EPON物理层关键技术及其实现

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简要介绍了EPON物理层，对其中的突发光功率控制、突发接收判决门限恢复、突发时钟同步等关键技术进行了讨论，并给出了实用的解决方案。       1  引言
    随着网络业务的不断发展，在骨干网不断提速扩容的同时，接入网越来越成为高速信息网络的瓶颈。无源光网络(PON)正是解决接入网问题的方法之一，EPON避免了异步转移模式(ATM)复杂和昂贵的设备，和以太网实现无缝连接，成为传输IP数据的最佳平台，是实现真正的三网合一的解决方案。本文将简要介绍EPON技术，对其物理层(主要是PMD层)的关键技术做出讨论，并给出解决方案。
    2  EPON物理层关键技术
    2.1突发数据发送
    EPON的点对多点(P2MP)的特殊结构和时分多址（TDMA)的接入方式决定了ONU发送机工作在突发发送的模式下。这就对激光器的响应速度，更重要的是对发射机输出光功率控制电路提出了新的要求。传统APC电路针对连续传输设计，其偏置电流在整个传输过程中恒定不变。然而在突发模式中，激光器被不断地打开和关闭，其偏置电流必须能快速地响应变化。否则很可能在直流偏置还没有调整到指定值之前，ONU的发送已经结束，激光器又要关闭，直流偏置重新归零，这导致自动功率控制回路无法正常工作。
    因此，传统连续模式的自动功率控制回路是无法正常工作在突发模式下的。针对这种情况提出两种解决方案：
    方案一是采用数字APC电路的方法。在每个ONU突发发送期间特定时间点对激光器的输出光信号进行采样，根据激光器输出光功率的具体样值，按一定的算法对激光器的直流偏置进行调整。采样值在两段数据发送时间间隔内保存，这就解决突发模式下的自动功率控制问题。但是数字APC存在一些缺点，如它需要一个微控制器的参与，并需要一块高速的RAM，不利于模块的集成，且对微控制器的速率要求较高。
    方案二是对传统连续模式自动功率控制电路进行修改，使其能工作于突发模式之下。连续模式的自动功率控制回路之所以不能正常工作在突发模式下，是由于当激光器关闭时，直流偏置切断，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路已丢失了原来的状态，直流偏置呈现不连续的变化。只要能在激光器关闭期间保持自动功率控制回路的状态不变，当激光器被重新打开时，自动功率控制回路就能在前一个突发间隔结束状态的基础上继续进行工作，直流偏置的变化将是一个连续的过程，因而自动功率控制回路将能稳定工作在突发模式下。
    自动功率控制回路主要是通过一个模拟开关和一个运放来实现。图中模拟开关COM引脚连接激光器APC控制的反馈回路，IN引脚连接激光器的控制信号，低电平时选通激光器。当输入信号IN为高电平时，输出COM与输入NO连通；当输入信号为低电平时，输出COM与输入NC连通。通过利用运放近似无穷大的输入阻抗，在激光器关闭期间来保持电容CAPC上的电荷不被释放掉，同时保持激光器CAPC引脚的电压不变，从而实现在激光器关闭时，“记忆”自动功率控制回路的直流偏置值来满足突发工作要求。
    经过实验比较，使用激光驱动芯片自带的Enable引脚开关激光器典型值为：打开延迟250ns，关断延迟34ns。而通过方案二所示的APC稳定电路控制激光器直流偏置，激光器从截至状态过渡(光功率为0)到打开状态(光功率稳定)需要约10ns，从稳定的打开状态到截至状态仅需要5ns，完全满足1.25Gb/s速率下突发传送的要求。
    方案二结构简单、效果好，并易于集成。
    2.2突发数据接收
    在EPON系统中，上行数据流由各个ONU以突发形式到达OLT。由于突发信号的不确定性，0码和l码在整个上行信道上的不均衡性以及每个ONU和OLT之间的不同传输距离等各种因素造成各个OLT接收到的各个ONU的信号强度各不相同。在极限情况下，从最近ONU发来的代表0信号的光强度甚至比从最远ONU传来的代表l信号的光强度还要大。为了正确恢复出原有数据，OLT必须根据每个ONU的信号强度实时调整接收机的判决门限。
    现有的突发模式接收机分为直接耦合方式和交流耦合两大类。
    直流耦合模式的基本构思：依据接收的突发信号，通过测量其光功率而做出相应的调节。根据反馈方式不同又可以分为自动增益控制(后向反馈模式)(如图4)和自动门限控制(前向反馈模式)两种方式。直流耦合模式接收机在整个信元时间内动态调整判决电平，如果为了提高传输效率而减小自适应阀值控制电路放电时间，但这样会使误码性能下降，因此会引入传输容量代价，而且在一个信元时间内阈值的抖动也会引入灵敏度代价。如果通过在信头插入一定的比特位来确定判决阈值，则引入了传输容量代价，并且噪声对阈值的影响会引入灵敏度代价。
    交流耦合模式的基本构思：由于接收到的高速数据流被看做是高频信号的话，前后两个数据流之间平均功率的变化可以认为是低频信号，因此，只需要一个高通滤波器滤除低频信号就可以完成判决门限恢复。经过交流耦合的信号即转换成可以用0电平作为门限电压的信号。采用交流耦合方式的系统相对直流耦合方式将会付出约1.5dB的灵敏度代价。
    在交流耦合模式接收机中，信号经过电容耦合并放大后，由微分器滤除直流分量，通过一个RS触发器恢复出原来的数据。
    不管采用哪种模式，突发接收会都对系统性能造成一定影响，相对于传统连续模式光接收机将付出一定的光功率代价。在突发接收过程中，对系统性能造成影响的因素主要有两个：一是接收机中固有高斯噪声影响了判决门限的判定，使其偏离最佳值，进而造成接收灵敏度损失；第二个因素来源于接收机中门限检测电路的有限的充放电时间常数。
    2.3突发时钟恢复
    EPON中OLT端的接收机必须工作在突发模式下。因此，突发模式下的高速时钟和数据恢复技术就成为其关键技术之一。传统的锁相环虽然能应用于GHz数量级的系统中，但是其同步时间较长，不能满足突发模式下的高速时钟同步的要求。突发模式下的时钟恢复技术可总结为时间上的附加抽样和空间上的附加抽样两大类。
    时间上的附加抽样法，即用一个更高速的时钟，由对数据抽样所得的图案和已知图案比较，从而得到同步时钟。但是对G比特级别的数据来说，需要一个达到约5G的采样速率，使得这种方案相当难实现。
    相对来说，使用多路时钟进行空间上的附加抽样要简单得多，也易于实现。