（光学工程专业论文）突发式光收发一体模块的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 e p o n 是一种新提出的光接入网方案，该方案结合了以太网( e t h e m e t ) 和无源光 网络( p o n ) 的特点，具备高速率、高可靠性和较低运行成本等优势，是目前宽带接 入网建设的最佳选择。e p o n 系统的基本构成包括一个光线路终端( o l t ) 、多个光网 络单元( 0 n u ) 以及有无源光器件构成的光分配网络( o d n ) 。e p o n 系统的下行信道 以1 4 9 0 r i m 波长为载波，采用1 2 5 g b s 广播方式；上行信道采用1 3 1 0 r i m 波长为载波， 各个o n u 以时分复用的方式共享1 2 5 g b s 的带宽。 本论文论述了e p o n 系统的结构组成以及各个部份的功能，对o n u 端光收发一体 模块的设计从理论上进行了分析，包括对光收发模块中的噪声分析、高速电路布局布 线规范、保持发射机温度一致性等各个方面。在此基础上，讨论了一种e p o n 系统o n u 端用的突发式光收发舍一体模块的设计和实现，该设计包括一个1 2 5 g b s 突发式光发 射机和个1 2 5 g b s 连续模式光接收机。在设计中采用了光通信行业较新的方案，选 择最新的集成电路芯片和光电器件。以通信行业应用为目标，采用标准的s f f 封装。 该设计中的o n u 端光收一体模块，可以实现在o l t 和o n u 之间通过一个光纤实现双 向高速数据传输，且发射机可以适应在突发条件下的工作。特别地，该收发模块采用 一种较新颖的温度补偿方案，通过采用个热敏电位器芯片来调节发射机的调制电流 和偏置电流，有效保证了发射机在- 4 0 + 7 5 c 范围可以正常工作，平均光功率、消光 比等指标基本保持恒定，有效解决了发射机的温度一致性的问题。 论文中还依照i e e e s 0 2 3 a h 标准的要求，利用现有的测试条件设计了较为完善的 测试方案，对上述实现的o n u 端光收发合一模块进行了颡4 试。测试表明，该模块性能 完全达到i e e e s 0 2 3 a h 标准要求，各项指标良好，其性能达到了通信行业应用的水平。 关键词：光接入网e p o no n u 光收发一体模块光发射机光接收机 华中科技大学硕士学位论文 = = 日= i = = 目= e = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = j = = 一一： a b s t r a c t e p o n ，w h i c hi san e w - r a i s e ds o l u t i o nf o ra c c e s sn e t w o r k ，h a st h ec h a r a c t e a so fb o t h e t h e r n e ta n dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( p o n ) i t st h em o s ta 船a c t i v eo p t i o i lf o ra c c e s s n e t w o r kb e c a u s eo fi t sb e n e f i to f h i g l ls p e e d ，h i 曲r e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t e p o ns y s t e mi s c o n s t r u c t e dm a i n l yb y 趿o p t i c a ll i n et e r m i n a l ( o l t ) ，s e v e r a lo p t i c a ln e t w o r ku n i t s ( o n u ) a n da l lo p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ( o d n ) 讹ed o w n s 仃e a mp a t hi s1 4 9 0 n m o p t i c a lc a r r i e rw i t ht h eb r o a d c a s td a t af r o mo l t , w h i l et h eu p s t r e a mp a t hi s1 3 1 0 n mo p t i c a l c a r r i e rw i t ht h eb u r s td a t af r o mt h eo n u s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n f i g u r a t i o n so fe p o na n dt h e i rf u n c t i o n a l i t y , a n d t h e o r e t i c a l l yr a i s e st h ea n a l y s i si nt h eo n ut r a n s c e i v e rd e s i g n i n g ，s u c ha sn o i s e ，p c b r o u t i n ga n dt h e r m a li n d e p e n d e n c y , e t c w h a t sm o r e i tt a l l 【sa b o u tt h er e a l i z a t i o nd e t a i l so f a no n ut r a n s c e i v e r , i n c l u d i n ga1 2 5 g b sc o n t i n u o u s m o d er e c e i v e ra n da1 2 5 g b s b u r s t m o d et r a n s m i t t e r i t ss o l u t i o ni su pt od a t ew i t hn e w e s ti cc h i p sa n dd e v i c e s t h e t r a n s c e i v e rh a ss m a l lf o r mf a c t o r ( s f f ) p a c k a g e e s p e c i a l l y ，at h e r m a lc o m p e n s a t i o nc i r c u i t i se m b e d d e di nt h et r a n s c e i v e rt or e a c hh i g h e rr e l i a b i l i t yw i t h i n - 4 0 。c 一十7 5 t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h em e a s u r e m e n ts o l u t i o n sf o rt h es a i do n ut r a n s c e i v e r m e a s u r e m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h eo n ut r a n s c e i v e rc o m p l i e sw i t lt h ei e e e 8 0 2 3 a h s t a n d a r d sa n dc a nb ea p p l i e di nt h ep r a c t i c a le p o ns y s t e m k e yw o r d s ：o p t i c a la c c e s sn e t w o r ke p o n o n ut r a n s c e i v e rt r a n s m i t t e r r e c e i y e t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王按i 虱 是 日期：埘年7 1 月二弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保武掣 v ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：强i 习1 杲 日期：z 。6 年月2 3 日 指导教师签名：j 耋蘑 吼妒哆日 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 接入网的国内外现状和发展趋势 通信网络由传输网和交换网组成，传输网又可进一步分为核心网和接入网。核心 网经过长期的建设和发展已经实现数字化、光纤化；交换网也基本上实现了程控化、 数字化；而接入网则发展缓慢。接入网是整个通信网络中建设技术复杂、实施难度大、 投资费用高、影响范围大的关键一部分。因此接入网也就成为通信网络中的“瓶颈”， 如何解决好这“最后一公里”的通信问题，成为国际高新技术所关注的焦点“1 。 国际电联给按入网下了具体的定义：接入网( a n ：a c c e s sn e t w o r k ) 是由业务节 点接口( s n i ) 和用户节点接口( u n i ) 之间一系列传送实体( 例如线路设施和传输设 施) 组成。为传送电信业务提供所需传送承载能力的实施系统，可经由q 3 接口进行配 置和管理。其中的传送实体可提供必要的传送承载能力，对用户信令是透明的，可不 作解释嘲。 目前宽带接入技术层出不穷，但总的划分如下： ( 1 ) 基于铜线的接入网：主要目的是充分利用现有的铜线资源。采用先进的数字信 号处理技术来提高双绞线对的传输容量，向用户提供各种接入手段。在光纤接入网尚 未形成或经济条件不允许时，选择x d s l 接入和c a b l em o d e m 等技术，满足接入甚至宽 带接入的需要。 ( 2 ) 基于无线技术的接入网：由于某些紧急情况或地理环境等因素下，敷设有线传 输线工期长、难度很大，此时可考虑采用无线接入技术。 ( 3 ) 基于光纤的接入网：光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要的传输媒质来 实现信息传送的网络形式。光纤接入网可分为有源光纤接入网和无源光纤接入网。由 于无源光纤接入网中无源器件的诸多优点，人们已经把注意力更多的集中在无源光接 入网( p o n ) 上。根据光接入网上传输数据的信息结构，可分为a p o n ( a t mp a s s i v eo f ，t i c a l n e t w o r k ) 和正在兴起的e p o n ( e t h e r n e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ) 。 下面我们将分别来分析、比较基于这3 种传输媒质出现的新技术的优缺点，从而 让我们能够在诸多的技术方案中做出选择并寻找出最终的发展方向。 华中科技大学硕士学位论文 表1 1 各种铜线接入技术之比较 a d s li s d nc a b l em o d e m 技术名称 非对称用户线综合业务数字网电缆调制解调器 传输介质铜线铜线或电缆有线电视电缆 传输距离 3 6 公里5 4 公里 同有线电视网 下行速率1 5 s m b s1 4 4 k b s z m s5 0 0 k b s - - 3 0 m b s 上行速率1 6 6 4 0 k b s 1 4 4 k b s 2 n s6 4 0 k b s - - 1 0 m b s 话音，数据图像话音，数据图像话音，数据图像 适用范围 低清晰活动图像低清晰活动图像广播电视 利用电话网 利用电话网 工程改造 改造有线电视为双向 不需改造线路 不需改造线路 经济性廉 廉 由 l 发展最快，具有代表性。a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 即非对称 用户线，用户的上行和下行速率不同，上行速率较低，下行速率则较高，特别适合传 输多媒体信息业务。a d s l 采用了正交调幅( q a m ) 、无载波幅度相位调制( c a p ) 、离散 多音频调制( d m t ) 等调制技术，上下行信号采用频分复用方式，实现了在一对普通电 话线上实现宽带接入的方案。其最大的优点是充分利用了现有电话网中的电话线。 c a b l em o d e m 技术则可以充分利用接入到家庭中的c a t v 电缆。但是a d s l 和c a b l e m o d e m 在技术上仍然存在一些问题需解决。 对a d s l 而言，它所能提供的最高速率( 8 m ) 受线路速率和线路质量的影响较大， 信号从电信服务商的机房发送到用户家庭过程中迅速衰减，并且达到5 公里后就微弱 到无法保证可靠的连接。另外，使用中的电话线存在不同程度的老化、线间串扰、回 串噪声、插入损耗等问题。进而导致电话线的选线率不高”。 对c a b l em o d e m 而言，原有的c a t v 网络只提供广播业务，大都为单向网络，为实 现双向通信，需要有双向分配放大器、双向虑波器、双向干线放大器。这是一笔可观 的先前投入。其次，c a b l em o d e m 采用模拟频分多路复用技术，而主干网络和交换机为 数字技术，需数模转换，数据来自不同的数据源，同步、网管和信令技术难度大。再 次，h f c 接入系统为树型结构，同轴的带宽是所有用户共用的，而且还有一部分带宽霈 一一 华中科技大学硕士学位论文 要用于传送电视节目，由于数据通信的带宽受到限制，目前一般一个同轴网络内至多 连接5 0 0 个用户，另外树型结构使上行信号存在噪声积累。h f c 网络的安全性、系统的 健壮性等问题也有待进一步解决和完善。i e e e 8 0 2 1 4 小组正在制定h f c 的物理层和m a c 层标准”1 。 我们应该看出，基于铜线的技术固有的不足一铜线的带宽毕竟有限，当信息量进 一步增大，高清晰度图像业务、多媒体业务进一步普及和发展时。基于铜线的接入技 术的带宽瓶颈效应将暴露出来。因此，基于铜线的技术并非长久之计。但在基于光纤 的接入网发展成熟及普及之前，它仍会长时间是家庭宽带接入的主流技术。 基于无线的宽带接入技术主要有l m d s 和d b s 卫星接入技术。 l m d s 的英文全称叫l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ，中文含义叫本地 多点分配业务。这是一种微波的宽带技术，由于工作在较高的频段( 2 4 g h z - 3 9 g h z ) ， 因此可提供很宽的带宽( 达1 g h z 以上) ，被喻为“无线光纤”技术，可在较近的距离 实现双向传输话音、数据图像、视频、会议电视等宽带业务，并支持a t m 、t c p i p 和 m p e g2 等标准。l m d s 采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划 分为若干服务区，每个服务区内设基站，基站设备经点到多点无线链路与服务区内的 用户端通信。每个服务区覆盖范围为几公里至十几公里，并可相互重叠。无线接入分 为移动无线接入和固定无线接入。移动无线接入就是我们熟悉的移动电话接入等，用 户是可移动的，而固定无线接入与此正好相反，用户基本是固定不动的。按照这样的 分类标准，l m d s 属于无线固定接入手段，而它最大的特点在于宽带特性和使用非常方 便。由于l m d s 具有更高带宽和双向数据传输的特点，可提供多种宽带交互式数据及多 媒体业务，克服传统的本地环路的瓶颈满足用户对高速数据和图像通信日益增长的 需求，因此是解决通信网接入问题的利器。l m d s 的典型覆盖范围为3 5 k m ，而且l m d s 工作在毫米波波段，信号波长尺寸与雨滴大小可比，降雨对信号传输影响很大，雨衰 严重。据统计，降雨量2 5 m m d x 时，l m d s 信号衰减达8 1 5 d b k m ；而对于3 5 g h z 无线 信号，其衰减低于0 1 d b k m ，因此l m d s 不适用于降雨量大的地区，而3 5 g h z 固定无 线接入则无此顾虑。l m d s 由于系统容量很大，每个远端站可有限高( 上百m b p s 的数量 级) 的业务带宽，因此对c p n 或c p e 提供的业务颗粒也较大，l m d s 一般在用户端可提供 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 e 1 电路仿真、l o l o o b a s e t 、e l 子速率等接口对普通电话业务的支持一般要以e 1 电路仿真加p b x 的方式来提供通道。“。 d b s 技术也叫数字直播卫星接入技术，该技术利用位于地球同步轨道的通信卫星将 高速广播数据送到用户的接收天线，所以它一般也称为高轨卫星通信。其特点是通信 距离远，费用与距离无关，覆盖面积大且不受地理条件限制，频带宽，容量大，适用 于多业务传输，可为全球用户提供大跨度。大范围、远距离的漫游和机动灵活的移动 通信服务等。在d b s 系统中，大量的数据通过频分或时分等调制后利用卫星主站的高 速上行通道和卫星转发器进行广播，用户通过卫星天线和卫星接收m o d e m 接收数据， 接收天线直径一般为0 4 5 m 或0 5 3 m 。d b s 主要是广播系统，用户的回传数据则要通过 电话m o d e m 送到主站的服务器。由于数字卫星系统具有高可靠性，不像p s t n 网络中采 用双绞线的模拟电话需要较多的信号纠错，因此可使下载速率达到4 0 0 k b i t s ，而实际 d b s 广播速率最高为1 2 m b i t s 。目前，在美国已经可以提供d b s 服务，主要用于因特 网接入，其中最大的d b s 网络就是休斯网络系统公司的d i r e c t p c 。该产品实际就是小 口径卫星终端( v s a t ) 产品，其用户通过一个碟形无线、一块卫星接入卡及相应的软 件接收从通信卫星传来的信号。d i r e c t p c 的数据传输也是不对称的，在接入因特网时， 下载速率为4 0 0 k b i t s ，上行速率为3 3 6 k b i t s ，这一速率虽然比普通拨号m o d e m 提 高不少，但与d s l 及c a b l em o d e m 技术仍无法相比。 对这两种无线传输技术来说，l m d s 虽然其带宽很宽但其传输距离在3 5 k m ，并具 有受外界气候因素的影响。而d b s 它的带宽下行为4 0 0 k b s ，上行为3 3 6 k b s 是无法 满足宽带接入的要求的。因此这两种无线接入方案不会成为接入的主流技术1 t 2 3 o 无线接入的另一个用途是在家庭内组网或短距离内组成微网的应用( 实际上这属 于用户驻地网的范畴) 。虽与我们所定义的常规接入网已有区别但出于对接入方案的完 整性考虑，本文在这里略加阐述。 对于计算机和各种外设之间的连线在家庭和办公室的四处蔓延，使得人们想到寻 找基于无线的接入解决方案，人们首先想到了利用红外线，但是红外线的通信距离在 1 m 且需要通信双方直视角度，红外线的穿透能力有限，因此人们寻找一种通信范围更 广，应用更灵活的解决方案。一种被称为蓝牙技术诞生了。蓝牙是一种用于p c 、移动 华中科技大学硕士学位论文 电话和其它便携设备间的低成本的通信技术，是一种无线通信和无线网络的全球技术 规范a 蓝牙的初衷是为了取代计算机、外设和其它电子设备之间的通信电缆。其无线 连接有l o m 的范围，但是在适当加装功率放大器后，通信距离可以扩展到l o o m 左右。 除了具有摆脱电缆束缚的优点外，蓝牙还能够在设备进入通信范围内时就自动建立 起通信，它不需要用户去打开一个应用或按按钮以激活一个进程。事实上，蓝牙的主 要优点之一是，它不需要人工的建立过程，它总在后台运行，并保持着通信。同时蓝 牙设备的通信不要求彼此间的直视信道。与红外相比，蓝牙设备发出的信号可以穿透 墙体和公事包。因此蓝牙将是短距离移动通信的精英。概括起来蓝牙技术是由移动通 信公司与移动计算公司联合起来开发的传输范围约为1 0 米左右的短距离无线通信标 准，用来设计在便携式计算机、移动电话以及其他的移动设备之间建立起一种小型、 经济、短距离的无线链路。蓝牙协议能使包括蜂窝电话、掌上电脑、笔记本电脑、相 关外设和家庭h u b 等包括家庭r f 的众多设备之间进行信息交换。蓝牙应用于手机与计 算机的相连，可节省手机费用，实现数据共享、因特网接入、无线免提、同步资料、 影像传递等。 h o m e r f 主要为家庭网络设计，旨在降低语音数据成本。为了实现对数据包的高效 传输，h o m e r f 采用了i e e e 8 0 2 1 1 标准中的c s m a c d 模式，它与c s m a c d 类似，以竞争 的方式来获取对信道的控制权，在一个时间点上只能有一个接入点在网络中传输数据。 不像其他的协议，h o m e r f 提供了对流业务( s t r e a mm e d i a ) 的真正意义上的支持。由 于对流业务规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制，这样就确保了实 时性流业务所需的带宽和低干扰、低误码。h o m e r f 工作在2 4 g h z 频段，它采用数字跳 频扩频技术，速率为5 0 跳s ，共有7 5 个带宽为1 m i t z 跳频信道。调制方式为恒定包络 的f s k 调制，分为2 f s k 与4 f s k 两种。采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干 扰和衰落。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为1 m b s ，4 f s k 方式下，速率可达2 m b s 。 最新版h o m e r f 2 x 中，采用了w b f h ( w i d eb a n df r e q u e n c yh o p p i n g ) 技术来增加跳频带 宽，从原来的1 m h z 增加到3 h l z 、5 m h z ，跳频的速率也增加到7 5 跳s ，当然其数据峰值 也高达l o m b s ，接近i e e e 8 0 2 1 l b 标准的1 1 m b s ，能满足未来的家庭宽带通信。它能根 据数据传输速率动态调整跳频带宽。 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = z ；日= = ；= = = t 目= = = = = = 4 = = = = 一 概括起来说蓝牙技术适用于通信距离在l o m 以内的设备之间的互连；h o m e r f 主要 为家庭网络设计的。”“ 1 5 2 。 我们所探讨的接入网主要是从用户的家庭或住宅区、商业区如何来接入到主干网 络中。现在用户家庭的接入主要利用基于铜线的解决方案。但基于铜线的技术有其固 有的不足一一铜线的带宽毕竟有限，当信息量进一步增大，高清晰度图像业务、多媒 体业务进一步普及和发展时。基于铜线的接入技术的带宽瓶颈效应将暴露出来。而光 纤无穷的带宽潜力和远距离的传送能力、安全可靠的传输性能是其它传输媒质所无法 比拟的。人们很早就提出了光纤到家庭( f t t h ) 的设想，即将光纤一直铺设到用户家 庭。从长远来看，光纤巨大带宽的传输能力使其成为理想的传输媒质，但f t t h 的构造 成本太大，还不到时机。这里有两个问题。第一，广大用户要承担光纤到家的安装费 用。这里包括铺设光缆的费用和安装在用户家中的光端机等接口设备的费用，以及应 交给电信公司的月租费等。第二，现在很多用户还不迫切需要使用这样大的带宽。目 前i n t e r n e t 或各地区信息网络所能够提供的信息也并非必须使用光纤。但随着信息量 的增加，信息服务种类的增多，f t t h 应是今后的一个发展方向。 在向f t t h 迈进的过程中，我们只能一步一步迈进，将光纤一步一步推向用户侧， 人们提出了光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到大楼( fttb ) 、光纤n 4 , 区( fttz ) ， 光纤到路边( f t t c ) 的解决方案。最终向f t t h 演进“”“”。 1 2 光接入网的发展状况和技术优势 随着光纤接入网逐渐实现f t t b c 并最终达到光纤到家庭( f t t h ) 的发展，就现阶 段来说光纤接入网中较有发展前景的是光纤到路边( f t t c ) 。光网络单元( o n u ) 设置 在路边或电线杆上的分线盒处，从o n u 到各个用户之间仍利用原有的双绞线对，从交 换机到o n u 之间则采用无源光网络( p o n ) 或有源光网络( a o n ) 。光纤接入网分为有源 接入和无源接入，基于s d n 或p d h 的光纤接入是有源接入，基于p o n 的接入是无源接入。 无源光网络( p o n ) 最初由b t 试验室人员在1 9 8 7 年提出的。经过十几年的发展， 基于p o n 的接入方案也相对成熟了起来，无源光网络是指光信号在传输过程中，不再 经过放大和再生，网络的分路由无源光功率分配器来实现的网络。p o n 本身是一种多用 户共享系统，即多用户共享同一局端设备、同一馈线段光缆和同一光分路器，成本较 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；e = = = = = _ = = = 2 $ 2 4 t = t j = i = = = = = 。= = 一= = j = ：= ： 低。与有源光网络( a o n ) 相比，其安装、开通和维护运营成本大为降低，加之p o n 能 够提供透明宽带的传送能力，因此电信运营商都愿意采用p o n 作为光纤接入网改造的 基本方式。具体来说p o n 本身所具有的优势如下： ( 1 ) 灵活的组网结构。p o n 可组成总线型、分支型、树型等多种拓朴结构，特别适 合接入网复杂多变的地形结构。 ( 2 ) 节省光缆资源。p o n 晟典型的网络拓朴结构为树形分支状，主系统只采用对 光纤甚至一根光纤，与接入网大量采用星形拓朴结构相比，实旌基于树型拓扑的p o n 系统可以节省光缆资源。在光纤馈线段及光线路终端( o l t ) 设备共享，节约了成本。使 得基于光纤的接入网在经济上成为可能。 ( 3 ) 系统安装维护成本低。由于p o n 的传输环节采用无源的分路器件，故障率低， 维护量少；无需专门建设机房和提供供电系统，基于f t t h 的p o n 在系统运营和降低建 设成本方面具有明显优势。 ( 4 ) 综合的业务接入平台。在目前的宽带接入手段中，p o n 是为数不多的可提供综 合业务接入的技术之一。a p o n 可提供所有业务的综合接入；e p o n 产品除i p 业务外， 也可利用p o n 特有帧结构来支持传统的t d m 电路业务的接入。p o n 采用光分配网络， 它与数字视频的传输方式吻合。有利于数字视频业务及广播业务的传送。同时，p o n 本身是基于光纤的接入网，它巨大的带宽为综合业务的接入提供了保障。 ( 5 ) 良好的用户扩展能力。p o n 采用一个局端o l t 带多个o n u 的组网结构，每增加 用户节点时，无需重新调度全程光纤，无需增加局侧设备接口，只在用户端增加设备 即可实现用户扩容，具有较强的可扩展能力。 ( 6 ) 光分配网中的无源光期间为各用户共享，降低了系统的成本。 无源光网络经历了从窄带p o n 到宽带p o n 的发展历程。9 0 年代初期，已有厂商推 出了窄带p o n 的产品，窄带p o n 是利用p o n 来传送传统的窄带业务。在1 9 9 6 年5 月， 第一个有关无源光网络的标准i t u tg 9 8 2 ( 1 3 ) 获得通过，但是由于各厂商推出设备 在先，该标准无法对物理层等一些重要参数做规定，厂商设备之间无法互通。窄带p o n 主要提供2 m 以下业务，用户业务接口主要有p 0 r r s i s d n ，f r ，d d n ，e l t 1 等。窄带p o n 产品作为p s t n 和窄带数据的传输系统，在欧州和日本已有超过6 0 0 万线用户，我国也 华中科技大学硕士学位论文 ；= ；= = = = = = = = = = = = 昌= 譬= 岩= = 鲁逝军= 昌= 昌= = = = = 暑= ： 使用了1 5 0 万线。但随着接入网宽带化、综合化需求不断提高，窄带p o n 已不能满足 网络需求“”“”。 与此同时。随着基于以太网的局域网在市场上的巨大成功，以及快速以太网、g 比特以太网和i o g 以太网逐渐成为主流。在接入网领域人们也就把目光越来越集中在 基于以太网网的无源光网络上。无源光以太网( e t h e r n e tp o n ) 的开发是由a 1 l o p t i e 等新公司推动的，a 1 l o p t i c 坚信e t h e r n e tp o n 会消除w a n l a n 连接中a t m 和i p 之间 的协议转换。h l l o p t i e 公司最初开发了f t t b 和f t t c ，长期发展策略是实现数据、视 频和话音在单一平台f t t h 上传输。e t h e r n e tp o n 比a p o n 具有更宽的带宽、更低的费 用和更宽的业务功能，其结构也与g 9 8 3 建议的很多方面相似。在2 0 0 0 年1 2 月，一 些i e e e 赞助的以太网供应商小组( e f m 研究组) 放弃了他们原有的标准化工作，新的 研究组致力于开发接入网市场广泛使用的以太网协议标准( 3 0 ) 。包括3 c o m 、a l l o p t i c 、 a u r an e t w o r k s 、c d t m o h a w k 、c i s c o 、d o m i n e ts y s t e m s 、i n t e l 、w o r l d c o m 和w o r l dw i d e p a c k e t s 等6 9 家公司加入了这个研究组。 e t h e r n e tp o n 的经济学考虑非常简单，光纤是传输数据、视频和语音业务最有效 的媒介，能提供无限的带宽。但是将每个用户与端局之间实现点对点光纤连接，在光 纤的两端安装有源电设备，在端局实现所有光纤连接的管理，其费用巨大，无法承受。 e t h e r n e tp o n 克服了点对点的弊端，转而采用点对多点拓扑，不需要诸如再生器、放 大器和激光器等电子器件，减少了端局使用的激光器数量。点对点光纤技术适用于城 域网和长距离应用，e t h e r n e tp o n 适用于按入网的特殊要求。e t h e r n e tp o n 比其他接 入网技术更为简单，效率高，费用低。e t h e r n e tp o n 将光纤延伸到最后一公里，从而 获得高效、高可扩性、低维护费用、端到端的光网。 e t h e r n e tp o n 最大的优越性在于允许运营商放弃复杂昂贵的a t m 和s o n e t 器件， 从而使网络大为简化。传统的电信网使用多层结构，i po v e ra t m 、s o n e t 和w d m 。这 种结构的网络要传输i p 业务，需要使用a t m 交换机来构成虚链路，使用分插复用器和 数字交叉连接设备管理s o n e t 环和点对点的w d m 光连接a e t h e r n e tp o n 与a t mp o n 的关键区别在于e t h e r n e tp o n 数据是通过不定长的数据 包传输，e t h e r n e tp o n 数据包长度依照i e e e8 0 2 3 以太网协议，最长可达1 5 1 8 字节， 华中科技大学硕士学位论文 而a t m 协议规定的数据包长度为固定长度5 3 字节，其中4 8 字节信息段，5 字节信头。 定长的a t mp o n 传输i p 业务比较困难，效率也低。i p 数据分段为不同长度的数据包， 最高为6 5 5 3 5 字节。用a t mp o n 传输i p 业务必须将i p 包拆为4 8 字节的段，在每段前 面加上5 字节的信头。这个复杂过程会造成时延，而o l t 和o n u 也会增加额外的成本。 另外，每4 8 字节的数据段就消耗掉5 字节的信头带宽，而以太网是专为i p 业务开发 的，相对于a t m 来说可以节省巨大的信头开销。 e t h e r n e tp o n 还处于商业开发的起始阶段，尽管a t mp o n 在市场上略微领先，但 目前的趋势是随着数据业务快速增长和快速以太网、g 比特以太网的地位提高，接入网 发展趋势更倾向于e t h e r n e tp o n 。以太网最后公里研究组开发标准的工作已经起步， 这将加快e t h e r n e tp o n 的快速发展和完善。 通信产业已经为主角的转换准备了舞台，结果将出现完全基于广泛使用的光纤和 以太网技术的设备。这种光i p 以太网结构将会成为在单一网络中捆绑传输话音、数据 和图像业务的主要方式。同时，这一技术会产生新的合作和战略伙伴，内容提供商、 业务提供商、网络运营商和设备制造商都将使用e t h e r n e tp o n 这种前所未有的方式传 输通信业务加2 “”1 。 l 。3e p o n 系统结构和关键技术 图l 。le p o n 系统的结构组成 ( 1 ) e p o n 系统结构组成 如图1 1 所示，e p o n 由光线路终端( o l t ) 、光分配网( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 9 华中科技大学硕士学位论文 z = = = = = = 日= = = = = = = = = = = = = = = 自= = = = = t = = = = 组成，通常采用树形拓扑结构。o l t 放景在中心局端，分配和控制信道的连接，并有实 时监控、管理及维护功能。o n u 放置在用户侧，o l t 与o n u 之间通过o d n 连接。e p o n 使用波分复用( w d m ) 技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长 在同一根光纤中传送。e p o n 只在i e e e 8 0 2 3 的以太数据帧格式上做必要的改动，如在 以太帧中加入时戳( t i m es t a m p ) 、p o n i d 等内容下行采用纯广播的方式，注册后， o l t 为已注册的o n u 分配p o n i d ，由各个o n u 监测到达帧的p o n i d ，以决定是否接 收该帧，如果该帧所含的p o n - - i d 和自己的p o n i d 相同，则接收该帧；反之则丢弃。 上行采用时分多址接入( t d 姒) 技术。此外e p o n 还需通过已定义的接口与电信管理网 相连，进行配置管理、性能管理、故障管理及计费管理，完成操作维护管理( o a m ) 功 能。 o l t 的作用是为接入网提供与本地交换机之间的接口，并通过光传输与用户端的光 网络单元通信。它将交换机的交换功能与用户接入完全隔开。o l t 提供对自身和用户端 的维护和监控，它可以直接与本地交换机一起放置在交换局端，也可以设置在远端。 o n u 的作用是为接入网提供用户侧的接口。它可以接入多种用户终端，同时具有光 电转换功能以及相应的维护和监控功能。o n u 的主要功能是终结来自o l t 的光纤，处理 光信号并为多个小企业，事业用户和居民住宅用户提供业务接口。o n u 的网络端是光接 口，而其用户端是电接口。因此o n u 具有光电和电光转换功能。它还具有对话音的 数模和模数转换功能。o n u 通常放在距离用户较近的地方。其位置具有很大的灵活性。 o d n 的作用是在o n u 和o l t 之间传输光信号，为各个o n u 分配从o l t 下行的光功率， 同时把各个o n u 上行的光信号合并到一个光纤中上传给o l t 。o d n 主要的无源元件有单 模光纤和光缆、光纤连接器、无源光分路器( o b d ) 、无源光衰减器、光纤接头等啪1 。 ( 2 ) e p o n 系统的关键技术。 尽管e p o n 有许多优点，但是他的应用首先必须解决一系列的难题。因此e p o n 形 成了自己的关键技术，包括以下几个方面。 1 ) 媒质接入控制( m a c ) 协议 由于p o n 系统是个共享媒质的网络，每个用户会对带宽有不同的要求。因此要求 网络有一个功能强大的m a c 协议，以完成信元时隙分配以及能动态的按照需求分配带 i o 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 宽等功能。m a c 协议要求网络能够对每个用户提出的要求能够公平、高效、高质量的提 供服务，而同时m a c 协议的实现方案要尽可能简单。 2 ) 测距 由于从o l t 到o n u 的物理拓扑结构为树型结构，共享光纤馈线段媒质。因此p o n 系统也属于共享媒质型网络。其传输方式多采用t d m t d m a 方式，采用t d m a 受控方式 接入时，由于各o n u 到达o l t 的距离不同，为了防止不同的o n u 发送的数据在馈线段 发生碰撞，o l t 就要知道各个o n u 与它的距离。测量各个o n u 到o l t 的距离的过程就称 之为测距。测距的目的是使每个o n u 根据自己的实际情况加上一定的时延，使o n u 与 o l t 的逻辑距离相等。测距过程可分为三个步骤，首先是粗测距，之后是静态的精细测 距，最后是时时的动态测距从而调节由于温度、器件老化等原因引起的延时变化。在 g 9 8 3 1 中给出了a p o n 系统中应用的一种测距试验方案。 测距的过程一般是这样的，首先o l t 发出一个测距信息。该信息经过o l t 和o n u 中的电子电路和光电转换及来回两次光纤传输延时，最后到达o l t ，o l t 把收到的传输 延时信号和它发出去的信号相位进行比较，从而获得传输延时值。o l t 以离自己最远的 o n u 的延时为基准，可以算出每个o n u 的延时补偿值t d ，并通知该o n u 。该o n u 在收到 o l t 允许它发送信息的授权后，延时t d 补偿值后再发送自己的信息，这样各个o n u 采 用不同的t d 补偿时延进行调整自己的发送时刻，以便使所有o n u 到达o l t 的时间都相 同。 3 ) 突发同步技术 p o n 上行采用t d m a 方式，由于测距的精度有限，各个o n u 的突发上行信号到达o l t 时的相位会出现超前或滞后现象，为了使o l t 能正确的接收各个o n u 传来的突发数据， 要求o l t 能够迅速恢复出接收到的数据的时钟信号，从而实现比特同步和帧同步，实 现正确的数据接收。在高速电路中，实现突发同步是很难的。 4 ) 具有自动门限调节功能的大动态范围的光接收机 如图1 2 所示。由于每个o n u 到o l t 的路径不同，造成光功率的损耗不同，各o n u 的发送功率也不相同。因此o l t 的接收端必须能够应付从一个突发包到另一个突发包 之间光接收功率的变化。这就要求光接收机要具有很大的动态范围，并且能够自动设 华中科技大学硕士学位论文 置门限，以便正确的判断出“l ”和0 。突发同步技术和自动门限调节技术是设计突 发模式接收机的技术难点。 图12e p o n 系统中的突发数据传输 5 ) 用户的隐私性、安全性 由于p o n 在下行方向信号以广播的方式发送给与此相连的所有的o n u 。每个o n u 可以接收o l t 发送给所有0n u 的信息，因此用户信息存在着不安全性。我们可以通 过对发送给每个o n u 的下行信号单独进行加密来增强用户信息的安全性。其加密过程 可以通过如下步骤完成。o l t 定时地发出要求o n u 更新自己的密钥的命令，o l t 利用每 个o n u 发送来的新密钥对发送给该o n u 的数据信元进行搅动加密，从而保证每个o n e 从接收到所有o n u 的信息中，只能按照自己的密钥译出属于自己的信息，在一定程度上 保证了下行信息安全地到达目的地，确保每个用户( o n o ) 的隐私。为防止有的用户对不 属于自己的信息采用逐个试探的办法进行解密，所以对密钥要定期进行更新。为了保 证p o n 系统的可靠性，g 9 8 3 1 建议采用双p o n 系统，用备用的t o n 保护工作的p o n 一旦工作的p o n 发生故障，就切换到备用的p o n 上。保护切换是利用p l o a m 信元中的 规定信息完成的o ”。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文的主要研究内容是要设计制作一种应用于e p o n 系统o n u 端，满足 i e e e s 0 2 3 a t t 规范要求的s f f 光收发一体模块。在继承传统s d h 光收发一体模块设计制 作经验的基础上，针对e p o n 系统的新特点，光收发模块中发射机必须能够进行突发信 号的发送；如何保证光收发模块在一4 04 c 一+ 7 5 c 宽温度范围内正常工作。论文终尝试 华中科技大学硕士学位论文 提出一种新的解决方案，并应用在最终的设计中；突发式光收发模块的测试也是本论 文研究的内容之一。目前光收发模块生产厂家具有的测试设备均是针对传统s d h 光收 发模块的。为了测试光收模块在突发数据发射条件下的性能，论文中需要设计一些新 的测试方案，利用现有的连续模式测试设备进行突发模式的模拟测试，可以比较准确 地衡量光突发式光收发模块的性能指标。 1 5 本论文的结构安排 第一章绪论。阐述了光接入网和e p o n