（光学工程专业论文）基于sdh新型光接口转换设备的研究和实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 s d h ( s y i l c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字序列) 技术以其高度的标准化和灵 活完善的优点成为当前传输网络的主要传送体制，并被广泛应用于各种数据传输领域。 针对各种领域的不同应用情况和对网络性价比的追求，出现了多种不同类型和标准的 光接口。随着网络规模的扩大和应用的增加，对在不同标准光接口之间进行数据传输 的要求越来越强烈，迫切需要一种快速简洁的光接口转换解决方案。 针对上述情况，需要开发基于s d h 技术的系列光接口转换设备，快速响应市场需 要，解决光接口之间的数据互连。 本文针对1 0 g b ，ss d h 信号在v s r 并行传输光接口和串行传输光接口之间的互连 问题提出了一种采用光一电一光进行光接口转换的快速解决的新方法，并对方案进行设计 验证，最终形成了可商用化的光接口转换设备。该设备最终实现了1 0 g b ss d h s t m 6 4 s o n e to c 1 9 2 信号在满足o i f v s r - 4 0 1 ( v 田s h o r tr e a c ho c - 1 9 2 s 1 m 一6 4 i n t e r f a c eb a s e do np a r a l l e lo p t i c s ，基于并行光传输的甚短距离o c 一1 9 2 s t m 一6 4 光接口； o i f 为0 p t i c a l i n t e m c t w o r k i n gf o m m ，光互联网论坛) 标准的并行甚短距离( v s r ) 传 输光接口与串行长距离传输光接口之间透明转换。通过测试验证，其单模光接口指标 满足i t u tg 6 9 1 标准，多模光接口指标满足0 i f v s r _ 4 叭标准。 本文的结构安排如下： 首先详细介绍了本文设计的光接口转换设备应用的光网络和s d h 甚短距离传输 方式结构和串行传输结构。其次介绍了设备的组成原理以及设计中所采用的关键技术， 主要包括高速电路设计基础、高速光电信号的串并行转换以及光电器件的工作原理和 特性等。最后介绍了1 0 g b s 光模式转换器的工作原理和电路设计，并给出了整机实现、 测试和试验的结果和数据。 关键词：同步数字序列甚短距离并行光接口 s t m 一6 4串并转换 多模单模 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s d ht e c h n o l o g y ，w i t hh i 曲s t a n d a r d i z a t i o n ，n e 面b i l i t ya 1 1 dm a t u r i t y ，h a sb e c o m et h c m a i n s 仃e a m 咖l s m i s s i o ns y s t e mi nc u r r e n t 把m s m i s s i o nn e ，o r k n s 、v i d e l yu s e di nv a r i o u s d a t a 仃a 1 1 s m i s s i o nf i e l d s f o rd i r e n t 印p l i c a t i o n s 洫d i f r e r e mf i e l d s a 1 1 dt h ep u r s l l i tf o r n e t w o r kp e r f o m a i l c ep r i c er a t i o ，t h e r eo c c u rm a n yo p t i c a l i n t e r f a c e so fd i f f b r e n tt y p e sa n d s t a l l d a r d s w i mm ei 1 1 c r e a s eo fn e t ，o r ks c a l ea 1 1 da p p l i c a t i o n ，t h en e e df o rd a t a 把m s m i s s i o n b e t w e e nd i f r e r e n to p t i c a li m e r f a c e sb e c o m e sm o r ea 1 1 dm o r ei n t e n s i v e ar a p i da n ds i m p l e o p t i c a li i l t e r f h c ec o r e r s i o ns o h l t i o ni sh j g h l y 芎e dt oc o m eu p a sf o rt h ea b o v e m e n t i o n e ds i t u a t i o n ，s e r i e so fc o n v e r s i o nd e v i c e s ，w h i c ha r eb a s e do n s d h t e c h n 0 1 0 9 ya n dm e e tr c q u i r e m c m so fo p t i c a li n t e 血c e so fv a r i o u ss t a n d a r d s ，s h o u l d b e d e v e l o p e dt op m v i d es i m p l ea n dp r o p e rp r o d u c t sf o rm et a 曙e tm a r k e t an e ws o l u t i o nt or a v e lo u tt h eq u e s t i o na i m 血ga tt h ec o n v e r s i o no fs t m 一6 4 ，o c - 1 9 2 s i 印a lb e t w e e nt h ep a r a l l e lo p t i c a li n t e 、a c ea i l dt h es e r i a l 叩t i c a li n t e r f a c ew a sp r o p o s e di i l t 1 1 i s 廿1 e s i s ，a 1 1 dd e m o n s t r a t e dad e s i g nf o rt 1 1 i ss o l u t i o n ，f i n a l l ya no p t i c a li n t e r f a c e c o n v e r s i o ne q u i p m e n tb a s e do nt h j si d e aw a ss u c c e s s 向1 l ym a d e t h ee q u i p m e n tr e a l i z e s b i d i r e c t i o n a lm m s p a r e n tc o n v e r s i o no fs d h 0 p t i c a ls i g n a l sb e t w e e nv s rp a r a l l e lo p t i c a l i n t e r f a c ec o m p l i a n t 、v i t ho i f v s 艮4 0 1 ( o p l i c a li m e m e t w o r k i n gf o r u r n ，v c r ys h o r tr e a c h o c 一19 2 s t m 一6 4i t l t e 如c eb a s e do np a r a l l e lo p t i c s ) a t l ds e “a l0 p t i c a l n t e r f a c e n sp 姗l l e l o p t i c a li n t e 血c ec o n f b 肌st oo i f - v s r - 4 0 1a n dt h es e r i a lo p t i c a li m e r f a c ec o n f b m st or e c i t u tg 6 9 1 t h ea n i c l ei so r g a l l i z e da sf 0 1 l o w s ： i tf i r s ti n 廿o d u c e st h ea p p l i c a b l eo p t i c a ln e t w o r ko f 血ed e v i c ea n ds d hv s r t r a n s m i s s i o n 咖c t i l r ea n ds e r i a l 仃a n s r n i s s i o ns t n l c t u r e t h e ni ti n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o n a n dp 曲c i p l eo f t h ed e v i c e ，t h ek e yt e c h n 0 1 0 9 i e sa d o p t e df o ri t sd e s i g ni 1 1 c l u d i n gh i 曲s p e e d c i r c l l i td e s i g nb a s i s ，h i g hs p e e dp h o t o c l e c t r i cs i g d a l ss e r i a l p 删l e lc o n v e r s i o n ，o p e r a t i n g t h e o r ya n dc h a r a c t e l j s t i c so fp b o t o e l e c t r i cd e v i c e s l a s t l y ，i ti 1 1 u s t r a t e s l ew o r k i n gp r i n c i p l e a n dc i n ：u i td e s i g no f1 0 g b so p t i c a li n t e f f a c ec o n v e r t e r ，a sw e l la sg i v i n gr e s u l t sa n dd a t ao f t h ew h o l ee q m p m e n t sr e a l i z a t i o n ，t e s ta i l de x p e r i m e n t s k e yw o r d s ： s d hv s rp 锄l l e l0 p t i c ss t m 一6 4 s e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r s i o n s i n g i em o d e m u l t i m o d e i i 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：张颦红 日期：j 卯占年f 月8 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 不保密留。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：张翠红 日期：6 年 月罡日 指导教师签名 日期：鹚角n 吕同 华中科技大学硕士学位论文 1 综述 1 1 光传输系统的发展 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增，世界范围内的i p 业务突飞 猛进的发展。人类信息化速度的加快，推动骨干光传输网络向超大容量和超长距离方 向发展。 提高单通道传输速率和增加波分复用通道数作为有效提高系统容量的主要途径， 得到迅速发展。到目前为止，单通道速率为已经从4 5 m b i “s 发展到1 0 g b i “s ，并已经达 到商用化水平，被广泛应用在骨干网和城域网中。4 0 g b i 讹系统也已经有很多实验系统 和测试现场报道，实用化进程正在加速进行。波分复用技术作为提升光传输系统容量， 提高光纤带宽资源利用率的扩容技术不断发展。目前，粗波分复用技术在全波光纤中 已经发展到了1 8 个通道。密集波分复用技术通道间隔已经从2 0 0 g h z 发展到了5 0 g h z 、 2 5 g h z ，并从c 波段扩展到了l 波段和s 波段，单纤波长数已经从8 波、1 6 波发展到 2 0 0 波以上i “。 光纤技术和器件的发展，掺铒光纤、光放大器的出现和编码技术及色散补偿技术 的进步，推动光传输网络向超长距离方向发展。单跨度传输距离从4 0 k m 发展到了 1 2 0 k m ，甚至1 6 0 k m ，系统无再生中继传输距离己达到数千公里。2 0 0 3 年烽火通信公 司通过了通道间隔为5 0 g h z 的3 2 x1 0 g b sd w d m 系统，采用n r z ( n i r e t u mt o z e m ，非归零) 码，符合q 7 0 9 的f e c 技术、f r a 技术在实际的3 0 4 0 k m 的g 6 5 2 光 纤上传输的传输试验1 3 1 。 另一方面，光传输网络正向多业务化和智能化发展 4 】。城域光传输网络承担着骨干 传输网络和接入网络的汇接任务，采用具有高度可靠性的s d h 网络承载接入网的多种 多样的业务，可避免多个业务网络重叠和降低网络投资成本、并简化网络业务部署和 管理，使城域光传输网络向多业务化方向发展。 当前，城域网、接入网的智能化和宽带化的趋势又使骨干网面临着新一轮的发展 机遇和市场考验，其网络结构从简单的点到点的传输系统向环形网和网格型网的方向 发展，功能特点将从单纯的满足容量需求，向完善网络功能、增加网络智能化方面发 华中科技大学硕士学位论文 展。 图卜l 多业务城域网结构 1 2s d h 甚短距离( v s r ) 光传输技术的产生和发展 通信网尤其是i n t e m e t 的迅猛发展，对带宽有爆炸性需求，这就需要各网络运营商 根据用户需求不断增加中心局所内接入路由器与核心路由器之间、核心路由器与光传 输系统之间的光纤连接。由于大多数设备都集中在同一个建筑内，因此这些链路大多 数距离在3 0 0 m 内，据估计，将近百分之八十的局内1 0 g b s 数据通信链路连接在1 0 0 米距离内【5 1 。然而现有的同步光网络系统是按长距离骨干网传输设计的，采用的是比较 昂贵的串行光发射和光接收设备，不适合降低局内传输链路的成本，同时对高性能的 光接口来说也是极大的浪费。面向局内低成本光传输连路，提出了甚短距离( v s r ) 光传输技术。 v s r 技术成本低，性能稳，是光通信技术发展的一个全新领域，目前已逐渐成为 国际通用的标准技术。目前，我国光传输网与数据网正处于高速发展期，廉价1 0 g b ，s v s r 传输方式应用前景十分广阔。 甚短距离并行光传输仍采用s o n e t s d h 帧接口，使用价格相对低廉的v c s e l ( v e r t i c a lc 州t ) rs u 曲c ee m i m n gl a s e rd i o d e ) 激光器和低速率的并行光传输技术来取 代昂贵的高速串行光传输，使网络服务商可以在大幅降低成本，同时又有效地解决客 户在接入点内部传送0 c 一1 9 2 s r i m 一6 4 ( 9 9 5 3 2 8 g b s ) 标准速率的需求。v s r 在网络体系 华中科技大学硕士学位论文 中的位置如图1 2 所示。 图卜2 典型的汇接点体系结构 在构建下一代高速、大容量全光通信网络中，由于光接口器件在网络系统中的应 用数量巨大，甚短距离传输技术以其价格低和性能稳定的优势，吸引了众多光电子和 网络设备制造商的注意，逐渐成为全光网的一个重要组成部分。2 0 0 0 年末到2 0 0 1 年初， 光学网际互联论坛( o i f ，o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r 眦) 相继通过了v s r 的4 个标准： v s r 4 1 ，o 、v s r 4 2 o 、v s r 4 3 o 和v s r 4 4 0 ，并于2 0 0 2 年九月制订了v s r 5 标准， 分别面向s t m 6 4 o c 1 9 2 和s t m 2 5 6 o c 7 6 8 的甚短距离传输。v s r 系列标准的推出 都是为了降低局内短距离光互连的成本，并且能够与设备的电接口兼容，进而可以把 发射和接收模块置于设备内部，相当于为设备增加了v s r 的光接口。 1 3 光接口转换的研究现状及本研究课题的提出 近年来，以1 0 gs d h 和d w d m 技术为代表的光纤传输技术有了重大突破，骨干 网带宽从g b s 向t b s 发展；在企业和居民用户端的网络速率，则随着千兆比特以太网 技术进入商业应用而向a b s 发展。这两个趋势使城域传送网产生了巨大的带宽压力和 多种新的功能需求，主要包括：高带宽、大量的用户节点及众多的类型、灵活的带宽 分配、多业务支持和协议无关性、保护和自愈以及便捷的网络管理等。随着城域网向 智能多业务化发展和接入方式多样化，必然导致多样化系统光接口形式。如何解决多 华中科技大学硕士学位论文 种形式的光接口互连成为光传送网的一个热门的研究课题。 世界范围内的多形式光接口的数据互连的研究很早就开始了，如加拿大b t i ，德国 l a s 心“i l ea g ，中国的中兴通信，烽火通信，瑞斯康达等都开始了相关领域的研究，并 推出了相关应用的产品。 光迅公司在2 0 0 1 年启动了针对光接口数据互连产品的研究，并先后推出了光波长 ，模式转换、光纤收发器、波分复用转换器等二系列光接口转换产品。 光接口的互连离不开光器件的发展。1 0 g b s 高速激光器和探测器的实用化，推动 1 0 g b s 光传输系统广泛应用。在当前应用的1 0 g b ss d h 光传输系统中，绝大部分光传 输线路都采用高速光发射和接收的串行光传输技术。它的发射方向是将成帧器输出的、 速率为6 2 2 0 8 m b s 的1 6 - b i t 并行数据进行并串转换，即采用时分复用的方式复用 成9 9 5 3 g b s 的高速信号，通过激光器调制到光纤上传输。接收方向将接收到的 9 9 5 3 g b s 串行信号进行放大整形处理后，解复用还原成速率为6 2 2 0 8 m b s 的1 6 - b i t 并行信号，再输入帧处理器【6 j 。其传输结构如图1 3 所示。 图卜3s t m 一6 4 帧串行传输结构功a b 框图 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 的出现为采用多模光纤传输的甚短距离( v s r ) 传输线路提供了更廉价的传输方式。调制速率为1 2 5 g b s 的v c s e l 激光器在 6 2 5 1 2 5 u m 的多模光纤上色散受限传输距离一般为3 0 0 m ，在5 0 1 2 5 m 的多模光纤上 般为5 0 0 m 。相对于传统的串行光传输技术，3 0 0 m 内的局内传输线路，采用基于 v c s e l 激光器技术的并行光接口的甚短距离传输方式传输s t m 6 4 信号可以大幅度节 4 华中科技大学硕士学位论文 省传输线路建设成本。这种基于1 2 路并行光接口的v s r 传输技术，其发射方向是将 成帧器输出的6 2 2 0 8 m b s1 6 - b i t 同步信号通过一定的顺序重新排列成1 2 路1 2 4 4 g b ，s 并行数据信号，并通过v c s e l 激光器发射到多模带状光缆中串传输。接收方向是将并 行光缆中传输的1 2 路1 2 4 4 g b s 光信号经过光电转换和放大整形后，按发射方向的反 变换重新排列成6 2 2 0 8 m b s1 6 - b i t 同步信号m 。在v s r 传输线路上，s r i m 一6 4 帧的传 输结构如图1 4 所示。 i i 6 2 20 8 m b 8 ，一 12 4 4 g b 括 并行光发射模 ：t x _ d 咖【1 5 o 】 _ i d 1 5 一o 】1 d o 【1 1 0 】 块 it xp i c u ( 6 2 20 s m h z 。 t c l k 1 一 ：f r 锄e r v s r l 里2 - 0 8 m 屿 转换器 ! r x d 咖f 1 5d r d 口5o 竺4 嗲6 i 并行光接收模 ：r x - p o c l k 6 2 20 8 m h z r c l k i t d i 【1 10 】 块 i 图卜4s t m 一6 4 帧并行传输结构 随着各种业务的增长，各运营商之间越来越多地要求进行数据互连，相对于局 内设备距离而言，不同电信运营商设备端局之间距离长得多，原适用于局内数据传输 的光接口已经不能满足传输要求；不仅如此，不同设备的光接口标准和形式也不完全 一致，如8 5 0 呦多模光接口与长波长单模光接口互连，并行光接口和串行光接口互连 等，这也给数据互通造成了极大困难。此外，网络规模的扩大和一些新应用的增加， 也提出了一些延长数据传输距离的要求。面对这种情况，各运营商只能采用更换光接 口盘的方法来建立数据传输线路。但是，对于某些应用时间较长的传输设备，配备光 接口盘十分困难，甚至不可能做到。因此，对于这样的互连互通应用，只能重新寻求 一种更简单，更有效的解决方案。在此背景下，必须研究开发一种专门用于实现数据 在不同光接口之间透明转换的设备，快速解决这种不同类型光接口数据互连的问题。 本课题就是针对该实际问题，开展研究工作。通过一种简洁、方便、低成本的解 决方案，实现符合0 i f v s r 4 0 1 标准的基于并行光接口的甚短距离传输方式光接口和 串行传输方式光接口之间进行s t m 6 4 信号透明转换。基本原理框图如图1 5 所示。 转换设备光接口性能指标分别参照o i f v s r 4 0 1 0 i 7 1 和i t u tg 6 9 1 【9 1 标准，技术参 华中科技大学硕士学位论文 数如表1 1 和表1 2 所示。 + 1 并黼电卜 转换电路。l 串行光发射电i ( v s r 并行 路 广 数据接口 十搿电卜 串行数据接 1 串行光接收电f 口) 路 r 图卜51 0 g b ss d h 光接口转换设备原理框图 表卜1 串行光接口参数 参数项目 单位参数值 工作速率 g b s9 9 5 3 2 8 发送端 发射光波长范围 n m1 5 3 0 1 5 6 5 平均发射光功率 d b m 3 + 2 2 0 曲谱宽 n m 3 0 消光比 d b 8 2 在g 6 5 2 光纤上2 d b 代价传输距离 l 【r i l4 0 接收端 接收波长范围 n m 接收灵敏度 d b m 1 m p i r 点最大反射系数 d b2 7 1 0 g b ss d h 光接口转换设备应用举例如图1 6 所示。设备1 是一台具有符合 o i f v s r _ 4 0 l 标准并行光接口的设备，设备2 是一台具有串行传输光接口的设备，如 果要实现这两台设备之间的数据互通，只需要在设备1 端使用一台1 0 g b ss d h 光接口 转换设备，将设备1 并行光接口输出的数据转换成串行光接口数据，传输到网络设备2 ， 就可以正确接收；同样，设备2 输出的串行数据，经过光接口转换器透明地转换成并 行光接口信号，送入设备1 接收端。 华中科技大学硕士学位论文 表卜2v s r 4 1 0 并行光接口参数 参数 单位 最小值 最大值 工作速率 g b s 1 2 4 4 1 6 0 士2 0 p p m 工作波长 n m8 3 08 6 0 发送侧 平均输出光功率 d b m1 03 消光比 d b6 均方根谱宽 n m0 8 5 接收侧 压力眼接收灵敏度“ d b m，1 3 6 5 无光告警光功率 d b m一2 6 1 9 光接口回波损耗 d b 1 2 传输光纤 光纤类型6 2 5 岬多模光纤 光缆损耗 d b ，k m3 7 s 接头损耗 d b0 5 光接口连接器 1 2 芯m t p ，m p o 注1 ：一般灵敏度测试使用消光比为9 d b 的光信号测试，如果采用其它的消光比信号，采用压 力眼接收灵敏度测试纠正消光比带来的接收代价。压力眼是在发射端添加抖动使光接口输出眼图在 时间和幅度上相应压缩”】。在本文中，采用将光信号传输一定距离后再送入接收端测试接收灵敏度 来模拟。 设备l v s r 光口设备光接口转换设备 设备2 s 刚u t 串行 光口设备 一画 图卜6 光接口转换设备应用案例 1 4 本论文的主要工作 本文详细分析了1 0 g b ss d h 信号在基于v s r 4 1 o 并行光接口的甚短距离传输方 7 华中科技大学硕士学位论文 式和基于串行光接口的传输方式之间互连互通，透明转换的工作原理，提出了一套切 实可行的光接口转换解决方案，并根据原理分析和方案设计完成了产品设计和开发， 成功研制出1 0 g b ss d h 光接口转换设备，并最终转换为产品。该课题成功实现了 1 0 g b ss d h 信号在符合0 i f v s r 4 0 1 标准的甚短距离并行光传输方式和串行光传输 方式之间的转换，为市场提供了一种从并行接口到串行接口转换的简洁、方便、低成 本的解决方案，具有一定的应用价值和市场推广意义。 本论文的主要工作有： ( 1 ) 对l o g b s 并行传输结构和串行光传输结构进行了研究，并提出了光接口转换 的具体实施方案： ( 2 ) 完成了1 0 g b i 以串行光信号发射电路设计； ( 3 ) 完成了1 0 g b i t s 串行光信号接收电路设计： ( 4 ) 完成了高速i c 外围电路p c b 设计和高速接口设计及传输线的p c b 设计； ( 5 ) 完成了电源分配和滤波电路的p c b 设计。 ( 6 ) 对系统测试方法进行了研究，并最终给出了试验结果。 华中科技大学硕士学位论文 21 0 g b ss d h 光接口转换的原理与分析 如何将s t m 一6 4 o c 1 9 2 信号在并行光接口形式和串行光接口形式之间透明的转换 是本研究课题的关键。本章着重分析基于1 2 路并行光接口的s d h 传输方式的工作原 理和串行传输的工作原理，分析光接口转换的实现依据。 2 1s d h 帧结构与应用分析 我们知道，s d h 网的一个关键功能是要求能对支路信号( 2 3 4 1 4 0 m b i t ，s ) 进行同 步数字复用、交叉连接和交换，因而帧结构必须能适应所有这些功能。i t u t 采纳了 一种字节结构为基础的矩形块状帧结构，其结构安排如图2 1 所示。它由2 7 0 n 列和 9 行字节组成。对于s t m 1 而言，帧长度为2 7 0 9 = 2 4 3 0 字节，相当于2 4 3 0 8 = 1 9 4 4 0 b i t ， 每1 2 5 h s 发送一帧。表示成二维的帧结构中字节的传输是从左到右按行进行的，首先 由图2 1 中左上角第一个字节开始，从左向右，从上到下按顺序传送，直到每个字节 都传送完，再转入下一帧传输弘12 1 。 9 2 7 0 n 列 9 n 歹f i。 一 2 6 1 n 葫 段开销( s o h ) 1信息净负荷 i 行 管理单元指针( a up 1 1 毗 ( p a v i o a d ) 段开销( s o h ) 1 2 5 us 图2 一ls t m n 帧结构 由图2 1 可见，整个帧结构大体上可分为三个区域： ( 1 ) 段开销( s o h ) 区域 段开销是指s t m 帧结构中为了保证信息正常灵活传送所附加的字节，这些附加字 节主要是供网络运行、管理和维护使用。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 信息净负荷( p a y l o a d ) 区域 信息净负荷区域是帧结构中存放各种信息的地方。 ( 3 ) 管理单元指针( a up t r ) 区域 所谓指针就是一组码，它的值大小表示信息在净负荷区所处的位置，调整指针就 是调整净负荷包封和s 眦n 帧之间的频率和相位，以便在接收端正确地分解出支路信 号。 图2 2 是s t m 一6 4 帧结构中的段开销结构。 “1 2 9 1 73 2 i，4 | 95 1 35 ll l ll la ：l 2z o l xx i nl | xx ，2 1 日2 b 2 | 砒 b 2 l 皿 叫 x l 陋d 6 l 叫i d 8 砷l 叫”h n 蹦f( 愀，l 1 辅 m i f( 1 “) fi 。 lxx h | l 圈2 2s 1 m 一6 4 段开销( s o h ) 这里我们重点关注a 1 字节。在s t m 一6 4 帧结构中，a 1 ，a 2 字节的组合作为帧识别 符。在下一节对v s r 传输方式的分析中，需要使用s t m - 6 4 帧的前3 0 个a 1 字节作为并 行通道的帧定界符。a 1 ，a 2 的值分别为：a 1 ：l l l l 0 1 1 0 ，a 2 ：0 0 1 0 1 0 0 0 。 由于在传输方式的转换过程中，其它的字节将被透明地传输，这里不再赘述。 2 2s 1 m 6 4v s r 并行传输光接口的原理分析 v s r 传输技术是近几年为解决大容量局内数据传输发展起来的一种低成本的光传 输方式，并随着通信容量的增长得到越来越广泛的应用。这种新兴的甚短距离传输方 式是基于并行光接口传输s t m 一6 4 o c 一1 9 2 帧信号。基于1 2 路并行光接口的v s r 传输 技术的功能结构如图2 3 所示，在光发送方向，通过v s r 转换器将成帧器( f 眦l e r ) 输出的1 6 - b i t 同步信号重新排列，形成1 2 路并行信号，再通过激光器调制电路转换成 光信号，发送到并行多模光纤中传输。在接收方向，v s r 转换器光接收电路接收并行 光纤来的并行信号，再重新排列成1 6 - b i t 同步信号，送入帧处理电路。该传输方式与 1 0 一lmi上 华中科技大学硕士学位论文 成帧器连接的f s i ( f r a m e rs i g n a l i n t e r f 犯e ) 接口与o i f 9 9 1 0 2 接口( 符合0 i f s f l 4 - 0 1 o 标准1 3 1 ) 兼容7 1 。 v s r 转换 + s t m 二6 4 一并行黻射 1 6 - b “并行信号 1 2 路并行信号 一+ 并行光接收 1 2 路并行光 纤( 多模) 1 2 路并行光 纤( 多模) 图2 3s t 卜6 4v s r 接口功能框图 下面具体分析s t m _ 6 4 o c 1 9 2 帧信号基于1 2 路并行光纤传输的数据结构和工作原 理。 ( 1 ) 发送方向 发送方向的数据处理功能结构如图2 4 所示。与成帧器对接的接口是一个1 6 6 2 2 m b i “sl d s 接口，1 6 _ b i t 数据按一定的顺序重新安排转换成1 0 路并行信号。通过 校验和编码后，转换成1 2 路1 2 4 4 g b s 同步并行信号。 图2 4 发射部分功能框图 如图2 5 所示，1 6 比特信号以字节为单位依次映射到1 0 个数据通道。s t m 6 4 的 第一字节由通道l 传输，第二字节由通道2 传输，依此类推。排满后再重新从通道1 开始依次排列。 另外，除了1 0 路数据通道外，还增加1 路保护通道和l 路错误检测通道。保护通 道信号由1 0 路数据通道的数据信号相对应的比特“异或”计算生成的校验比特组成， 通过第1 1 通道传输。如果l o 个数据通道中任意一个通道失效，在接收端该通道传输 的信号将可通过由保护通道和其他9 个数据通道异或计算得到恢复。保护通道数据产 华中科技大学硕士学位论文 生如图2 6 所示。 成帧器输i 数据通道1 数据通道2 数据通道3 数据通道4 数据通道5 数据通道6 数据通道7 数据通道8 数据通道9 数据通道l o 图2 5 成帧器接口比特映射到1 0 通道并行接口 数据通道l 数据通道2 数据通道3 数据通道4 数据通道5 数据通道6 数据通道7 数据通道8 数据通道9 数据通道l o a 1 1 1 i a l 2 1 a 1 1 2 1a 1 2 2 a 1 1 3 l a l 2 3 a 1 1 4 a 1 2 4 a 1 1 5 la 1 2 5 a 1 1 6 1a 1 2 6 a 1 1 7 la 1 2 7 a 1 1 8 la 1 2 8 a l l 9 ia 1 2 9 a 1 2 0 f a l 3 0 保护通道l l p lp 2p 3 1 图2 6 保护通道产生示意图 错误检测通道( e h o rd e t e c tc h a n n e l ，e d c ) 的信号由每路数据通道的信号进行循 环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c s ) 计算的结果组成，它由第1 2 通道传输。 它的信号是由其他1 1 路数据的每2 4 字节组成的虚拟块单独进行c r c l 6 计算的结果产 生。用户可以选择在接收端是否计算和对比c r c 数据，但是，发射端总是传输错误检 测信号。 玺仝虚拟丝鱼盒2 芏苴。在垂全道鲎! 查坠4 ：鲤邀煦垫丝塑虐垫垫堡竖里垄运塑 小l|一一oni譬i|8_【”li|9_【icl【iiili一一ni_【饥【一oii 卜i|一一n【一母_【 c i 一= i_【一盘 裟l詈l器巫篇巫一 岩票巫等巫罴 桐生等票票票而 华中科技大学硕士学位论文 道的第一个虚块中。在每个虚块中，c r c 计算采用c c in 1c r c l 6 的多项式为 x 1 6 + x 1 2 + x 5 + l 。检错通道中的虚拟块与其他数据通道中的虚拟块一起并行地传输。如 图2 7 所示，纠错通道( e d c ) 的虚拟块由其他1 1 个通道的每个虚拟块的1 个1 6 比特 循环冗余校验结果组成。检错通道( e d c ) 最后2 个字节虚拟块是由该通道的前面2 2 个字节进行c r c l 6 校验的结果填充。 圈2 7 检测通道的产生框图 每个虚拟块开始的时候，它的c r c 寄存器被初始化为十六迸制0 f f f 。接着c r c 与第一个移入多项式的虚拟块的第一字节的b i t 0 】( l s b ) 进行计算。在2 4 字节虚拟块 都被移入多项式后，其c r c 值被缓冲，如图2 _ 8 所示。对应于c r cm s b 的寄存器被 标注为b i t l 5 。第一通道的1 6 比特c r c 的b i t 8 1 5 先传输，接着是b i t 7 。接者是第 二通道到第1 0 通道和保护通道( 第1 1 通道) 的1 6 比特c r c 。最后，检错通道( 第 1 2 通道) 的前2 2 个字节的c r c l 6 结果作为e d c 虚拟块的最后2 个字节传输。 图2 8c r c 产生示意图 由于采用并行光纤传输的特性，每个通道的数据到达接收端的时延不同，因此， 需要在发射端传输帧定界符来对每个通道的数据进行重新定位。因此，将每个数据通 华中科技大学硕士学位论文 道上的s t m “帧信号的前3 个a l 字节被覆盖为8 b 1 0 b 的码字，形成一个接收机可 识别的帧定界符。保护通道和检错通道在相同的位置也传输帧定界符。帧定界符在接 收端用于各通道之间的数据重新定位。一般使用的码字如表2 。1 所示。 表2 1 帧定界符常用8 b ，1 0 b 码字 r d r d + 码字名称字节参数值 a b c d e if g h j a b c d e i 培b j k 2 8 5b c0 0 1 1 1 11 0 1 01 1 0 0 0 00 1 0 l d 3 1 ( c h 1 6 ) 2 3 1 1 0 0 0 11 0 0 11 1 0 0 0 l1 0 0 l d 2 1 2 ( c h 7 1 2 ) 5 51 0 1 0 1 00 1 0 l1 0 1 0 1 00 1 0 1 为了防止由于并行光缆出现交叉导致信号排列错误，接收端必须提供通道的顺序 检测功能。因此，将通道1 6 和通道7 一1 2 分别采用不同的帧定界符进行识别。每个帧 定界符包含三个码字，第一个a l 字节用一个k 2 8 5 码字覆盖，第二个a l 字节根据通 道序号的不同采用d 3 1 ( 通道1 6 ) 或d 2 1 2 ( 通道7 1 2 ) 覆盖，第三个a 1 字节用k 2 8 5 覆盖，如图2 9 所示。 图2 9 帧定界符插入 为了防止长连“0 ”和长连“1 ”信号序列定时含量过低，可能导致接收端时钟恢 复电路出现失效，同时又保持传输线路信号的d c 平衡，在进行光发射前先对每个通 道的数据进行8 b l o b 编码。 ( 2 ) 接收方向 华中科技大学硕士学位论文 并行光信号接收方向功能结构如图2 1 0 所示。从1 2 路并行光纤传输来的光信号经 过并行光接收模块转化成1 2 4 4 g b s 电数据流。数据流进入时钟恢复和数据定时( c d r ) 电路，然后从数据中恢复出和通道速率一致的时钟信号。接着对输入的数据流进行 8 b 1 0 b 解码，并使用每个数据流上的帧定界符进行数据定位。进行帧定位后，1 0 个数 据通道的帧定界符重新采用a l 字节覆盖，恢复出原s d h 帧。再经纠错和通道保护恢 复，最后将数据通道的数据重新排列分配到6 2 2 m b i “s 的1 6 _ b i t 数据总线，由标准l v d s 接口输出。 图2 一1 0 接收方向功能模块框图 在接收端，通过检测帧定界符来判断和纠正各通道之间的数据时延，可容忍的最 大时延差为8 0 n s 。还可阻按照1 2 5 儿s 的帧发送周期来预计下一个帧定界符到来的时间。 通过对第1 第6 通道和第7 第1 2 通道不同帧定界符的检测，来判断带状光缆接口是 否出现交叉的情况，帧定界符为k 2 8 5 d 3 1 瓜2 8 5 的通道判断为第1 第6 通道，帧定 界符为k 2 8 + 5 d 2 1 2 k 2 8 5 的通道判断为第7 第1 2 通道。 接收机通过检测4 个码字组中8 b 1 0 b 编码异常来探测1 0 个数据通道中的任意一 路出现同步丢失。当任意一个通道传输无效数据时，发出同步丢失告警。数据通道的 同步丢失告警将触发保护通道切换；如果检测到一个通道失效，则采用保护通道数据 和其他9 个有效数据通道数据异或重组失效通道的数据，并且将重组后数据的帧定界 符置换成a 1 字节，恢复出原s d h 帧信号。当不使用保护通道且出现数据同步丢失告 警，或使用保护通道同时出现多个数据通道检测到同步丢失告警时，所有通道的所有 数据将被钳制为“o ”直到同步丢失状态解除为止。 在接收端，将接收到的数据按2 4 比特的虚拟块按图2 - 8 所示的方式进行循环冗余 华中科技大学硕士学位论文 校验( c r c l 6 ) ，将校验的结果与检错通道中发送的相应c r c l 6 校验码进行比较，如 果两者一致，则认为没有发生错误，否则判定该虚拟块错误。当检测到错误时，在所 有通道数据定位后，错误虚拟块信号可以通过保护通道和其他数据通道中相应的虚拟 块进行按位“异或”运算提取出来。如果在相同的位置出现2 个以上的虚拟块错误， 则不能进行纠错。 图2 1 1 纠错过程的流程图 为了保证数据纠错的正确性，检错顺序必须与检错信号产生的顺序相反。纠错过 程开始时，首先计算检错通道( e d c ) 中虚拟块的c r c 校验，如果和发送的1 6 b “c r c 码匹配，那么检错通道( e d c ) 的虚拟块被认为没有错误，纠错任务完成。接着对保 护通道中的虚拟块进行1 6 - b “c r c 校验，如果匹配，紧接着对1 0 个数据通道进行c r c 纠错。如果在检错通道或保护通道中出现错误，该虚拟块将不能继续进行纠错；如果 没有错误，才能进行1 0 个数据通道的c r c 校验。当某一个通道中发现了错误，该错 误的虚拟块数据将被置换成由保护通道重组的纠正数据。如果多个数据通道的同一个 位置的虚拟块出现错误，则不能进行纠错。图2 1 1 所示的是一个纠错过程的流程图。 华中科技大学硕士学位论文 由于纠错通道( e d c ) 的前3 个字节被置换成帧定界符，所以包含帧定界符的虚拟块 不进行纠错。 2 3s d h 帧串行传输光接口的原理分析 我们知道，当前的1 0 g b ss d h 应用传输系统中，绝大部分的s d h 传输线路都采 用s d h 串行传输光传输方式。如图2 1 所示的二维的帧结构，其中字节的传输是从左 到右按行进行的，首先由图2 1 中左上角第一个字节开始，从左向右，然后从上到下 按顺序传送，直到每个字节都传送完，再转入下一帧传输。在实际硬件实现时，成帧 器每1 ，6 2 2 0 81 1 s 并行输出2 个字节，然后通过采用时分复用的方式，将成帧器输出的 1 6 b i t 并行信号转换成高速串行信号进行传输吲。具体的复用顺序是将经过s d h 成帧 之后的1