置呈現(xiàn)不連續(xù)的變化。只要能在激光器關(guān)閉期間保持自動功率控制回路的狀態(tài)不變，當(dāng)激光器被重新打開時，自動功率控制回路就能在前一個突發(fā)間隔結(jié)束狀態(tài)的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行工作，直流偏置的變化將是一個連續(xù)的過程，因而自動功率控制回路將能穩(wěn)定工作在突發(fā)模式下。

　　自動功率控制回路主要是通過一個模擬開關(guān)和一個運放來實現(xiàn)。圖中模擬開關(guān)COM引腳連接激光器APC控制的反饋回路，IN引腳連接激光器的控制信號，低電平時選通激光器。當(dāng)輸入信號IN為高電平時，輸出COM與輸入NO連通；當(dāng)輸入信號為低電平時，輸出COM與輸入NC連通。通過利用運放近似無窮大的輸入阻抗，在激光器關(guān)閉期間來保持電容CAPC上的電荷不被釋放掉，同時保持激光器CAPC引腳的電壓不變，從而實現(xiàn)在激光器關(guān)閉時，“記憶”自動功率控制回路的直流偏置值來滿足突發(fā)工作要求。

　　經(jīng)過實驗比較，使用激光驅(qū)動芯片自帶的Enable引腳開關(guān)激光器典型值為：打開延遲250ns，關(guān)斷延遲34ns。而通過方案二所示的APC穩(wěn)定電路控制激光器直流偏置，激光器從截至狀態(tài)過渡(光功率為0)到打開狀態(tài)(光功率穩(wěn)定)需要約10ns，從穩(wěn)定的打開狀態(tài)到截至狀態(tài)僅需要5ns，完全滿足1.25Gb/s速率下突發(fā)傳送的要求。

　　方案二結(jié)構(gòu)簡單、效果好，并易于集成。

　　2.2　突發(fā)數(shù)據(jù)接收

　　在EPON系統(tǒng)中，上行數(shù)據(jù)流由各個ONU以突發(fā)形式到達OLT。由于突發(fā)信號的不確定性，0碼和l碼在整個上行信道上的不均衡性以及每個ONU和OLT之間的不同傳輸距離等各種因素造成各個OLT接收到的各個ONU的信號強度各不相同。在極限情況下，從最近ONU發(fā)來的代表0信號的光強度甚至比從最遠(yuǎn)ONU傳來的代表l信號的光強度還要大。為了正確恢復(fù)出原有數(shù)據(jù)，OLT必須根據(jù)每個ONU的信號強度實時調(diào)整接收機的判決門限。

　　現(xiàn)有的突發(fā)模式接收機分為直接耦合方式和交流耦合兩大類。

　　直流耦合模式的基本構(gòu)思：依據(jù)接收的突發(fā)信號，通過測量其光功率而做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。根據(jù)反饋方式不同又可以分為自動增益控制(后向反饋模式)(如圖4)和自動門限控制(前向反饋模式)兩種方式。直流耦合模式接收機在整個信元時間內(nèi)動態(tài)調(diào)整判決電平，如果為了提高傳輸效率而減小自適應(yīng)閥值控制電路放電時間，但這樣會使誤碼性能下降，因此會引入傳輸容量代價，而且在一個信元時間內(nèi)閾值的抖動也會引入靈敏度代價。如果通過在信頭插入一定的比特位來確定判決閾值，則引入了傳輸容量代價，并且噪聲對閾值的影響會引入靈敏度代價。

　　交流耦合模式的基本構(gòu)思：由于接收到的高速數(shù)據(jù)流被看做是高頻信號的話，前后兩個數(shù)據(jù)流之間平均功率的變化可以認(rèn)為是低頻信號，因此，只需要一個高通濾波器濾除低頻信號就可以完成判決門限恢復(fù)。經(jīng)過交流耦合的信號即轉(zhuǎn)換成可以用0電平作為門限電壓的信號。采用交流耦合方式的系統(tǒng)相對直流耦合方式將會付出約1.5dB的靈敏度代價。

　　在交流耦合模式接收機中，信號經(jīng)過電容耦合并放大后，由微分器濾除直流分量，通過一個RS觸發(fā)器恢復(fù)出原來的數(shù)據(jù)。

　　不管采用哪種模式，突發(fā)接收會都對系統(tǒng)性能造成一定影響，相對于傳統(tǒng)連續(xù)模式光接收機將付出一定的光功率代價。在突發(fā)接收過程中，對系統(tǒng)性能造成影響的因素主要有兩個：一是接收機中固有高斯噪聲影響了判決門限的判定，使其偏離最佳值，進而造成接收靈敏度損失；第二個因素來源于接收機中門限檢測電路的有限的充放電時間常數(shù)。

　　2.3　突發(fā)時鐘恢復(fù)

　　EPON中OLT端的接收機必須工作在突發(fā)模式下。因此，突發(fā)模式下的高速時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)就成為其關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)雖然能應(yīng)用于GHz數(shù)量級的系統(tǒng)中，但是其同步時間較長，不能滿足突發(fā)模式下的高速時鐘同步的要求。突發(fā)模式下的時鐘恢復(fù)技術(shù)可總結(jié)為時間上的附加抽樣和空間上的附加抽樣兩大類。

　　時間上的附加抽樣法，即用一個更高速的時鐘，由對數(shù)據(jù)抽樣所得的圖案和已知圖案比較，從而得到同步時鐘。但是對G比特級別的數(shù)據(jù)來說，需要一個達到約5G的采樣速率，使得這種方案相當(dāng)難實現(xiàn)。

　　相對來說，使用多路時鐘進行空間上的附加抽樣要簡單得多，也易于實現(xiàn)。