（光学工程专业论文）基于fpga的orpr光接收单元的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y879 0 0 5 学生：倪东导师：吴重庆 摘要 随着i n t e r n e t 的普及，数据业务已经取代语音业务成为现代通信网络 业务主流。由此带来的带宽瓶颈和流量不稳定越来越成为城域网的主要问 题。弹性分组环技术( r p r l 虽然是一种非常好的城域网解决方案，但它的光 电光转换方式仍无法满足日益增长的带宽需要。光弹性分组环( o r p r ) 直接在光域里进行信号处理，减小了分组在传输过程中进行光电光转换 所带来的时延，提高了节点容量，解决了电子“瓶颈”的问题。 本文主要研究以下几方面内容： ( 1 )分析了城域网现状，介绍了r p r 的技术特点，重点阐述了。一r p r 对 r p r 的改进以及它的巨大优势。 ( 2 )阐述了o r p r 实验网的2 5 g b s 光信号源以及6 2 2 m b s 和2 5 g b s 光接收单元的研制。并在帧格式、帧定位、帧同步、节点调度控制等方 面提出了自己的解决方案。 ( 3 ) 详细描述了o - r p r 系统的联调过程，特别是光接收单元与其他部分 的接口标准及接口时序。对o r p r 实验网进行了总结，并提出了系统的 改进方向。 o r p r 作为未来城域网的解决方案，具有容量大、可靠性高、公平性 好等优点，因此在未来的城域网建设中成为各界关注的焦点。本文的探讨 和研究将对o r p r 及城域网的设计和研究有一定的参考价值。 关键词：城域网，光弹性分组环，光接收，f p g a ，帧同步 2 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，d a t ab e c o e st h em a i n s t r e a mi nm o d e r nc o i i t 】u n i c a t i o nn e t w o r ki np l a c eo fv o i c e h o w e v e r ， t h i sc h a n g eb r i n g sn e wp r o b l e m si nt h em a n ( m e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ) ：b o t t l e n e c ko fb a n d w i d t ha n du n s t a b l ed a t as t r e a m a l t h o u g hr p r ( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ) i sav e r yg o o ds c h e m ef o rm a n ， i tc a nn o tm e e tt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n to fb a n d w i d t hb e c a u s eo f i t so e ot r a n s f o r r a t i o ni nt h en o d e i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ， w ep r o p o s ean e wp r o t o c o l ：o r p r ( o p t i c a l r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ) i no r p rn e t w o r k ， s i g n a li sp r o c e s s e dw h o l l yi nt h eo p t i c a ld o m a i n i ns t e a do fo e 0t r a n s f o r r n a t i o n t h e r e f o r e ，i tr e d u c e st i m ed e l a y o fp a c k e t s ，a n de n h a n c e st h r o u g h p u to ft h en o d e s 工nt h isp a p e r ， ym a i nr e s e a r c hp o i n t sa r ea sf l o w s ： ( 1 )t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fm a ni sa n a l y z e d ：a n dt h ep r i m a r y f e a t u r e so fr p r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g eo f0 一r p ri s e x p a t i a t e d ( 2 ) o r p re x p e r i m e n tn e t w o r k ， i n c l u d i n gt h ef u n c t i o na n d a r c h i t e c t u r eo fn o d e si sp r e s e n t e d t h ed e s i g n i n gp r o c e d u r eo f 2 5g b so p t i c a l g e n e r a t o r ，6 2 2 m b sa n d2 5 g b so p t i c a l r e c e i v e r i sa l s oi n t r o d u c e d b e s i d e s ， t h ea r i th i l l e t i co fs e a r c h i n gt h e f r a m e s y n c h r o n o u ss i g n a la n df r a m es y n c h r o n i z a t i o na r ep r o p o s e d ( 3 )t h ep r o c e d u r eo fo r p rs y s t e md e b u g g i n gi sd e s c r i b e d c a r e f u l l y ，e s p e c i a l l yt h es t a n d a r di n t e r f a c eb e t w e e n o p t i c a l r e c e i v e re l e m e n ta n do t h e rp a r t so fo r p rs y s t e m 3 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 e x p e r i m e n tr e s u l t so fo r p rn e t w o r ka r es u r 啪a r i z e d ， r l n dt h e i m p r o v e e n ti sa l s op r o p o s e d o r p r ，a san e ws o l u t i o no fm a n ，w i l lb ef o c u s e do ni nt h ef u t u r e ， b e c a u s eo fi t sb i gc a p a b i l i t y ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o da r i t h m e t i c o ff a i r n e s s t h er e s u l t so ft h i sp a p e ra r ev a l u a b l et ot h e0 一r p r s y s t e ma n dm a nd e s i g n k e y w o r d s ：m a n ，o r p r ，o p t i c a 卜r e c e i v e r ， f p g a ， f r a m e s y n c h r o n i z a t i o n 4 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 第一章城域网、砌限与o r p r 1 1 城域网 1 1 1 城域网概述 一般来说，城域网被定义为覆盖1 0 0k m 左右，特别是服务于大中型城 市和地区的网络。城域网是骨干网和接入网的桥接区，主要完成接入网中 的企业和个人与骨干网运营商之间的业务互联互通。骨干网与城域网相连， 并在区域之间相互延伸以实现互联互通，骨干网的发展重点是网络容量和 长距离传输。接入网将业务直接提供给终端用户，其特点是有多种多样的 应用和灵活的结构。处在骨干网和接入网之间的城域网是整个网络体系中 的一个重要组成部分，不仅要承载多种网络协议和信道速率的业务，还要 有组网的灵活性和可扩展能力。因此，城域网不仅是连接骨干网与接入网 的桥梁，更是以话音业务为主的传统电信网与以数据业务为主的计算机网 络的交汇点及今后三网( 电信网、计算机网和有线电视网) 融合的基础。“1 1 1 2 城域网现状 随着数据业务的迅速膨胀，特别是i n t 锄e t 的迅速发展，网络所承载的 业务流量呈指数型增长；而其中的数据业务流量渐渐超过其他的业务而成 为网络中占主要地位的业务流量。 另一方面，网络的发展也不平衡。在骨干网中，由于光缆的大量铺设 和d w d m e l l s ew a v e l e n 舀hd i v i s i o nm u l t i p l e x i l l g ，密集波分复用) 技术的 应用，骨干网的容量得到极大提高，每比特的传输成本也大大降低。与此 同时，局域网与接入网的容量也正不断提高。目前十兆与百兆以太网接口 已配置到桌面，千兆以太网正成为局域网的主流，各种接入网技术的应用 正使宽带互联网接入千家万户。目前城域网主要采用的仍是面向同步时分 复用的s d h 技术，它面临着双重压力，即采用新技术的骨干网与局域网容 1 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 量激增带来的非常迫切的扩容压力和如何高速、有效与低价地承载正成为 网络主流的数据业务。1 1 1 3 对城域网发展的要求 城域网建设是目前各大运营商竞争激烈的领域。城域网建设环境相对 复杂，不但业务需求增长快，网络结构、协议和技术也变化很快。城域网 的主要问题是存在多个层次重叠，导致设备成本高，提供服务既复杂又慢， 带宽利用率低，运行成本高，管理困难等。因此，对城域网发展的基本要 求可以总结为以下几点：0 3 能够承载多种业务类型，宽带城域网应是一个能够提供数据、语音、视 频的综合平台。 能够适应突发性的业务流量。突发性是数据业务的重要特点。 能够为用户提供更大的灵活性。由于用户变动次数多，需要有比较强的 调度和配置能力。 可扩展性是必需的，以适合于网络的新用户的增加和网络升级扩容。 低成本，包括低建设成本和运营成本。 健壮性，具有9 9 9 9 9 工作时间、硬件冗余、光缆环故障保护自愈能力。 1 2 弹性分组环 1 2 1r p r 发展历程 在己建成的传统的骨干网和城域网中，大都采用s d h 体制作为底层的 传输技术，它是一种硬连接的技术。为了有效的传输i p 业务，i po v e rs d h 仍是目前传送i p 业务的主要方式。最常用的方法是采用p 0 s ( p a c k e to v e r s d h ) 接口技术，但是p o s 的带宽利用率低、设备费用高。于是，各大运营 商纷纷寻求更好的解决方案。弹性分组环( r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，r p r ) 技术，是为了优化i p 业务在光网络上的传输效能而提出的一种新型的环网 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：昱重庆 传输技术，它一经提出，便受到广泛的重视。 2 0 0 0 年1 1 月，i e e e 成立了弹性分组环工作组( r p r w g ) ，负责r p r 相 关协议的标准化工作，标准号为i t u t8 0 2 1 7 。2 0 0 1 年3 月工作组通过了 r p r 协议的标准化目标，2 0 0 3 年1 1 月提交第三版标准草案，随后获得通过， 2 0 0 4 年7 月标准的最终版本正式公布。 1 2 2 砒佩的技术优势 r p r 是为优化环上数据包的传输而提出的，它吸收了千兆以太网的经 济性、s d h 对延时和抖动的严格保障和5 0 m s 环保护机制，具有带宽动态 分配、统计复用、支持业务级别等主要特点，r p r 可同m p l s 结合，简化 i p 传输，同时具有第三层某些路由功能。r p r 可以承载突发性职业务，同 时支持实时业务的传送，是一种很好的城域网解决方案。【3 】 ( 1 ) 分组式a d m ( 分插复用) 体系 r p r 对业务交换采用分组式a d m 体系，对于每一个节点，如果数据流的 目的地不是本节点的话，这个数据流会被简单地前传。因此，每个节点的 r p rm a c 层主要完成3 个功能： 把用户数据流加入到环路中去( 上环) ： 把目的地是本节点的数据流从环路中取出来( 下环) ； 直接把数据流从环路的一段前传到另一段上( 过环) 。 所以r p r 设备可以像s d ha d m 那样不用处理那些前传的数据流，系统 的处理性能可大大提高，数据分组的a d m 式交换体系可以很容易的升级到 很高的速率上去。 ( 2 ) 空间复用 在网状拓扑结构中，节点必须通过前传引擎决定每个分组到底从哪个 输出端口前传。而环形拓扑结构相对简单，每个节点只有左右两个邻居。 r p r 环由两根光纤组成，沿顺时针传送数据的叫外环，沿逆时针传送数据的 3 北京交通大学硕上学位论文学生：倪东导师：吴重庆 叫内环。r p r 可认为每个分组最终都可以到达目的节点，并通过t t l 方式防 止死循环。因而不需要关心业务到底沿环的哪个方向传送，每个节点只需 要对业务进行上环、过环和下环处理。因此，环上的每个节点都可以公平 的享用每一段带宽。 ( 4 ) 5 0 m s 环保护机制 r p r 采用了类似s d h 的环形拓扑结 构，故障自愈能力非常强，能够实现5 0 m s 时涮内的保护切换。图1 1 是链路故障时的 保护情况，在故障链路两端的节点内部把内 外环连接在一起，形成一个新的环网。“3 ( 5 ) 拓扑自动识别图1 ，1 r p r 环保护机制 在拓扑初始化阶段，每个节点都会发出拓扑查询消息，沿环路传送， 其他节点会加入自己的属性。当源节点收到自己发出的拓扑查询消息时， 便可了解到环路拓扑信息。当环路增加节点、减少节点、光纤中断、节点 失效等事件发生时，相应节点都会被触发发出拓扑更新信息。当环路处于 正常状态时，节点之间会发送信息来判断状态。拓扑自动识别增加了环路 的自愈能力，并且减少了人工配置所带来的人为错误。 ( 6 ) 公平的带宽利用机制和良好的拥塞控制机制 r p r 的公平算法可以控制带宽的利用。由于环上的带宽是共享资源，极 容易被网络上的个别节点或个别用户过度使用从而造成其它用户无法使 用。公平算法是一种可以让环上每一个用户公平享用带宽的机制。同时， 它不像s d h 给每一个用户分配一个固定的有限带宽，而是把环上的整个带 宽作为一个全局资源分配给各个提出需求的用户。带宽策略允许在无拥塞 的情况下把环上任意两个节点之间所有的带宽分配给这两个节点，克服了 s d h 那种固定分配带来的不灵活性，同时又比点到点的以太网更加有效。 4 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 ( 7 ) 对广播和组播业务的有效支持 r p r 环本身是非常适合广播业务和组播业务。对于单播业务，环上的节 点只做简单前传或者是上、下环。对于组播业务，环上的节点接收此业务 后，继续前传，直到源节点再把它从环上取下来。这使得在环上发送广播 包或者是组播包时只需要发送一个拷贝就可以。 1 2 3i t p r 的拓扑结构及数据操作 与s d h 拓扑结构类似，r p r 为互逆 双环拓扑结构，环上的每段光路工作在 同一速率上。不同的是，r p r 的双环都 能够传送数据。靠近外部的环称为外环 ( 础n 9 1 e t o ) ，靠近里边的称为内环 限i n 百e t l ) 。如图1 2 所示。r p r 外环的 数据传送方向为顺时针方向，内环的数 据传送方向为逆时针方向。两个相邻 r p r 节点之间链路称为段，多个 连续的段和其上的节点构成域。【4 】 图1 2r p r 拓扑结构 节点与环配合，采用数据分组的分插复用对数据分组的基本操作包括： 上环( i n s e r t ) ：节点设备把从其他接口转发过来的数据分组插入到r p r 环的 数据流中；下环( c o p y ) ：节点设备从r p r 环的数据流中接收数据，交给节 点上层作相应处理；过环( t r a l l s i t ) ：将途经本节点的数据分组继续转发到下 一个节点；剔除( s t r i p ) ：使途径本节点数据分组不再往下转发。 对于单播、组播、广播流量，各节点分别采用这些基本数据操作及其 组合予以实现。对于单播的实现：在源节点处采用上环操作，使数据进入 到外环或内环中，目的节点执行数据下环和数据剔除操作，而中间节点只 执行数据的过环操作。值得注意的是，对于单播流量r p r 采取的是目的节 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 点剥离的方式，有效提高带宽利用率，使得带宽的空间重用技术更高效。 对于组播和广播流量，由于有多个目的节点，所以采用的数据传送机 制与单播有所不同。在源节点处，采用上环操作，使数据进入到外环或内 环中。数据在环中传送一圈后在源节点执行数据下环和数据剔除操作。 1 2 4r p r 的m a c 层协议及帧格式 考虑到宽带市场的潜力、兼容性、技术特点、技术可行性和经济可行 性等五个方面，r p r 采用了以缓存器插入环为基础的优化的m a c 协议来 弥补这些缺陷，提供城域网所要求的恢复能力、有保证的服务质量和可管 理能力。r p r 的协议栈如图1 3 所示。1 5 j 可以看出，r p r 网络完成的功能仍然是o s i 七层协议的底层技术，它 包括：物理层技术和数据链路层技术。其中，物理层对上层是透明的，增 加了向上触发拓扑自动识别模块和执行保护倒换等功能。而数据链路层的 m a c 与逻辑链路控制l l c 技术是r p r 最主要也是最基本的功能。前者主 要内容是数据在介质上传输的接入控制，而后者包括流量控制、业务等级 支持( s l a ) 、拓扑自动识别和发布保护倒换命令等功能。 0 s i 参考模型 l高层 il l c i i m a c l适配层 图1 3 i 己p r 协议栈 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 r p r 的m a c 层应该能无缝地嵌入e e8 0 2 工程协议栈中，对下支持 s d w s o m 玎物理层，对上支持8 0 2 1 高层和互操作规范，并能与8 0 2 3 m a c 层互相兼容。和8 0 2 3 及其衍生协议不同的是r p rm a c 不是广播协议，而 是采用存储转发( s t o f ea n df 0 州a r d ) 或虚电路( c u t t h r o u g h ) 模式，因此帧 间不需要前导或间隔字节，这样就提高了带宽利用率，减少了转发延迟。 一个典型的r p rm a c 方案如图1 4 所示。【6 j m o d eir ip r ip 目的m a c 地址或逻辑地址 源m a c 地址或逻辑地址 分组类型长度 头部校验和 t r l 净负荷字段( 数据或控制信息) c r c 一3 2 图1 4 r p r m a c 帧结构 m o d e ，可以定义八种分组模式，如控制分组、数据分组、维护分组等， 同一分组模式可选择4 8 b i t 物理地址编码方式或8 b i t 逻辑地址编码方式。 r i ，环标记( 或保留) 。 p r i ，可以定义八种分组优先级别。或者将这3 比特字段称为c o s ，定 义八种服务类别，包括快速前传( e f ) 和保障前传( a f ) 等。 p ，第一字节校验比特。 源地址和目的地址，在连接建立、拓扑更新或其它指定过程中使用4 8 b i t 标准以太网地址编码模式，而在r p r 环常规运行时使用8 b i t 逻辑地址， 可以标识2 5 6 个环节点，远远大于传统s o n e i 幅d h 环1 6 个节点的限 制。短的地址编码方式有利于加快帧头的处理速度，所有节点可以基于 逻辑地址进行快速的l a v e r 2 交换，能实现极低的交换延迟。 分组类型长度，这个字段由8 0 2 3 派生而来，决定该分组的长度和类型。 7 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 头部校验和，使用指定的数学校验方法验证帧头的成帧和传输有效性。 t t l ，防止环上数据传输死循环的计数位。源节点根据一定的规则设置 t t l 位，每经过一个节点减l ，当收到t t l 为o 的数据帧时将其丢弃。 净负荷，数据分组中，该字段为各种格式的客户层数据；在控制或维护 分组中，该字段包含了各种信令信息。 c r 0 3 2 ，用于整个帧的循环冗余校验，与头部校验和字段一起判断错 误的位置和来源，以决定下一步的处理。 1 3 光弹性分组环 1 3 1o 砌墩的技术优势 由于r p r 在网络节点仍需要光电光的转换和进行电信号处理，因此 存在所谓的电子“瓶颈”问题，限制了光纤潜能的发挥。克服电子“瓶颈” 最直接的办法是进行光信号处理，即采用光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 来提供高的交换速度，充分有效地利用光纤带宽。随着光子器 件技术的不断发展和数据业务的爆炸式增长，光分组交换的研究呈渐热之 势。o 一砒i r ( o p t i c a l r e s i l i e n tp a c k e tr i n g ，光弹性分组环) 就是在这样的 背景下提出来的。 0 一r p r 和r p r 的主要区别在于缓存器插入环b i r 实现分组的缓存和转 发是在光域中实现的，它减小了在分组在传输过程中进行光电光转换所带 来的时延，加快了整个系统的传输速度，解决了电子“瓶颈”的问题。o r p r 相对于r p r 的优势如下： 减少网络的层次： 简化网络管理软件； 节省有关传输的开销； 提供有效的业务汇聚和更合适的交换粒度； 提高了光传输链路的利用率。 r 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 1 3 2o i u p r 网络拓扑结构 o r p r 的拓扑结构与r p r 相同，是基于两个反向传输的环，相邻节点通 过一对光纤连接并可用w d m 进行扩容。o r p r 的内环和外环都作为工作通道 来传送数据分组和控制分组，这样就提高了带宽利用率。当发现网络节点 或光纤链路故障时，o - r p r 执行快速倒换机制，数据会在5 0 m s 内倒换到无故 障的通道，保证了网络的可靠性。此外，o r p r 还支持单播、广播和组播等 多种操作，更有利于数据业务的传送。0 一r p r 网络拓扑结构如图1 5 所示。”1 1 3 3o 砌) r 节点结构 o r p r 节点的一般结构如图1 6 所示。节点接收到环上来的光信号后， 在控制单元的控制下，将需要下路的分组切换到光接收机，准备下路；而 对于过环信号则切换到光缓存器。这时有可能与正在上路的信号发生竞争。 控制单元根据当前的竞争情况，决定是发送当前的上路数据包还是转发转 发缓存在缓存器中的数据包，从而克服竞争。由此可见，在这种全光网中， 环上的数据包是不需要光电转换的。而且这里只使用了一个光缓存器就解 决了竞争。由于全光缓存器中不可避免的应用到如光放大器这些比较昂贵 的器件，所以光弹性分组换网是一种比较实用的全光网。【7 】 9 北京交通大学硕上学位论文学生：倪东导师：吴重庆 光开关 转发缓存 国国图囵囹圈 图1 6 0 ，r p r 节点结构 光合路器 1 4o r p r 实验网 1 4 1o r p r 实验网拓扑结构 本实验室的o r p r 实验是在国家“8 6 3 ”计划( 编号2 0 0 3 a a 2 2 5 1 0 ) 资 助下完成的。由于尚处于对o r p r 的研究探索阶段，所以0 一r p r 实验网 络目前只是一个单环、三个节点的拓扑结构。图1 7 为o i 冲r 实验网的拓 扑结构图。 在o r p r 实验网的三个节点中，2 号节点是全光节点( 采用了基于s o a 的高速光开关结合基于3 3 耦合器的全光缓存器的实现方案) ；1 号节点和 3 号节点是电节点( 采用了基于s o a 的高速光开关结合电缓存器的方案) 。 o r p r 网络中常用的基本数据操作包括：上路：节点设备把从其他接 口转发过来的数据分组插入到o r p r 环的数据流中；下路；节点设备从 o _ r p r 环的数据流中接收数据分组，交给节点上层作相应处理：过环：将 途经本节点的数据分组继续转发到下一个节点。通过这三种数据操作的组 合可以完成单播、组播和广播功能。 1 0 下路缓 +l_囹囹囫囹 口了后路f 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 图1 7o r p r 实验网拓扑结构 1 4 2o 瑚p r 实验网1 号节点结构 图1 8 为1 号节点内部结构图： 1 号节点 缝“n 门 ：【一 一j 一一一一一一一j 一一一 崮一茵一 用户端! 图1 81 号节点结构 1 号节点的功能相对比较简单。r 为光接收单元，它在输入的数据流中 搜索帧同步字，并对输入数据分组的目的地址进行判断，如果为本地分组 则将此分组下路。外调制器和d f b 激光器组成了光发射部分。可编程码型 发生器作为1 号节点的“用户”，它将需要发送的数据通过发射单元加入到 o r p r 环网中去( 即数据上路) 。 1 4 3o r p r 实验网2 号节点结构 图1 9 为2 号节点内部结构图，图中各功能单元的作用： 1 1 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 r ：光接收单元，完成光电转换；提取时钟完成比特同步；从数据流中搜 索帧同步信号，完成帧同步；进行本地地址信息匹配，控制下路光开 关；输出帧同步信号和地址信息给a r m 调度控制单元等功能。 a r m ：调度控制单元，对光接收单元和光发射单元传递过来的信息进行处 理，并根据一定的算法来协调整个节点工作，避免过环数据分组和 上路数据分组产生冲突。 s o a ：高速电控光开关； i _ ，d ：全光缓存器读写操作的控制光源； o b ：全光缓存器，它可以在控制光的作用下对输入的数据分组进行缓存； t ：光发射单元，它能够将上路的数据分组进行缓存，并在a r m 的调度控 制下完成电，光转换，将上路分组承载到光信号输出。 一 _一 一一一一t 一一一一一一一一一一一 - - _ 一 一 - _ _ 一_ - t 一一- _ 一- 一 图1 和；号节点结构 2 号节点工作机理： 从上游节点( 即1 号节点) 到达本地节点的数据分组，经过1 2 光纤 耦合器后( 分光比为3 0 ：7 0 ) 分作两路，一路进入光接收单元，另外路经 过一段光纤延迟线到达高速光开关s 0 a 。光接收单元对数据帧进行经光 电变换、串并变换、比特同步等一系列操作后，对数据分组的帧头信息进 1 2 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 行处理( 如搜索帧同步信号、完成帧同步、本地地址信息识别等一系列操 作) ，如果判断为本地分组则光接收单元会控制下路光开关，使此分组下路； 否则直接转发。a r m 控制单元收集来自光接收单元和光发射单元的信息， 然后根据一定的算法分别控制全光缓存器和光发射单元，来解决过环数据 分组和上路数据分组的竞争问题。 因此，可以看出2 号节点仅对数据分组的帧头信息进行处理，避免了 对净负荷的光电光的转换，这一方面消除了电子“瓶颈”，另一方面大大 减少了节点的处理时间，提高了节点容量。 1 4 4o i u p r 实验网3 号节点结构 3 号节点与2 号节点相比只是少了一个全光缓存器，其工作机理与2 号节 点相似。只是由于3 号节点缺少了光缓存器，当过环数据分组和上路数据 分组发生竞争时，则a r m 控制单元必须根据一定的算法对二者进行取舍， 即必须将其中一个丢弃。图1 1 0 为3 号节点内部结构图： i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图1 事1 号节点结构 1 4 5o r p r 实验网帧格式 在o r p r 实验网中，每一个数据帧可以分为三个小帧，其中第一帧为 有效帧，其它两个为填充帧。下图是6 2 2 m b s 0 r p r 实验网的帧格式： 1 3 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 有效帧填充帧1填充帧2 2 5 6 字节2 5 6 字节2 5 6 字节 其中，有效帧的具体格式如图1 1 1 所示 帧头净负荷 1 4 字节! 数据( 2 4 2 字节) 前导码帧同步字目的地址 源地址 1 0 字节2 字节1 字节 1 字节 ! 前导码：1 0 个字节。她a ：帧同步字：2 个字节o x d 8 d 8 ： 图1 1 l 有效帧的帧结构 构造填充帧1 和填充帧2 是为了使光接收单元能够正确地接收而加入 的。因为如果一帧中的长连零数过多，就会使光接收单元的时钟提取部分 进入失步状态，从而无法正确完成比特同步。因此，填充帧1 和填充帧2 的内部数据可以都是0 x a a ，这样有利于时钟信号的提取。 1 5 本人的主要工作 根据项目进度，本人的工作主要分为三个阶段： 一、在o r p r 项目中，由于没有高速的光信号源，只有电的信号源，所以 设计制作了2 5 g b s 的光信号源。此信号源采用可编程码型发生器p p g 作为射频信号源，通过r f 放大器和外调制器对d f b 激光器输入的直 流光信号进行调制，输出所需要的光信号。 二、负责o - r p r 实验网络的三个节点光接收单元的设计和调试工作。首先 在较低的速率等级( 6 2 2 m b s ) 上设计制作了光接收单元；并在此基础 上将数据速率提升到2 5 g b s 。分别设计并调试了6 2 2 m b s 和2 5 g b s 光接收单元的硬件和软件，使它们能够完成光电转换、串并转换、时 1 4 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 钟提取、搜索帧同步信号、帧同步、本地地址信息识别、控制下路光 开关；输出帧同步信号和地址信息给a r m 调度控制单元等功能。 三、参与整个系统的联调工作。这部分的工作可以分为以下几个部分： ( 1 ) 单个节点内部的联合调试 光接收单元与基于s o a 的高速光开关的联调：光接收单元对接受到的 数据分组的目的地址与本地地址相比较，如果是发往本地的分组，则控 制光开关使其下路，否则直接进行转发； 光接收单元与全光缓存器的联调：在项目初期，光接收单元代替a r m 来控制全光缓存器的读写操作； 光接收单元与a r m 调度控制单元的联调：光接收单元输出帧同步信号 和8 路地址信息给a r m ，a r m 根据这些信息来协调整个节点工作； 光接收单元与上路源的联调：为了使整个系统的时钟保持同步，光接收 单元将时钟提取芯片恢复出来的时钟分频后作为上路源的参考时钟。 ( 2 ) 整个o r p r 实验网的联合调试 1 号节点和2 号节点之间的联调：2 号节点对1 号节点发出的数据分组 进行判决，如果是发往2 号节点的则直接下路，否则进行转发。但此时 还需要考虑2 号节点的上路分组和转发分组的竞争问题。 2 号节点和3 号节点之间的联调：3 号节点对2 号节点发出的数据分组 进行判决，如果是发往3 号节点的则直接下路，否则进行转发。但此时 还必须解决3 号节点的上路分组和转发分组的竞争问题。 3 号节点和1 号节点之间的联调：1 号节点对3 号节点发出的数据分组 进行判决，如果是发往1 号节点的则将此分组下路( 由于1 号节点没有 光开关，因此下路数据是由光接收单元输出的并行电信号) 。 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 第二章2 5 g b s 光信号源设计 随着光通信技术特别是波分复用技术的发展，半导体激光器的调制技 术对系统性能的影响越来越大。当调制速率达到2 g b s 以上时，在脉冲时 间内，光波长会有所变化，造成光频谱展宽，称为“频率啁啾”现象，其 直接后果是减少有效传输距离。因此，在高速远距离光纤通信系统结构中， 都需要采用外调制方案。我们采用l i n b 0 3m z ( 铌酸锂马赫一曾德尔) 波 导型外调制器结合p p g ( p r o g r 锄m a b l ep a t t e mg e n e r a t o r ，可编程码型发生 器) 设计制作了最高速率可达2 5 g b ，s 的信号源。此信号源有以下优点：既 可以输出伪随机序列，也可以输出用户自定义的码型；输出光信号的速率 可以任意调节( 调节步长为1 k h z ，最高达到3 2 g h z ) ；输出光信号的功率 可以调节；输出光信号的消光比可达2 0 d b 以上。 2 12 5 g b s 光信号源实现方案 我们采用p p g 、d f b 激光器和外调制器相结合来实现2 5 g b s 光信号 源。图2 1 为2 5 g b s 信号源系统结构： 图2 12 5 g b ，s 信号源系统结构 p p g 为r f 信号源，它既可以输出伪随机序列( 序列长度分别为2 7 1 、 2 1 5 1 、2 2 3 1 、2 3 1 1 ) 也可以自定义输出格式；同时p p g 输出信号的频率可 以在3 2 g i z 内任意调节( 调节步长为1 乜) 。由于p p g 输出的信号幅度 较小，一般不能直接驱动外调制器，因此需要外加r f 放大器。此外，r f 1 6 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 放大器的增益还应该能够调节，这样可以使输出r f 信号的幅度保持稳定。 外调制器完成对输入直流光的调制，它的性能直接决定了输出光信号的质 量。驱动电路一是给r f 放大器和外调制器提供稳定的直流电源；二是通过 它来调节r f 放大器的增益和外调制器的偏置电压。 2 2 关键器件选择 2 2 1 外调制器 目前使用的光外调制器主要有两种：l i n b 0 3m z ( 铌酸锂马赫一曾德 尔) 波导型外调制器和电子吸收型半导体调制器。m z 型外调制器调制速率 高，波长的啁啾噪声为零，几乎不受光纤色散的限制，得到了广泛应用。 x 5 是j d su n i p h a s e 生产的外调制器。它工作在1 5 5 0 i l i i l 波段，最高调 制速率可达1 0 g b s ，零啁啾，单端驱动，铌酸锂，m a c h z c h n d e r ( 马赫一 曾德尔) 型外调制器，而且内部集成有光电二极管。x 5 外调制器数据处理 能力高达1 2 5 g 州s 。x 5 的具体特性见表2 1 。【8 】 表2 1 x 5 性能参数 具体参数x 5 的典型值 啁啾系数 0 插入损耗 4 5 d b 回光损耗 4 0 d b 消光比 2 0 d b 电光带宽( - 3 d b 电带宽) 1 1 g h z s 1 1 ( 1 3 0 m h z 至01 0 g h z )1 0 d b 驱动电压( r f 端口)6 v 偏置电压范围1 5 v 到1 5 v r f 端口阻抗( 直流)4 0 欧姆 偏置端口阻抗( 直流)1 m 欧姆 探测器的消光比 6 d b 探测器的光电带宽 1 0 0 k h z 探测器的响应度2 0 m a 懈， 探测器的暗电流( 室温，5 v 反向偏压)5 a 1 7 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 图2 2m z 外调制器原理幽 m z 外调制器是一种基于平衡桥干涉型的调制器。如图2 2 。它是一种 电光调制器，由电光晶体构成，它的工作原理基于电光晶体的电光效应。 实际用于1 5 5 0 n m 波段的外调制器一般由光波导构成，光波导是在电光材料 ( 通常是铌酸锂，l i n b 0 3 ) 基片上扩散折射率较高的一种材料( 通常是钛) 而 构成。在波导两边做上电极，调制电压即通过电极加到光波导上。 1 5 5 0 n m 光源通过保偏光纤输入到外调制器上，通过v b i a s 端给外调制 器加上偏置以使其工作在线性区中点，外加射频信号通过r f 输入端加入， 通过外调制器后，输出光的强度被调制。由于光波导宽度极窄，所以半波 电压很小，为几伏，这样用较低的射频电平驱动就可完成光强度调制，且 调制频率可以高达1 0 0 g h z 。 2 2 2r f 放大器 由于外调制器需要的驱动电压相对较高( 如x 5 驱动电压的典型值为 6 v ) ，而p p g 的输出最高也只能到2 w p p ，所以在p p g 和外调制器之间必 1 r 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 须加一级射频放大器。 h 3 0 1 是j d su n i p h a s e 提供的专用光调制器驱动模块，它能够提供高质 量的单端电压来驱动激光外调制器。它可以驱动e m l ，e a m 和 m a c h z e h n d e r 型外调制器；能够将数据速率在2 4 8 8 g b s 到1 2 2 g b s 的信 号放大到大于+ 7 0 v p p 驱动电平；具有平坦的增益曲线和和平坦的群延迟响 应，因此可以得到高质量、低抖动的驱动信号。h 3 0 1 具体特性见表2 2 。【9 1 表2 2 h 3 0 1 性能参数 具体参数h 3 0 1 的典型值 数据速率2 4 8 8 g b s 至u1 2 2 g b s 频率响应7 5 k h z 到1 0 g h z 输出信号幅度 + 7 v p p 输出光功率 2 2 d b m 饱和输出光功率 2 4 d b m 增益1 4 d b 到2 4 d b ( 可以调节) 增益调节幅度 1 2 d b 群延迟 2 5 p s 输入、输出阻抗5 0 欧姆 输入信号幅度范围5 0 0 m v 到1 5 v 允许的长连0 l 数 1 0 0 b i t s 脉冲响应上冲厂f 冲1 0 ，上升时间4 0 p s 2 3 直流偏置驱动电路设计 射频信号经过r f 放大器处理后输入到外调制器。如果输入到外调制器 的射频电平过低，就达不到外调制器的要求；但是如果输入到外调制器的 射频电平过高，外调制器就会产生过调制，使激光器产生限幅失真，使信 号质量恶化。所以需要对r f 放大器进行控制使输入到外调制器的电平达到 其要求并且稳定，以获得最佳的性能指标。 由于外调制器的偏置电压必须严格工作在线性区的中点( 半波电压的 一半) ，但由于外调制器的半波电压会因铌酸锂晶体老化等原因产生变化， 因而实际的外调制器中都设有偏置调整电路。通过对偏置调整电路的控制 1 9 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 来改变外调制器的偏置电压，使得外调制器的工作点保持稳定。 因此，直流偏直驱动电路首先要给r f 放大器提供稳定的电源电压；其 次要能够对r f 放大器的增益端进行控制；最后要能够调节外调制器的偏置 电压。直流偏直驱动电路如图2 3 所示。 来自 制器 图2 32 5 g b s 信号源驱动电路 2 42 5 g b s 光信号源性能测试 图2 4 是2 5 g b s 光信号源的测试实验系统框图 图2 42 5 g b s 信号源测试系统 p p g 发送伪随机序列( 序列长度选择2 ”一1 ) ，经过r f 放大器将r f 信 号进行放大后输入给外调制器，外调制器将可调谐激光器输入的直流光进 行调制后输出。通过驱动电路可以调节h 3 0 1 的增益和x 5 的偏置电压，这 2 0 北京交通大学硕士学位论文学生：倪东导师：吴重庆 样可以方便的测试在这两种情况下对输出信号的影响。同时，通过调节可 调谐激光器可以观察外调制系统对输入光信号波长的敏感程度。 2 4 1r f 放大器增益的影响 r f 放大器h 3 0 1 的增益变化可以通过调节v g a i 。端的电压来实现。实验条件： 可调谐激光器的输出波长为1 5 5 6 5 6 0 n m ，输出光功率为1 d b m ； p p g 输出信号速率为2 4 8 8 g b s ，信号幅度为0 5 vv p p ； x 5 的偏置电压为+ 6 0 3 v 。 当v g 血为，4 5 v 和一5 o v 时，实测波形分别为图2 5 和图2 6 所示： 图2 5v g a h = 4 5 v 时的测试波形 图2 6v g a i 。- 一5 0 v 时的测试波形 当v ( 柚由一4 5 v 向一8 0 v 变化时，外调制系统输出光信号的幅度呈下降 趋势，而且消光比也随之下降，使得信号质量变差。这是由于v g a i 。是r f 放大器的增益调节端，当v ( 。由一4 5 v ( 此时r f 放大器已经饱和) 向_ 8 0 v 2 1 北京交通大学硕士学位论文 学生：倪东导师：吴重庆 ( 此时r f 放大器的增益几乎为o ) 变化时，h 3 0 1 的增益也就从大到小变 化，因此输出的r f 信号的幅度也就由从大到小变化，从而造成外调制器输 出光信号由强到弱的变化。 2 4 2 外调制器偏置电压的影响 外调制器偏置电压的变化可以通过调节v b i a s 端的电压来实现。实验条件： 可调谐激光器的输出波长为1 5 5 6 5 6 0 n m ，输出光功率为一1 d b m ； p p g 输出信号速率为2 4 8 8 g b s ，信号幅度为0 5 vv