（通信与信息系统专业论文）城域粗波分复用系统中波长适配器的设计与性能测试.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 粗波分复用( c w d m ) 技术的低成本、大容量、应用灵活和易扩展等特性， 为宽带城域网提供了全新的解决方案。波长转换器是c w d m 系统的关键器件 之一。光电光型波长转换器的电处理技术使网络节点乃至网络的吞吐量变小， 形成“电子瓶颈 ，但对定位于城域网络内短距离传输，通道速率一般不超过 2 5 g b i t s ，成本控制严格的c w d m 系统来说，仍然很具吸引力。 论文在充分考虑城域c w d m 系统短距离传输特点的前提下，给出了一种 波长适配器的软硬件方案，并对各模块的作用及实现做了详细的分析。方案主 要分为传输设计和监控设计两部分，传输设计部分包括系统的整体硬件方案、 光收发模块的实现、时钟数据恢复方法，并分析了中心波长的选择，进行了光 功率预算：监控设计部分主要通过两个现场可编程门阵列( f p g a ) 来实现，控制 f p g a 模块完成对各传输单元的配置及数据的读取，性能f p g a 模块完成对传 输信号的检测。本方案已经在阿尔卡特成都研发中心实现。 论文也给出了该波长适配器的网络功能和性能指标的测试方法，并给出了 测试结果和分析。结果表明，w l a 盘可对传输的同步数字系歹) j ( s d h ) f f f l 千兆以 太网( g e ) 信号进行监控；经过波长适配器后的光信号质量更好，各项指标均优 于波长转换器的光接口参数规范的要求；c d r 的重定时功能也有效的抑制了信 号的传输损伤。故波长适配器也可用来作为中继来延长传输距离。 关键词：光纤通信；宽带城域网；粗波分复用；波长适配器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t c o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c w d m ) t e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t s g o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o w - c o s t , h i l g h c a p a c i t y ， f l e x i b l ea p p l i c a t i o n ，a n de a s yt oi n c r e a s et h ec a p a c i t y c w d ms y s t e mi sr e g a r d e da s an e ws o l u t i o nf o rb r o a d b a n dm e t r o p o l i t a na c c e s sn e t w o r k s w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n u n i ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nc w d m s y s t e m a l t h o u g ht h eo e o w a v e l e n g t hc o n v e r t e rh a s ”e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k ”，t h ec w d ms y s t e mi sd e s i g n e d f o rm e t r on e t w o r kw i 也s h o r t - h a u lt r a n s m i s s i o n ，a n dt h ec h a n n e lr a t ei sn o to v e r 2 5 g b i t s s ot h eo e ow a v e l e n g t hc o n v e r t e ri ss t i l lv e r ya t t r a c t i v ef o rt h el o w c o s t c w d m s y s t e m c o m b i n i n gt h es h o r t h a u lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc w d ms y s t e m , a h a r d w a r ea n ds o f t w a r es c h e m ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h er o l eo fe a c hm o d u l e a n dh o wt oi m p l e m e n ti ta r ea n a l y z e dd e t a i l e d l y t h es c h e m ei sc o m p o s e do ft w o p a r t s ：t r a n s m i s s i o nd e s i g na n dm o n i t o rd e s i g n t r a n s m i s s i o nd e s i g ni n c l u d e st h e w h o l eh a r d w a r es y s t e m , t h ei m p l e m e n to fo p t i c a lt r a n s c e r i v e rm o d u l e sa n dt h e m e t h o do fc l o c ka n dd a t ar e c o v e r t h ec h o i c eo fc e n t e rw a v e l e n g t ha n dt h eb u d g e to f o p t i c a lp o w e ra r ea n a l y z e di nt h i sp a r t m o n i t o rd e s i g ni si m p l e m e n t e db yt w of i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r m y ( f p g a ) t h ec o n f i g u r a t i o no ft r a n s m i s s i o nu n i ta n dt h e r e a do fd a t aa r ec o m p l e t e db yt h ec o n t r o lf p g a t r a n s m i s s i o ns i g n a l sa r ed e t e c t e d b yt h ep e r f o r m a n c ef p g a t h ep r o j e c ti si m p l e m e n t e db ya l c a t e lr & dc e n t e ri n c h e n g d u t h et e s t i n gw a y so fn e t w o r kf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eg u i d e l i n eo ft h e w a v e l e n g t ha d a p t e r ( w l a ) a r ep r e s e n t e d 鹊w e l l 鹤a n a l y s i sa n dt e s tr e s u l t sa r e p r e s e n t e di n t h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ( s d h ) a n dg i g a b i te t h e m e t ( g e ) s i g n a lc a r lb em o n i t o r e db yt h ew l a t h eq u a l i t y o fo p t i c a ls i g n a li sb e t t e ra f t e rt r a n s p o r tt h r o u g ht h ew a v e l e n g t ha d p t e r e a c h i n d i c a t o ri sb e t t e rt h a nt h er e q u i r e m e n to fo p t i c a li n t e r f a c e p a r a m e n t e r s t h e t r a n s m i s s i o nd a m a g eo fs i g n a li ss u p p r e s s e db yt h er e t i m i n gf u n c t i o no fc l o c ka n d d a t ar e c o v e r s ot h ew a v e l e n g t ha d a p t e rc a l la l s ob eu s e da sr e l a yt oe x t e n dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e k e yw o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；b r o a d - b a n dm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ( b r o a d b a n dm a n ) ；c o a r s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( c w d m ) ； w a v e l e n g t ha d a p t e r 西南交通大学四阐父遗大罕 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，同意 学校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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：邱滴竹 指导老师签名： 日期：二。口7 6 鲁 日 6 ，3 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ) 给出了一种波长适配器的软硬件方案，分析了各模块的作用及实现。 方案主要由两部分组成，传输部分包括光收发模块的实现、时钟数据 恢复方法等；监控部分主要通过两个f p g a 来实现，控制模块完成对 各传输单元的配置及数据的读取，性能模块完成对传输信号的检测。 2 ) 给出了该波长适配器的网络功能和性能指标的测试方法，并分析了测 试结果。 耳南，1 3 护了g 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 城域粗波分复用( c w d m ) 技术的背景和发展现状 城域网以宽带光传输为开放平台，通过各类网关实现话音、数据、图像、 多媒体及各类增值业务；是城市中的高速网络，位于核心网络和接入网络之间 的一层网络；是骨干网和长途电话网在城域范围内的延伸。由于网络业务的飞 速发展，城域网和中短距离传输网建设中普遍存在光纤资源紧张和传送业务种 类多的问题，大量用户无法享受骨干网络的巨大带宽资源。城域网正成为当前 网络热点【1 1 。 城域网传输距离短，业务接口复杂多样，带宽颗粒分布几乎没有严格的规 律及预见性，对传输系统的适应性要求很强。c w d m 系统的波长间隔宽，对激 光器的技术指标要求较低，使得激光器和复用器解复用器的结构大大简化，无 须采用掺铒光纤放大器，用多通道波长转换器作为中继，短距离的传输使系统 简化。故c w d m 技术正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。它用 很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、s o n e t 环等各种 流行的网络结构。 c w d m 是密集波分复用( d w d m ) 的廉价版本，其理论研究相对成熟。 c w d m 技术诞生于2 0 世纪8 0 年代初，当时的q u a n t e 公司推出了一个工作在 8 0 0 n m 窗口、每信道的速率为1 4 0 m b i t s 的四波系统，它首先应用在利用多模光 纤传输数字视频信号的有线电视的广播链路【2 1 。1 9 9 8 年3 月美籍华人詹裕恒博士 与m a r kh e i m b u c h 博士在美国加州m r vc o m m u n i c a t i o n s 实验室，利用无制冷半 导体激光器以及其它无源器件设计出第一套由四个波长的c w d m 模块组成的粗 波分复用系统，证明可以制造出较为廉价的应用到短途城域网及接入网的波分 复用光纤通信系统，并很快实现商用【3 】。2 0 0 1 年以后就有设备制造商开始推出 c w d m 设备，并应用到相关行业。国外的有l u m i n e n t 、o n i 、s o r r e n t o 、t r a n s m o d e 、 l u x n 、a f c 等公司；国内华为，烽火网络，光网科技等公司也相继推出自己的 c w d m 产品。现在c w d m 产品己经达到商用规模。l u x n 公司出品的w i d e w a v 系 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 列的c w d m 模块支持8 个c w d m 信道，或者支持4 个c w d m 信道加1 6 个d w d m 信道。o c u l a r 公司推出的采用c w d m 技术的产品有o s x 6 0 0 0 和o s x - 1 0 0 0 两个系 列的交换机，其最大特色在于能为高端用户提供专用波长信道服务的存储区域 网络( s a n ) j 报务。烽火网络公司研发的f e n g i n ec 1 5 1 0 0 能够在数据业务的传输过 程中灵活上载和下载，使光城域网的组网更加灵活，可以构建多种网络结构， 并且具有组环和治愈功能【4 j 。上海贝尔阿尔卡特的1 6 9 2 m s e 为城域网提供了低 成本、业务透明和可升级的传输系统，加上其特有的子速率收集器使之成为性 价比高、配置灵活的c w d m 产引5 1 。 c w d m 标准的研究从9 0 年代末开始，i e e e8 0 2 3 高速研究组首先提议采用 c w d m 技术提高系统容量【6 】。2 0 0 0 年，全光谱c w d m 联盟成立，有力推动了 c w d m 的标准化进程。2 0 0 2 年5 月，国际电信联盟远程通信标准化组( i t u t ) 第 1 5 研究组通过了c w d m 波长栅格的标准g 6 9 4 2 r 7 1 ，成为c w d m 技术发展史上的 里程碑。2 0 0 3 年l o 月i t u t 批准了一项关于c w d m 的新标准g 6 9 5 1 8 1 ，对c w d m 的信号衰减，功率等级，距离，接口速度以及其他的性能作了相关的规定。我 国的上海贝尔等企业对c w d m 技术的标准化作出了一定的贡献。随着全光谱 c w d m 联盟( f c a ) 对c w d m 技术的有力推动和i t u - t 对c w d m 的标准化使得 c w d m 技术成为设备制造商和运营商关注的重点。 1 20 w d m 的技术特点 低成本的c w d m 系统是一种面向城域网接入层w d m 传输技术。其基本原 是利用复用器将经过波长转换器转换为符合i t u 标准的不同波长的光信号复用 至单根光纤进行传输；在线路接收端，解复用器将光纤中的混合信号分解为不 同波长的信号，连接至相应的接收设备【9 】，见图1 1 。 一 一 一 r ( ) m 解 五 一 r 复 五 用 r 丑 一 五 一 器 五五丑五 器 五 7 一 五 - r 五 一 _ r ： 五 。 图1 - 1c w d m 系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 g 6 9 4 2 定义了1 8 个从1 2 7 0 衄1 6 1 0 眦l c w d m 标称中心波长，波长间隔 为2 0 n m ，在此间隔下允许在使用无制冷光源，各个波长同时传输，c w d m 波 长涵盖了单模光纤系统的o 、e 、s 、c 、l 等五个波段。i t u tg6 5 2 标准将 g6 5 2 光纤分为g6 5 2 a 、g6 5 2 b 和g6 5 2 c 三种f 1 0 1 ，其衰减和色散特性如图 l - 2 所示。g6 5 2 a b 型光纤在1 3 8 0 n m 附近有一个明显的氢氧根吸收峰，衰减 很大，g6 5 2 c 型光纤已将1 3 8 0 n m 波长的水峰降下来了【1 1 1 。实际应用中，c w d m 产品主要有8 波长系统和1 6 波长系统两种形式。由于城域网内大部分已铺设的 是常规g6 5 2 a b 型光纤，在1 3 8 5 n m 窗口的损耗在l d b 左右，不能正常工作， 开通不了1 6 波系统。而8 波系统的波长选为1 4 7 0 n m n l 6 1 0 n m ，避开了水峰e 波段和损耗较大的o 波段。 损耗d b k m 1 2 7 0 1 2 9 01 3 l o l 3 3 0 1 3 5 0 1 3 7 01 3 9 0 1 4 1 0 1 4 3 0 1 4 5 0 1 4 7 0 1 4 9 0 1 5 1 0 1 5 3 01 5 5 0 1 5 7 0 1 5 9 0 1 6 1 0 ( 姗) 图1 - 2g 6 5 2 光纤特性及g6 9 4 2 定义的c w d m 标称中心波长 c w d m 技术与d w d m 技术的主要区别在于：c w d m 系统2 0 n m 的波长间 隔相对于d w d m 系统中0 2 n m 到1 2 n m 的间隔而言有更宽的波长间隔。这就 意味着c w d m 系统的光复用器解复用器的结构可以大大简化，滤波器镀膜层 数降为5 0 层左右；对激光器的技术指标要求较低，系统的最大波长偏移可达 6 5 n m ，激光器的波长精度可放宽到+ _ 3 n m ，由温度变化导致的波长漂移仍在 容许范围内，故激光器不需要制冷，结构也大大简化；同时，无制冷激光器及 其控制电路每波长只需要0 5 w 左右的功率，而d w d m 系统光源由于冷却器及 相关控制电路平均每波长消耗的功率约是c w d m 系统光源的8 倍。与可选的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 d w d m 相比，采用c w d m 解决方案节省3 0 的成本【1 2 】。 1 3 波长转换技术及其发展现状 波长转换器是c w d m 系统的一个关键器件。在实际运用中，一是将承载 于非标准波长光信号转载于标准波长上，然后插入到光复用器中，以满足系统 的波长兼容性；或是将承载于标准波长光信号转载于其它波长上，可实现动态 波长路由和波长的重复利用，有效的利用了频带资源，解决了波长竞争问题。 目前实现波长变换的技术主要分为两大类：全光型的波长变换( a o w c ) 【1 3 】和 光电光型的波长变换【2 1 1 。 其中的全光型波长变换包括： 1 ) 基于半导体光放大器( s o a ) 的全光波长转换器：包括利用交叉增益调制 效应、交叉相位调$ 1 j ( x p m ) 效应和四波混频效应的波长转换器。 2 ) 基于激光器的全光波长转换器：包括利用交叉增益调制效应、交叉相位 调制效应的波长转换器。 3 ) 其它的全光波长转换器有：基于非线性光纤环镜的波长变换器；基于交 叉吸收调制效益的波长变换器；基于差频效应的波长转换器。 全光波长转换方式，不经过光电转换，直接在光域内将某一波长的光信号 转换到另一波长上。目前研究比较成熟的有基于s o a - x p m 的全光波长转换器。 但是，由于它是利用信号光强调制两臂的折射率差，故对输入光功率比有较严 格的要求。其它类型的全光波长转换器还处于实验研究阶段。 光电光型波长变换方法是利用光电二极管接收波长为五的入射光转换为 电信号，经过定时整形放大全流程后调制到一个具有所要求波长的激光器上。 外部光调制器由d f b l d 等光源输入乃的光，用加载在五上的信号调制波长无 的光以后输出。这种类型的波长变换器技术成熟，可以加入信号的再生功能； 电信号的参与使其具有开销处理的功能，对网络的控制和消息的管理也容易处 理；允许光信号的输入动态范围较大，对输入信号的偏振也不敏感。若把它与 电的交叉连接设备相结合，可以完成波长交换交叉连接( w l x c ) 的全部功能。虽 然其电处理技术使网络节点乃至网络的吞吐量变小，形成“电子瓶颈 ，但 c w d m 系统定位于城域网络内短距离的传输，通道速率一般不超2 5 g b i t s ，且 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成本控制严格，所以这种波长变换技术仍然很具吸引力。 1 4 本论文的主要研究工作 本文给出了一种用于城域网的低成本波长适配器设计方案，该方案实现了 多速率光信号波长的转换，具有同步数字体系( s d h ) 和千兆以太网( g e ) 业务在 线监测和用户带宽自动监测功能，保证运营商的带宽出租业务，降低网络的维 护成本。并通过建立单元测试和简单光传输测试系统实验平台，对所提出的波 长适配器进行网络功能和性能指标测试。具体内容及章节安排如下： 第一章，绪论。阐述城域粗波分复用的背景和发展现状，分析了c w d m 的技术特点，总结了波长转换技术及其发展现状，并介绍了论文研究的主要工 作以及总体框架。 第二章，结合城域c w d m 系统短距离传输的特点进行了光功率预算，选 择了合适的中心波长，给出了一种波长适配器的硬件方案，并对各模块的作用 及实现做了详细的分析。 第三章，给出了光纤传输的监控方案。结合波长适配器的性能和参数，控 制f p g a 对波长适配器的配置的读写操作和规则进行了分析；对性能f p g a 的 s d h 信号再生段误码监测的b l 字节、再生段踪迹字节j 0 字节和g e 信号的监 测原理进行分析，并编程实现了s d h 帧头查找、s d h 状态检查以及m a c 帧状 态检测。 第四章，结合城域c w d m 系统的特性和系统性能的影响因素，对波长适 配器的网络功能和性能指标进行测试。分析测试结果，验证其是否符合预期期 望。结果表明，各项指标均优于波长转换器的光接口参数规范的要求。 总结与展望部分对本文的研究内容进行了总结，并对所提出的用于城域网 的低成本波长适配器的前景以及值得进一步研究的方向进行展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章波长适配器的传输设计 2 1 波长适配器的硬件方案 波长转换单元( o t u ) 是c w d m 系统中的一个重要部分。其主要作用是将宽 谱、不定波长的光信号转换为定波长、定谱宽的光信号，反之亦然。c w d m 系 统中需要多个o t u 单元，因此o t u 单元的成本在一定程度上决定了系统的成 本，也反映出设备的业务承载能力。在本方案中，专门给出了一种低成本的o t u 单元：波长适配单元( w l a ) 。w l a 是一个多速率波长转换器，可以接入城域网 中，支持从1 2 5 m b p s 到2 7 g b p s 的各种业务信号，实现多业务透明传输。 w l a 的总体结构框图如图2 1 所示【2 2 1 。 图2 1w l a 的系统框图 w l a 对信号处理功能的实现原理是基于光电光变换。光客户端信号在光 信号转发单元内部的处理过程如下所述： 1 ) 非标准波长光信号输入客户端的小型可插拔( s f p ) 光模块中，通过客户 端s f p 光模块实现光电转换，并将电信号进行放大，输出幅度恒定的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电信号。 2 ) 当输入的是s d h ( s t m 一1 4 1 6 ) 信号或g e 信号时，利用性能f p g a 对串 行的电客户信号进行性能监控；同时，外部的设备子架控制单元( e s c l 可对信号进行网络管理操作。 3 ) 一部分电信号进入8 x 8 电交叉矩阵，按其配置输入到时钟数据恢复单 元( c d r ) ，对串行电客户信号实现重定时、重放大、重整形( 3 r ) 功能， 并对数据的传输速率进行锁定，输出信号质量改善后的电信号。 4 ) 再生后的电信号输入到线路端s f p 光模块，实现电光变换，输出一路 符合i t u tg6 9 4 标准波长的光信号。 波长适配器的工作方式是全双工方式。从结构上看，w l a 可以分为四部分： s f p 光收发模块、时钟数据恢复电路、8 x 8 电交叉矩阵、控制f p g a 和性能f p g a 单元。每个w l a 支持2 组不同波长的独立传输。 2 2 中心波长的选择 由于c w d m 系统采用无制冷的激光器，通常工作在0 7 0 0 c 温度范围内 【2 3 | 。激光器的漂移很大，其热漂移系数约为0 0 8 n m o c ，通常激光器的标称中 心波长是在常温2 3 0 c 左右下测得，为1 2 7 0 r i m 、1 2 9 0 m 1 6 1 0 n m 。设标称波长 为力，由此可以得出，从2 3 0 c 向7 0 0 c 的波长漂移为： 2 + 0 0 8 n m 。c x ( 7 0 2 3 ) 。c = 兄+ 3 7 6 n m ( 2 1 ) 2 3 0 c 向0 0 c 的波长漂移为： 名+ o 0 8 n n g 。c x ( 0 2 3 ) 。c = 名- 1 8 4 r i m ( 2 - 2 ) 如果将复用解复用器等无源器件的标称中心波长与激光器的标称中心波 长设为一样，则激光器的波长在7 0 0 c 时比较接近系统通带的上限，易跑到系统 带外。而无源器件采用的是多层薄膜干涉滤波技术，具有低的温度漂移系数 0 0 0 2 n m o c ，几乎不随温度变化，且能保证长期的稳定性。故若将无源器件的 标称中心波长选在激光器在3 5 。c 时输出的中心波长上，则在0 7 0 0 c 的工作温 度范围内，粗波分复用系统的性能能够得到优化。因为3 5 0 c 正好在整个工作温 度范围的中间。此时，无源器件的标称中心波长应该是常温下激光器输出的标 称中心波长值加上从2 3 。c 到3 5 0 c 的波长漂移值： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 + 0 0 8 。c x ( 3 5 2 3o c=2+lnm(2-3) 所以采用的系统中心波长为1 4 7 1 n m - 1 6 1 1 n m ，保证系统工作在最佳的状态 下。激光器的波长偏移范围和无源器件带宽总的范围仍是+ 6 5 n m 。 2 3 光收发模块的电路设计和功能 s f p 模块作为光信号转换为电信号的接口器件具有体积小，可自诊断和支持 热拔插等功能。在现在的光通信产品中，s f p 光模块越来越得到青睐，已经得到 普遍使用【2 4 】。图2 2 是s f p 光收发模块的原理图，主要由光接收模块、光发送模 块和控制器三部分组成。发射部分选用d f b - l d 光源，接收部分选用p i n 型或a p d 型光探测器。光模块内部的发射和接收部分是完全独立的，且电源接地均单独 使用，减少两部分的串扰。 r o s a r xd a t a 限幅放大器 r xp o w e r ir xl o s 一 一一 控制器 一 u 山 卜 叫 q o 芝 山 o 山 翌 墨 誉 i ：醋激光驱动器激光器r 磊列 激光驱动器 d a t a o u t s d a s c l l o s 图2 2s f p 光收发模块原理图 1 ) 光接收模块 接收部分由光接收次模块( i 的s a ) 及限幅放大器组成【2 5 1 。由于检测到的光信 号很微弱，故把监测器和前置放大器封装在一起称为r o s a 。从光纤传来的光数 据信号，通过光监测器的检测转换为微弱的电信号，输入到低噪声的前置放大 器将微弱的电流脉冲信号转换为电压脉冲信号。前置放大器具备自动增益控制 蒹 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( a g c ) 功能，对小幅度电信号采用大增益的放大倍数，对大幅度信号采用小增 益的放大倍数，从而使其输出的电信号幅度波动远远小于输入光信号功率的波 动幅度。此时电信号幅度仍然极小，数据从r xd a t a 送到限幅放大器，进行二 级放大，将电压小信号放大至一个足够大的幅度，以便驱动时钟恢复电路和数 据判决电路。此时的电信号在输出端保持恒定的输出，不会随输入光信号的大 小变化。放大后的信号从d a t a o u t 输出差分电信号给c d r 等设备。 r xl o s 端是用来检测模块是否有接收到光信号，连接到控制器上供实时 监测，正常情况下该端e 1 是低电平，当信号丢失时则变成高电平。 2 ) 光发送模块 发射部分由激光器和激光驱动器组成【2 6 1 。激光驱动器集成了自动光功率控 n ( a p c ) 环路，用来补偿激光器门限电流在整个温度范围的变化。通过a p c 环路， 可根据监控激光器发光大小的背向光接收光电二极管输出电流大小，确定加给 激光器的驱动电流大小，实现动态调节，维持平均光功率的稳定。 当激光驱动器正常工作时，数据从d a t a i n 端输入，经驱动器调制后的信 号从t xd a t a 端输出，去驱动激光器。b i a s 用于输出激光器偏置电流。 t xd i s a b l e 表示发送器禁止，高电平或者浮空时激光输出器禁止，低电平时 激光器输出有效。t xf a u l t 用来监控激光驱动器是否发生故障。m o ds e t 用于设置所需的调制电流，a p cs e t 用于设置所需的平均光功率。 3 ) 控制器 主要由数字电阻及控制部分、a d 转换部分、比较单元、1 2 c 总线接口以及 内部e e p r o m 组成。a d 转换电路用于将监控输入和内部温度、电压输入等模 拟量转换为相应的数字量输出，输出的数值量存储在内部e e p r o m 中。将激光 器中光电二极管响应电流通过下拉电阻转换成电压，通过控制器的a d 采集后， 经校准可换算成接收光功率r xp o w e r 。控制器采集t xb i a s 和t xp o w e r 的电压信号，校准后可得到激光器偏置电流和发射光功率。比较单元将监控测 量值与e e p r o m 中预设的高低告警值进行比较，输出相应的标志位，指示被监 控设备的工作状态。1 2 c 总线接口部分通过2 线串行总线1 2 c 访问控制器的 e e p r o m 上的信息，其中s c l 提供访问时钟信号、s d a 提供总线数据信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 2 4 光功率预算 i t u t g 6 9 5 建议规定了c w d m 系统应用的光接口参数，规范了“b l a c k b o x 和“b l a c kl i n k ”两种方式。 “b l a c kb o x ”方式可理解为c w d m 系统包括一个复用单元和发送单元或 一个解复用单元和接收单元。这种方式只要求对群路光接口m p i s 、m p i 。r 进 行规范，而对其内部所有接口不进行定义。 “b l a c kl i n k ”方式可理解为c w d m 系统仅包括复用、解复用单元和发送、 接收单元组成。对m p i s 、m p i r 、s r 。各个接口都进行标准化，以实现完 全横向兼容性，如图2 - 3 所示。 匝五卜鹭 广= ns s 上 ( l1 x 7 眨i n 汀lr n l in t 、 广；r 上 ) ii 7 ( m p i - s n m i r i：圣：翌i c w d m链路 图2 - 3 单纤单向c w d mb l a c kl i n k 模型 这里针对“b l a c kl i n k 方式进行c w d m 系统的光功率预算设计【2 7 】。由于 c w d m 系统应用于城域网传输距离一般不超过8 0 公里。p i n 接收机灵敏度为 18 d b m ，a p d 接收机灵敏度为- 2 8 d b m 。考虑2 d b 的光通道代价( p a t h p e n a l t y ) ， 以及无源器件光复用器( o m ) 和光接复用器( o d ) 的总插入损耗( i l ) 6 d a ，以光纤 损耗0 2 5 d b k m 计算，传输4 0 公里需要1 0 d b 的光功率预算( p o w e r - b u d g e t ) ，而 传输8 0 公里需要2 0 d b 的光功率预算。可以得到当信号速率为2 5 g b i t s 时， c w d m 系统中w l a 在s 。点的发送光功率为： s s ( a p d ) = r s + i l + p a t h - p e n a l t y + p o w e r - b u d g e t - - - 2 8 + 6 + 2 + 2 0 = 0 d b m ( 2 4 ) s 。( p i n ) = r s + i l + p a t h p e n a l t y + p o w e r - b u d g e t - - - 1 8 + 6 + 2 + 1 0 = 0 d b m ( 2 5 ) 由此可以看出，要能够支持4 0 公里或8 0 公里点到点传输，光发送模块的 最小光功率应为0 d b m ，故要求光模块的发送功率为o + 5 d b m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 5 时钟数据恢复模块设计 时钟数据恢复模块是光纤数字通信系统的重要组成部分，其性能的好坏将 直接影响整个系统传输质量的优劣和传输距离的长短。光收发器模块设计中， 光发射机和光接收机采用的是统一的参考时钟。数据流在光纤中传输没有附带 时钟，故接收端需要通过c d r 从接收到的含有较大干扰和抖动的数字信号中提 取接收位同步时钟，对接收的数据信号进行定时判决，抑制抖动和噪声，恢复 出具有规范波形的原数据信号以便后续处理或继续传输。 一卜_ 一 l i 信号输入 一一卜 勃专魏觚锁鬻失c f 一c f 2v c cv 。e e( 可选) ll 指示 “1 l 。ii 。i 一 工l 信号丢。 失门限 调节电阻 频率检 测器 环路滤 波器 蓁爹叫禚h 黼h 鬻燃 信号丢失ii 数据重 检测 il 定时 信号数据 时钟输出 丢失输出 图2 4c d r 内部的功能框图 本方案的选用的c d r 模块为a d n 2 8 1 2 ，主要包括脉冲调制器、锁相环电路、 数据重定时和信号丢失检测电路 2 8 1 。该c d r 支持全速率的时钟和数据再生，可 以支持从1 2 3 m b i t s n 2 7 g b i t s 的任意速率的3 r 再生。图2 - 4 为c d r 内部的功能框 图。正常工作时，首先将输入数据的相位和频率与压控振荡器( v c o ) 的相位 和频率分别通过相、频检测器比较。频率检测器迫使其频率差趋近于零，接环 路滤波器控制锁相环的动态特性和捕捉时间，在频率失锁情况下控制v c o ；而 相位检测器输出的是一差分电流正比于其相位差，再外接环路滤波器将电流转 换为用于控制v c o 的电压。利用锁相环的自动控制作用使v c o 输出频率锁定在 输入数据信号速率上，最后在输出端口得到恢复的时钟和数据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ，c d r 内置两个8 位受控地址用于读、写操作。读、写命令字节设置如图2 5 、 图2 6 所示。当控制f p g a 对c d r 的内存通过i c 总线进行读写时，首先发送一个 通信建立信号，指示后面为数据串，以最高位( m s b ) 至i j 最低位( l s b ) 的顺序输出 数据。控帝0 f p g a 接收并判断数据是否传送完毕，若传送结束，c d r 复位等待接 收后续命令。 图2 51 2 c 写入命令字节 s = a t a r tb i tp = s t o pb l t 百可订产l a c ko fa c k n o w l e d g eb ym a s t e r a ( s ) = a c k n o w l e d g eb ys l a v ea ( m 卜= a c k n o w l e d g eb ym a s t e r 图2 - 61 2 c 读出命令字节 w l a 具有用户带宽限制的功能，具有自动和手动两种模式，其中自动模式 由c d r 来实现，首先将r c 寄存器的c t r l a 0 位置1 ，使锁定参考模式处于激活 状态，再将c t r l a 1 位置l 进入数据速率测量初始化状态，当自动速率选择电 路工作于自动模式时，c d r 锁定的数据速率和参考时钟的关系满足下面的式子： d a t ar a t a 2 a w a 【5 2 】= r e f c l k 2 a l u 认【7 6 】 ( 2 6 ) 控制寄存器c r t l a 每位的设置含义和要求见表2 。l 。 表2 1 控制寄存器c r t l a 的设置 参考频率范围 数据速率参考频率倍频 数据速率测量 锁定参考 d 7d 6d 5 d 4 d 3 d 2d ld o o01 2 3 姗z 到2 5 船z00o0l 设置为l ，开始0 = 锁定输 012 5 姗z 至u 5 0 m h z000l2数据速率测量入数据速 1o5 0m h z 到1 0 0 m h z0ol01 盎 11 1 0 0 姗z 至u 2 0 0 m h zn 2 ” l = 锁定参 1o002 5 6 考时钟 对控制寄存器c r t l b 3 位先写1 然后置0 用来重置寄存器m i s c 2 ，开始进 行数据速率测量，检查当前m i s c 2 的值，当测量完成时值为l 。将测量值从f r e q 中读出，信号的速率通过公式2 7 计算得到，并通过i c 总线读取c d r 的寄存器 获得的用户速率信息。 f d a t a r 髓= ( f r e q 2 2 ：o f r e f c l k ) 2 ( 1 4 + s e l _ r a 住( 2 7 ) f r e q 2 2 ：0 由寄存器f r e q 2 6 ：0 ( m s b ) 、f r e q l 7 ：0 、f r e q 0 7 ： 0 ( l s b ) 构成；f d t r a t e 是信号速率；f g e f c u ( 是参考时钟频率，这里将其设为 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 9 4 4 m h z ；s e l _ r a t e i 扫c t r l a 7 ：6 】设置，其值根据参考时钟频率和表2 1 可 知其值为0 。图2 7 为信号速率判别程序流程图。 l 系统初始化i + l 向c d r 发送写入命令字节l l 写l 到c d r 的控制寄存器c t r l a f l l ，完成初始化 i 先写o ，然后写1 到c d r 的控制寄存器c t r l b f 3 1 ，用来重置寄存器m i s c 【2 】l + 向c d r 发送回读写入命令 0 l 读寄存器m 1 s c 【2 】的值，判断数据测罱是否完成i + 一 。，嘉。 n 铽童塑! ：j 一 y 将测鼍值, 从f r e q 2 6 ：o 】，f r e q i 【7 ：0 1 ，f r e q 0 7 ：o 】读出 0 i 计算用户速率，并输 j 结果 i ( 返【旦i ) 图2 7 信号速率判别程序流程图 c d r 的应用电路如图2 8 所示。r t h 变阻器可调整信号无光告警的监测范 围。c f l 和c f 2 d i 脚间的滤波电容，要求其容量不能超出o 4 7 t f + 2 0 ，且绝缘 电阻应大于3 0 0m q 。c d r 的内部参数经1 2 c 控制口通过控制f p g a 进行配置， 输入数据、输出数据、输出时钟的线路阻抗为5 0 q 2 9 】。 图2 8c d r 接线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章波长适配器的监控设计 w l a 可以支持多种业务速率等级，并且对s d h ( s t m 1 、s t m _ 4 、s t m 一1 6 ) 和g e 信号进行性能监测。如图2 1 在不影响主通路的情况下，信