（物理电子学专业论文）epon系统中的onu设计.pdf

i 摘 要 近几年，中国光纤到户产业迅猛发展，在各种光纤接入技术中，epon 技术因其 相关技术标准成熟更早、成本较低，在中国得到了大规模应用。由于各个通信设备制 造商使用有自定义 oam 帧，而且不同 epon mac 芯片使用的 oam 帧格式也不尽相 同，这样不同厂家的 olt 和 onu 设备之间无法互通，对整个 epon 产业发展不利。 中国电信为了解决这个问题，颁布了中国电信 epon 设备技术要求 v2.0，要求不 同设备制造商研发的 olt 和 onu 可以互通。我所在任务组的任务就是开发出支持互 联互通的 epon 设备，我的任务是设计 epon 客户端设备 onu。本文主要内容如下： 绪论研究多种主流接入技术。说明这些技术已经不满足目前应用需要并讨论本论 文研究 epon 的意义，为下一章进行 epon 技术研究与 onu 设计做铺垫。 第二章介绍 epon 技术并给出了 epon 系统总体方案设计。首先对 epon 技术、 以及任务组总体设计方案进行介绍。 然后将 onu 设计目标定为性价比较高的数据通信 用 onu，具体有单住户型 onu 和多住户型 onu 两种，最后研究了这些 onu 的设计 方案。 第三章进行了单住户型 onu 的设计与测试。 首先给出单住户型 onu 的系统框图， 并且研究其工作原理。然后再分块描述单住户型 onu 的各个子电路模块设计。电路原 理图设计完成后，介绍多层印制电路板（pcb）设计的注意事项，然后进行 pcb 设计 与电路的焊接与调试。最后是介绍以 smartbits 6000c 为核心的测试环境，并对单住户 型 onu 进行基本功能验证与数据传输功能测试。测试结果表明单住户型 onu 功能良 好。 第四章进行了单住户型 onu 的设计与测试。多住户型 onu 在原理与结构上与单 住户型差别不大，只是多出了交换芯片，用来增加以太网端口的数目。本章结构与上 一章相同，这里不叙述了。 第五章对全文进行总结，指出自己工作中的优点和不足。 关键词：以太网无源光网络 光网络单元 光纤到户 ii abstract ftth industry in china has been developing rapidly in recent years. the relevant standards of epon have developed earlier than gpon s, and epon features its low cost, which leads to a large- scale applications of epon technology in china. as a result of various communications equipment manufacturers to customize the use of oam frame and the use of different oam frame format by different epon mac chips, the olt and onu devices from different manufacturers can t work with each other. to solve this problem, china telecom issued the china telecom epon equipment technical requirements v2.0, which includes various requirements of the olt and onu devices. our task force s mission is to develop the epon equipments which can communicate with other manufacturers . my task is to design onu. the main contents of the various chapters in this paper are as follows. introduction describes the development history of access networks and various mainstream access technologies briefly, pointing out that these technologies have been applied does not meet the needs of the present and discuss the significance of the research in this paper. this chapter makes preparation for the next chapter about the r&d of onu devices. chapter ii describes epon technology research and system design. at first overall structure of epon and the working principle of olt and onu are introduced and the conclusion is reached that epon mac chip is the core of the entire hardware. and then based on the status of task force, we research and develop equipment that are to used data communications and that must meet the requirements of the epon standard by china telecom. then we analyzed the epon chips in the market and chose to use teknovus chip. finally, we set the target to develop single- living units onu and multi- living units onu which are all cost effective. chapter iii talk about the research and implementation of single- living units onu. first of all its diagram of the system and working principle are given and then the various sub- circuits module design are researched. afterwards the multi- layer printed circuit board (pcb) design notes are introduced, and pcb designing and soldering and circuit debugging are conducted. finally, the test environment basing on smartbits 6000c are introduced. test results show that single- living units onu works well. iii chapter iv talks about the research and implementation of multi- living units onu. except for the use of switch chip to get more ethernet port, there are no great differences between single- and multi- living units onu. chapter v is the summary of the full paper. the contribution of my work and what need to be done are pointed out. key words: ethernet passive optical networks (epon) optical network unit (onu) ieee 802.3ah 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： 日期： 年 月 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， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论 1.1 引言 通信网按照结构大概可以分为三部分：长途骨干网、城域网、接入网。从上个世纪末 开始，由于光纤通信系统的发展与应用，长途骨干网、城域网的性能得到了极大提升。据 相关报道，单波 10g 的波分复用光纤通信系统在全球电信行业得到了广泛应用，北电、 华为等公司分别开发出了单波 40g 波分复用光纤通信设备，如果成本进一步降低，就可 以大规模商用1。在长途骨干网、城域网飞速发展的背景下，用户接入网却发展缓慢。目 前一些高带宽业务，比如 iptv、视频会议、大型在线互动游戏等，开始蓬勃发展，但是 接入网带宽却远远落后于市场需求，比如目前中国最广泛应用的接入技术是 adsl，常用 的速率大约为 2mbps，最高约 10mbps 2。因此市场急需一种技术来提高接入网络性能。 下面就接入网和各种接入网技术进行简单介绍，引出结论：无源光网络技术是必然 的发展趋势。 1.2 接入网介绍 具体来说，接入网（an：access network）是指用户网络接口（uni：user network interface）和业务节点接口（sni：services network interface）间实现传送承载功能的 实体网络。接入网在 uni侧与城域网相连，在 sni 侧与局域网或者用户相连，起到传 递数据的作用。早在 1975 年，英国电信就提出了接入网的概念3，此后接入网一直在 缓慢发展，近年来使用过一些技术，下面简要介绍。 综合业务数字网（isdn：integrated service digital network）技术，该技术成熟于 上个世纪八十年代末。isdn 之前的网络都是由具体的任务决定，面对单一的应用，不 同的网络难以互通。isdn 作为首个可以传送多用业务的网络，是有一定价值的。当时 atm 技术被业界看好，因此以 atm技术为核心的 b- isdn 也是众望所归4。但是后来 随着 tcp/ip 网络的发展，dsl技术得到极大发展，isdn 渐渐推出历史舞台。 数字用户线 (dsl：digital subscriber line)，是指通过频分复用，在电话线上同 时语音（即传统电话业务）和数据的技术。dsl 是一系列技术的总称，不同的技术 2 可以满足不同的需求，应用很广泛。中国使用最多的是非对称数字用户环路 （adsl： asymmetrical digital subscriber loop）技术，该技术下行速率比上行高，下行为 1mbps8mbps，很适合传输普通多媒体业务5。此外还有一些更高速的 dsl 技术， 但差不多都技术复杂、要求距离短、线路质量高，限制了在实际的应用4。值得一 提的是， 目前 pon 技术用于最后一公里非常合适， 但是实施光纤到户还是成本颇高。 运营商创造性的提出了 pon+dsl技术的接入方式，其中 dsl 负责最后一百米，效 果良好。 局域网（lan：local area network）接入也是一个选择。其方案一般是千兆光纤 到小区、百兆光纤到楼、楼内百兆交换机到用户，需要整体布线，较适合新建的小区 6。lan 技术在大规模使用时，才能够显示出其成本优势。但是其较小的使用规模限 制了 lan 的发展。 电力线接入技术，也就是将传输电流的电力线作为通信介质的技术，只要有插座的 地方就可以接入网络，很方便。可以使用该技术将多个职能家电连接起来，实现“ 智能 家庭” 7。据报道，该技术在北京推广过，效果和 adsl差不多，但是价格要便宜些。 但是未能大范围推广。 光纤同轴混合网（hfc：hybrid fiber coax）技术。传统广电网络只能单向传输有 线电视信号，今年来互联网的飞速发展对其构成了极大威胁。为了和 iptv等抗衡，出 现了以同轴电缆为载体的传输网络，也就是 hfc 技术。该技术使用光纤将数据传输到 小区，然后利用有线电视的同轴电缆传输到各个用户。其优点是已有大范围成熟的同 轴电缆网络，但是部分网络是需要进行双向化改造。hfc 的另一特点是带宽较宽，但 是为共享网络，在用户上网高峰时，速度会有些下降8 ，9。 无源光网络（pon：passive optical network）技术，是目前最为看好的下一代接入 技术。该技术是指基于点到多点拓扑结构光纤网络的一类技术的总称。按照信道的使 用情况，分为时分复用 pon 和波分复用 pon 两种，其中波分复用 pon 又有 apon、 epon 和 gpon 之分。由于波分复用 pon 系统成本很高，目前近几年 pon 技术得到 大规模商用的只有时分复用 pon 系统，其中 epon 主要在中日韩使用，gpon 主要应 用在欧美国家。第二章的 pon 技术研究会更加详细地解释该技术。 上面的这些技术，isdn 技术应用最早，但是能够提供的数据传输带宽最小。lan、 3 dsl、hfc、电力线接入技术都是目前主流的技术，能够提供的数据传输速度都差不 多，在不同场合发挥了一定作用10。但是目前高带宽业务的发展，急需更高的接入带 宽。需求决定技术的发展，pon 技术近年来飞速发展就体现了这一点。下面这一小节 讲 pon 技术。 1.3 课题意义 epon 标准 802.3ah的特点是尽量放宽标准的限制11，为设备制造商提供最大的设 计空间，其好处是可以尽量降低 epon 系统的成本，但是这个特点也带来了不同厂家 设计的 epon 系统差别过大的问题。 其中较大的问题就是 epon 系统的互联互通问题，下面详细解释。epon 体系中， olt 和 onu 通过互发操作维护管理 （oam： operation、 administration、 and maintenance） 帧来实现系统的维护与管理。802.3ah规定了 oam 帧的基本格式、定义了若干基本功 能的 oam 帧，并且允许设备制造商通过自定义 oam 帧来扩展系统的功能。一般不同 设备制造商的自定义 oam 帧是不相同的，这样就导致了不同厂家制造的局端设备和 用户端设备不能互联互通。为了解决互联互通问题，中国电信颁布了中国电信 epon 设备技术要求 v2.012。 我所在的光纤教研室研究方向之一是接入网。中国电信定义了技术要求后，我们需 要开发出满足互联互通要求的 epon 系统，同时该系统可以为教研室研究混合波分时 分 pon 系统以及 10g epon 系统研制做准备。 1.4 本论文主要内容 在整个项目中，我的任务是用户端设备 onu 的设计与开发。因此，本论文的主体 也是 onu 的设计。各个章节内容如下： 第二章：绪论。对接入网介绍； 第二章： epon 技术研究与系统方案设计。 首先研究 epon 系统，并阐述了与onu 设计相关的关键技术。再对整个 epon 系统设计定位、onu 种类和方案等进行阐述。 第三章：单住户型 onu 设计与测试。对单住户型 onu 的工作原理、电路设计与 调试、测试进行叙述； 4 第四章：多住户型 onu 设计与测试。对单住户型 onu 的工作原理、电路设计与 调试、测试进行叙述； 第五章：总结。 5 2 epon 技术研究与系统方案设计 2.1 无源光网络技术研究 无源光网络（pon：passive optical network）是被通信界看好的下一代接入技术之 一。其架构图如图 2.1 所示，一般使用 “一点到多点” 拓扑结构，局端设备为其中的 “一 点” ，用户端设备为“ 多点” 。 “一点”使用一根单模光纤连接到光纤分支器，然后再使 用多根单模光纤分别连接到“ 多点” 。pon 系统中，局端设备一般被称为 olt（optical line terminal，光线路终端） ，用户端设备一般被称为 onu（optical network unit，光 网络单元） ，olt 和 onu 之间的光纤网络被称为 odn（optical distribution network， 光配线网络）11。odn 采用无源的点到多点拓扑结构的好处很多，比如施工时一般会 把光分支器放在靠近用户端的位置，这样和点到点光纤接入网络相比，会节省很多光 纤，并且便于维护11。 ont onu olt 光分支器 1:n onu 光纤 用户端设备 局端设备 图 2.1 pon 网络架构 由于光分支器的特性，pon 的下行信道（olt 到 onu）和上行信道（onu 到 olt）不同。下行为点到多点，而上行是多点到一点。这样下行信道只有 olt 发光， 而上行信道许多 onu 会“争用”信道，这样就得采用一定的方法避免“碰撞”13。 一种方法是波分复用（wdm） ，也就是不同的 onu 使用不同的波长，但是在目前这 样做成本太高，基本不可行。另一种方法是时分复用（tdm） ，就是在 olt 的“指 挥”下，不同的 onu 在不同的时间窗口发送数据，这样就可以避免碰撞11。图 2.2 为 tdm 示意图11。 6 onu2 onu32 光分支器 olt internet pots onu1 时分复用 1 2 32 uni 用户侧网络接口 接入网络 下行波长:1490 nm 上行波长:1310 nm 射频波长:1550 nm 用户侧网络侧 1232 1232 1232 1232 1232 1232 sni 业务节点接口 图 2.2 pon 系统时分复用示意图 目前已经商用的 tdm pon 种类有：apon、epon、gpon。apon 是指二层协议为 atm 的 pon，由于其不支持变长包而对 ip 数据包的支持不够理想、开销较大，现在很少 有人提及了。epon（ethernet pon，基于以太网的 pon） ，就是第二层协议使用以太网协 议的pon 系统， 由 ieee 开发。由于以太网的普及， epon 具有成本低、结构简单的优点。 itu- t 在 apon 的基础上，提出了 gpon 来和 epon 竞争。gpon 同时支持 atm 和变 长帧，在管理上比 epon 更好、效率更高，但是实现复杂，成本较高11。 onu2 onu32 光分支器 olt internet pots onu1 uni 用户侧网络接口 接入网络用户侧网络侧 sni 业务节点接口 图 2.3 epon 系统框图 7 图 2.3 为 epon 系统框图，其主要组成部分有：olt、光配线网络、onu。对于 epon 系统，网络侧和用户侧使用千兆或百兆以太网协议，olt 和 onu 之间是点对多 点网络，使用的是 802.3ah协议11。因此，epon 系统就像一个协议“ 桥” ，起将协议相 互转换的作用，使数据转换形式，能够顺利通过 epon 系统中的点对多点光纤网路。 epon 系统使用的波长是：下行为 1490nm，上行为 1310nm，如果有 rf 视频信号，波 长为 1550nm波段。epon 系统是二层设备，其帧形式的转化功能主要由 mac 芯片完 成。这里先介绍最重要的 mac 芯片，然后再介绍 epon 系统的各个组成部分。 epon mac 芯片分成 pon mac 芯片和 onu mac 两种。由于 onu 为用户端设 备，对成本极其敏感，因此作为 onu 的重要组成部分，onu mac 芯片也是越简单、 越便宜越好。pon mac 芯片指位于 olt 的 mac 芯片，由于 olt 成本由整个 pon 链 路的用户分担，其成本高些没关系，这样就造成了 pon mac 芯片复杂且昂贵、onu mac 芯片较为简单廉价的现状。 olt 硬件框图如图 2.4，省略了其中次要的部分。pon mac 芯片是其中最重要的 部分， 负责把两种协议的数据相互转化。 mac 芯片内部一般集成有处理器， 比如 arm9 等，对整个 pon 系统进行管理。光收发模块负责把光电信号相互转化，网络侧接口负 责接口形式的转化，比如 gmii 口转化为 serdes 接口。存储模块用来缓存数据和存放 处理器程序14。 光收发模块pon mac芯片 存储模块 网络侧接口 图 2.4 单路 pon 的 olt 结构示意图 上面仅仅为单路 pon 的 olt 结构。但是现实中的机房空间资源很宝贵，如果一台 设备就一个 pon 线路，就太浪费空间，而且不便于管理。现实中的 olt 都是单设备 集成多路 pon 的。这样的高集成度设备有两种： 盒式 olt：高度一般在 1u2u之间（1u = 44.45mm） ，集成的 pon 路数一般在 10 8 路以下。 机框式 olt：支持插卡，每个扩展卡上有单路或多路 pon，集成度比盒式olt 高， 目前常见的机框式olt集成路数为几十路pon。 比如ut斯达康的pon设备bbs4000， 每个机框最多支持 44 路 pon。 尽管在集成度上有所区别，但是在硬件结构上很类似，如图 2.5。因为设备中有多 路 pon，设备制造商一般采用高性能的交换芯片，对各路 pon 的数据进行汇聚，然后 从统一的上联电口或上联光口连接到网络上。主 cpu 上一般运行有嵌入式实时操作系 统，作用是对交换芯片和 pon 系统进行管理。 主cpu芯片 主交换芯片 pon卡 pon卡 pon卡 上联光口 上联电口 管理接口 图 2.5 多路 pon 系统的 olt 结构示意图 光配线网络，指 olt 和 onu 之间的光纤网络，包括干线单模光纤、支线单模 光纤、光分支器、光纤连接接头等，都是无源器件，这也是“ 无源光网络” 的命名来 源。 目前商用接入网系统中， 大多使用 g.652 单模光纤， 该光纤在 1310nm 和 1550nm 窗口性能良好15。在现在开发的 10g epon 系统中，仍然可以使用 g.652 单模光 纤16。 onu 为用户端设备，一般放置在靠近用户的地方，比如小区机房、路边甚至室 内。由于使用场景多种多样，用户需求也不尽相同，onu 设备的种类就很多。举 例说，基本型 onu 仅仅提供宽带接入功能，家庭网关型 onu 可以提供网关功能， 有些 onu 可以提供多个以太网接口，以适应多住户环境，有些 onu 甚至提供了 voip（voice over internet protocol）功能。下文中的 onu 设计部分会对 onu 作进 一步的介绍。 此外，epon 系统还有个组成部分：网元管理系统（ems: element management 9 system） ，作用是为整个 pon 系统提供管理功能17。通过 ems，管理者只要可以连上 因特网，就可以对系统进行管理。其管理机制一般是发送命令帧给上面 olt 中的主 cpu，然后主 cpu 解析命令，再做出相应的操作18。 2.2 硬件设计总体定位 epon 系统为二层设备，可以支持的业务类型包括以太网/ip（internet protocol）业 务、话音业务、tdm业务和有线电视（catv：community antenna television）业务 等，其中 tdm业务为 e1 电路仿真业务。其中对以太网/ip 业务的支持能力是必需的， 也就意味着 olt 和 onu 对必须支持以太网和 ip 数据业务，必须提供以太网上联口和 用户侧接口。除了以太网/ip 业务之外，其他的业务可选，由设备制造商决定是否支持， 相应的接口也取决于制造商的选择。 设备的应用场景决定了设备的类型。课题组设计 epon 系统的目的是做出支持中 国电信互联互通要求的 epon 系统，以实现科研项目产业化，并为下一步的时分波分 复用 pon 系统开发做准备。在考查市场后，决定将 epon 设备应用场景定位在数据通 信市场，主要提供宽带接入功能。由于课题组人员有限，难以设计出性能与一些大的 设备制造商相媲美的 epon 系统，故把目标市场定位在专用网络，通过提供较高性价 比的设备来赢得市场。因此，我们目标是设计出高性价比的数据通信型 epon 系统。 在这样的指导原则下，设计出的 epon 系统上联口和用户侧接口主要是以太网接 口，其他接口暂不支持。 2.1 节的介绍中，可以知道用户对 epon 系统的成本较为敏感， 尤其是 onu 设备的成本。因此，在设计 onu 时，基本方向就是在保证设备质量的前 提下尽量降低设备成本。 onu 为用户端设备，用户端多种多样的应用场景决定了需要设计出相应 onu 设 备。对于用于宽带接入的 onu，一般有单住户型 onu和多住户型 onu 设备。单住户 型 onu 主要针对单独的家庭用户，主要支持宽带接入功能，仅仅提供一个或者两个以 太网接口。多住户型 onu 设备主要用于多个住宅用户，比如小区楼栋等，提供多个以 太网接口，常见的端口数目有：4、8、16、24。 进行 onu 的设计等，需要先确定核心芯片epon mac，然后才能有针对的进 行设计。下一小节介绍 mac 芯片选型。 10 2.3 epon mac 芯片选型 epon mac 芯片的选择至关重要。epon 系统中主要的数据处理工作是由 epon mac 芯片完成的，mac 芯片的功能很大程度上决定了设备的功能。如果 mac 支持 某种功能，设备制造商也很容易将其实现；如果 mac 不支持，想额外开发出来，难度 就会很高，几乎不可能实现。另外，mac 厂家的服务程度对系统开发影响较大。如果 mac 厂家提供较好的技术支持，完善的文档等，开发 epon 系统就会容易很多。 目前全球推出tdma epon核心mac芯片的厂商主要有pmc、 teknovus和cortina 三家公司。下面分别研究各个公司 mac 芯片的特点。 pmc 公司的 olt mac 芯片型号为 pas5201，onu mac 芯片型号为 pas5201。 其特点总结如下： (1) 第一个推向市场满足中国电信要求的 olt 芯片，针对中国电信集团提出的 epon 设备要求而进行的设计，非常适合中国市场的大规模部署19； (2) 内置 arm9 处理器内核，支持全部的 802.3ah功能； (3) 支持 vlan、组播、ipv6、ipv4、fec、链路加密、动态带宽分配等，其中 的增强型 fec 功能可以提高线路功率预算，从而支持更高的分支比与更长的通信距 离；20。 (4) 有一整套的 olt 软件开发包以及完整的设备驱动； (5) 支持 voip，这样语音业务在光纤中传输的成本会更低； (6) 大空间的缓存，对 iptv 支持较好。 cortina 公司的 olt mac 芯片型号为 cs8021、cs8026，onu mac 芯片型号为 cs8015、cs8016，其特点总结如下： (1) 芯片支持中国电信互联互通要求。 (2) olt mac 的集成度较高。cs8021 单芯片集成 4 路 pon，cs8026 单芯片集成 2 路 pon，这样的高集成度可以大大简化电路板设计、降低设备物料单成本，制造出 的设备具有相当高的端口密度。21,22 (3) onu mac 芯片型号集成度较高，支持 serdes 接口、gmii、tbi 接口，并且 集成 ram，最少的情况外部只需要 flash 接口。onu内部集成 arm7 处理器，处 11 理性能较强，并且内核支持嵌入式操作系统 iros，可以进一步提高对互操作性的支 持23,24。 teknovus 公司的 olt mac 芯片型号为 tk3723，onu mac 型号为 tk3715，其 特点如下： (1) tk3723 集成度较高。单芯片支持两路 pon，并且可以实现单路 pon 系统下 行 2.5gbps，可以为 onu 提供更高的下行速率，该功能仅有 teknovus 实现。并且有可 配置的动态带宽分配，支持线速处理，性能较强25。 (2) onu 集成度较高， 需要的外围电路较少。 内部集成 51 内核， 芯片成本低。 onu 软件不开源，只需要对其进行配置即可。设计成本较低26。 (3) teknovus 公司首席科学家和系统架构师 glen kramer 同时是 ieee efm 一名活 跃的编辑，参与了 802.3ah标准制定的全过程，现任 ieee 10g epon 工作组主席11。 因此，teknovus 对 epon 芯片的设计会更好地把握协议内容。 从上面这几点描述， 可以看出 pmc 功能较为一般， cortina 公司的特点在于其高 集成度，teknovus 集成度较高，并且下行支持更高的速度。基于芯片价格、厂家实 力等，我们决定选用 teknovus 公司的芯片。这三家的产品都支持中国电信的互联互 通标准，选用了其中任意一款的芯片，我们做出的设备都是支持中国电信互联互通 要求的。 2.4 光网络单元方案设计 光网络单元的核心为 onu mac 芯片 tk3715。其特点是集成度较高，只需要一 个串行 flash芯片。外部接口有： (1) serdes 接口，用来和光收发模块相连，形成 pon 侧接口。 (2) 1 个 gmii 接口和 1 个 mii 接口。为用户侧接口，形成 1 个千兆以太网接口和 1 个百兆以太网接口。其中的 gmii 接口可以用来连接交换芯片，拓展出更多的以太网 接口。 2.2 节描述了 epon 系统设计定位在数据通信市场，主要提供以太网通信功能。 光网络单元主要提供宽带接入功能，因此其用户侧接口为以太网接口。市场同时需求 单住户型 onu 和多住户型 onu。单住户型 onu 一般只有少数的以太网接口，加上 12 tk3715 仅有一个千兆以太网接口和一个百兆以太网接口，因此第一步是设计出带有 1 个百兆口和 1 个千兆口的单住户型 onu。该设计在第三章有详细描述。 onu 用作单住户接入，成本还是有点高。目前大都是每个 onu 后分接多路用户 使用，这样 onu 就扩展出多个以太网网口，也就是多住户型 onu。实际应用中，有 两种方案来为 onu 拓展出多路以太网接口： (1) 使用单住户型 onu+交换机，扩展出多个以太网网口方式。如图 2.6： onu 设备 switch 交换机 n个千兆或百兆网口 千兆或百兆 以太网接口 接口1 图 2.6 单住户型 onu+交换机方案 图 2.6 中两个方框写有 onu 和 switch，分别代表 onu 设备和交换机。该方案 优点是简单，可以根据需要扩展出多个以太网接口。缺点是网元管理系统仅能对 onu 上单个以太网接口（即图 2.6 的接口 1）进行管理。不能提供针对交换芯片每个端口进 行 qos 管理。该方案适用于公司集团用户，因为集团内部用户之间服务等级一样的， 不需要特别的管理。 (2) 单个 onu 上集成可管理型交换芯片，在 onu 设备内部扩展出多个以太网网 口，我们称之为多口型 onu，如图 2.7。 switch芯片光模块 onu mac 芯片 接olt gmii 管理通道 n个千兆或百兆网口 onu设备 serdes 图 2.7 多口型 onu 13 图 2.7 中，外面的大方框表示 onu 设备，也就意味着把可管理交换芯片集成到 onu 设备内部。这样在设计 onu 软件时，可以提供针对每个以太网网口的管理，整 个 epon 设备 qos 性能更好。 我在硕士期间设计出了带有 4 个百兆口的多住户型 onu，并且进行了 16/24 口 onu 的设计，这在第四章会有详细描述。 14 3 单住户型光网络单元设计与测试 3.1 单住户型 onu 工作原理 本设计规格为 1 fe口+1 ge 口 onu，工作原理示意图如图 3.1。 sff pon接口 tx: 1310nm rx: 1490nm 重启电路 serdes onu mac芯片 ge phy flash 存储芯片 gmii mdio spi 时钟 uart串口 led灯 10/100/1000 base- t 电源 图 3.1 单住户型 onu 系统框图 该 onu 外围接口有：1 个 pon 口、1 个千兆以太网端口和 1 个串口。pon 口用来 和 odn 的支线光纤连接头相连；千兆网口用来连接用户局域网或者个人电脑。串口供 厂商使用，可以通过该接口为 onu 的存储芯片烧写程序、调试电路等。pon 接口上 传输光信号，而 serdes 传输差分电信号，因此需要一个器件完成光电转换。图中 sff （small form factor）为小型光模块，作用就是完成光信号和电信号的相互转化。sff 使用 serdes 接口与 onu mac 相连，该接口为超高速接口，两对差分线分别负责收发 信号。onu mac 是第二层芯片，作用是把 802.3ah格式的数据帧和 802.3 格式的数据 帧相互转化，接收并处理 olt 端发送过来的 oam 管理帧，对 onu 进行相关配置。 ge phy 为物理层芯片。 查看 onu 的数据流动方向，可以加深对 onu 的理解。对于下行数据，光信号从 odn 到达 sff，sff 把数据转换成电信号后，通过 serdes 接口把数据传递给 onu mac， 这时数据还是 802.3ah格式的。 onu mac 把 802.3ah格式的数据帧转换为 802.3 格式的数据后，输出到用户侧接口，也就是图中的千兆网口。上行数据流动路径和下 15 行数据流动路径相反。 3.2 单住户型 onu 具体电路设计 3.2.1 电源变换 整个系统由 12v供电。预计整个电路板上，需要的电压有 3.3v、1.2v，具体的单 板电源功率需求计算如下表。 表 3.1 onu 功率预算 型号 数量 1.2v(mw) 3.3v (mw) 总计(w) led 指示灯 30 200 sff 光模块 1 1056 onu mac 1 552 171.6 串行移位寄存器 1 825 时钟分路芯片 1 82.5 串行 flash 存储器 1 49.6 百兆 phy 1 383 千兆 phy 1 761.4 重启芯片 1 合计 0.6w 3.6w 放宽 1.5 倍(w) 0.9w 5.3w 6.2w 总计：1.2v器件功率消耗 0.9 w，0.8a；3.3v器件功率消耗 5.3w，1.6a 整个 onu 用电大概为 6w，总输入为 12v时，电流为 0.5a。 ap1513 12v 3v3 ap1513 1v2 图 3.2 单住户型 onu 电源转换方案 16 12v 电源输入后，需要转换为 3.3v，1.2v 两种工作电压。由 12v 转换出 3.3v、 1.2v，有多种方案： (1) 最简单的，就是找出多路电源管理芯片，直接做到单芯片输出两路电源。生产 这类高端电源的公司有 ti 等，这些芯片业价格偏高，故放弃该方案。 (2) 使用 dc- dc 芯片，转换方案如图 3.2。 在调查后，dc- dc 芯片决定采用 diodes 公司的 ap1513，该芯片有如下特点： (1) cmos 工艺制成，内置开关管，可带 2a 负载，并且有相同封装的芯片可以替 换，替换芯片最大输出为 3a； (2) 3.6v18v的宽输入范围； (3) 高达 93%的转换效率； (4) 使用 0.8v作为参考电压，输出范围 0.8v- 17v； (5) 450khz的开关频率，配套电感，电容值小，外围电路小而简洁； (6) 具有软启动、限流保护、使能/关闭、高温关断保护功能； (7) 小体积、高效率、大电流，2a 足够 onu 使用； (8) 是国产芯片，价格很低，适合客户端这样价格敏感的设备使用27。 ap1513 的管脚配置27如表 3.2。 表 3.2 ap1513 的管脚功能表 管脚名称 管脚序号 功能描述 fb 1 反馈管脚 en 2 使能管脚 高电平: 芯片正常操作 (也就是工作在电源转换状态) 低电平: 芯片停止工作 (芯片内部所有电路停止工作) ocset 3 外接电阻，可设置最大输出电流 vcc 4 芯片电源输入端 output 5、6 电源输出管脚。外部接电感和二极管等，注意要尽量减小走线区 域，用来减小电磁干扰 vss 7、8 接地管脚 17 具体电源电路27设计如下： c177 470uf,25v vout rb 1.8k u20 ap1513 vcc 4 ocset 3 en 2 vss1 7 vss2 8 output1 5 output2 6 fb 1 c173 0.1uf c178 470uf,25v vin d20 sbr2u30p1 2 1 l127uh c172 0.1uf ra 5.6k c179 0.1uf r232 3kc171 0.1uf r234 100k c180 0.1uf 图 3.3 电源电路 这个电路输出电压可以调节，具体值由公式 vout = vfb x (1+ra/rb) 决定，其 中 rb =0.7k5k ohm。 3.2.2 pon 侧接口 pon 接口实现光电信号相互转换，此功能由 sff 实现。sff 使用 serdes 接口与 onu mac 相连。onu mac 芯片内集成有 serdes接口，因此可以直接使用 sff 连接 onu mac，中间不需要 serdes，降低了 onu 成本。市场上可以采购到的光模块品牌 有飞博创、台达、恒宝通、昂泰等。pon 用光模块的封装有相关的标准，外形尺寸、 管脚的间距等都相同，只是一些细节上有区别。取决于功能多少和厂家设计，pon 用 光模块的管脚设置一般有 25、27、210这几种封装。举例说明，这里 210指的是 有 210个管脚，分作两排，每排 10 个管脚。一般 210为智能型光模块，可以通过 i2c 总线对光模块进行监控28。onu在设计时可以通过预留管脚、电容电阻的焊接与否来 兼容这些光模块。这里以飞博创的光模块为例，讲解 pon 口设计。 图 3.4 为接口示意图29，其中 ftm- 9423 为 onu 专用光模块，下行兼容 2.5gbps 和 1.25gbps，上行为 1.25gbps，很适合 teknovus 的 onu mac 芯片29。以pad 开头 的四根连线为 serdes 接口，为差分线，两根用来发送数据，两根用来接收。下面的 tbi_upen 为数据指示线， onu mac 可以通过它发送高低电平来控制 sff 是否发光。 下面的连线 sd，是 sff 用来告知 onu mac 它有没有收到光信号。 18 1310nm 发送波长 1490nm 接收波长 tbi_upen sd pad_rxp pad_rxn pad_txp pad_txn ftm- 9423p- f10 光模块 teknovus onu mac 芯片 图 3.4 pon 接口示意图 3.2.3 用户侧接口 teknovus onu mac 用户侧有两个接口：gmii和 mii。mii 意为介质无关接口， 在外围需要加上物理层芯片 phy 才能转换成以太网接口。国内可以采购到的 phy 芯 片，价格低廉的都是台湾生产的，具体厂家有瑞昱半导体和九阳电子等。其他公司一 些公司，比如高通、micrel 等公司生产的芯片，价格要高出很多。最后考虑采用瑞 昱半导体的芯片，使用其中 gmii接千兆 phy 芯片 rtl8211，构成千兆以太网接口； mii 接百兆 phy 芯片 rtl8201，构成百兆以太网接口。 rtl8211 是一款高集成度的以太网收发控制器， 支持 ieee 802.3 标准的 10base- t、 100base- tx 和 1000base- t 接口。它提供了在非屏蔽 5 类线上收发以太网帧必需的全 部功能。此外，该芯片还支持交叉连接探测及自适应功能、差分线极性自适应功能、 串扰消除、时钟恢复和错误校正等功能，以增强以太网传输的强健性。该芯片支持 rgmii 和 gmii 两种接口形式，并且支持 3.3v 和 2.5v 两种电压。还具有低功耗等特 性30。rtl8201 为百兆 phy 芯片，