用中继拉远技术解决PON部署过程中的普遍难题,该文是关于过程中相关专科开题报告范文和中继和普遍难题和部署有关论文参考文献范文.
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【摘 要】 本文介绍一种GPON/EPON 自动兼容型PON 拉远装置,用于解决GPON 和EPON 系统光链路功率预算紧张,传输距离偏短的问题.本装置能自动识别GPON 和EPON 系统,并能自动切换到相应的工作模式,可对GPON 和EPON 系统上行和下行光信号进行整形和放大,能有效延伸GPON 和EPON 的通信距离,并能提高OLT 的PON 口所能连接的ONU 数量.目前已在国网宁波市鄞州区供电公司应用,有效解决了该公司配电自动化通信网络中某些弱光ONU 工作不稳定或失联下线的问题.
【关键词】 PON 系统 中继器 传输距离 配电自动化
引言
无源光网络PON 系统[1] 由OLT、ODN 和ONU 组成,采用一点对多点结构,OLT 的一个PON 口可接入32 个以上的ONU, 这使得局端设备的体积和成本急剧下降,不仅如此,PON 采用分光器组网,从主干光纤分出一部分光发送到ONU,这种结构使得一根光纤可以供32 个以上的用户共用,光纤的使用量也大幅度下降,所以PON 的综合部署成本比传统的点对点方式有十倍至几十倍的下降,成为光宽带普及推广的最佳技术方案[2].
但是PON 也有一个天生的弱点,就是分光器会从主干光纤分出一部分光到分支节点的ONU,这使得主干光纤中的光功率衰减很快,如果分配给每个ONU 的光功率比较均匀,情况还好一些.
然而实际使用中,光功率经常无法均匀分配,而是主干光纤前段部分的ONU 分配的光功率比较大,而主干光纤末端的ONU 分配的光功率往往不足,这就使得PON 光链路的功率预算非常紧张.
目前在电力配网自动化通信系统[3][4] 中,为提高ONU站点的可靠性,较多采用环网保护组网方式[5],因此OLT下辖的实际ONU 数量比较少.
电力配电自动化站点相比较于电信行业的站点,分布比较分散,主要采用一分二分光器,这种光分配网ODN 的分光器级数很多,通常每加入一个一分二分光器,就会引入一级分光,ODN 的光功率分配很不均匀,前级分配的光功率较大,后级则逐级减少,再加上每个分光器还会引入三个活动光接头,主干光纤的光功率消耗很快,一般一个PON口只能接入6 至8 个ONU,这对OLT 的PON 口和光纤资源都造成很大的浪费.在ODN 的中间部位加入PON 光功率放大拉远装置以后,光功率立即得到放大和恢复,可以再接入6 到8 个ONU.
采用PON 拉远放大设备,在光纤链路的中间节点,对下行和上行光功率同时放大和增强,可以彻底解决PON 链路光功率预算不足的问题.现在PON 拉远放大技术已初步取得应用,但是GPON 与EPON 的两种拉远放大设备不能通用.
在现场施工中,如果没有专用设备,很难识别两种不同的系统,如果EPON 和GPON 分别采用不同的拉远设备,会给采购和运输带来很大的麻烦,后期设备维修更换也会很不方便,如果PON 拉远设备能自动识别GPON 和EPON 系统,并能自动兼容两种系统,显然会带来很多的便利.
本文介绍一种GPON 和EPON 自动兼容型PON 光中继器的实现方法,用以解决现有技术方案无法自动兼容GPON和EPON 的问题.
一、GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器内部结构和原理
1.1 GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器的内部结构
GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器内部结构如图1所示.
下行方向,GPON 下行接收组件接收到光信号后,分两路送入两个不同的下行时钟数据恢复芯片CDR1 和CDR2,其中CDR2 是专用于EPON 的数据时钟恢复单元, 采用TLK1221 芯片,该芯片会将1250 兆的EPON 高速串行信号变换成10 比特125 兆的并行数据,这个时钟和数据输入到FPGA, 在FPGA 中含有10B 到8B 的解码单元,并能检测输入的10B 码是否符合8B10B 标准.
如果输入的是EPON 信号,则这个单元会收到稳定的10B 信号,这一信号中含有大量的10B 帧同步码和起始码,根据收到的帧同步码和起始码,结合10B 码判定标准,就可以判断为EPON 信号,10B 码检测单元对输入的信号是否是10B 码进行识别和验证；
如果接入的是GPON 信号,则不会收到8B10B 信号,也不会定期收到10B 的帧同步码和起始码,因此可以判断为GPON 信号；
GPON 和EPON 识别单元会输出一个EPON/GPON 指示信号,该信号为高电平时,为EPON 有效,为低电平时,为GPON 有效,在本装置内,会根据EPON/GPON 指示信号输出的不同电平,切换为两种不同的工作模式,如果是高电平,则识别为EPON 系统,装置会切换为EPON 工作模式,如果EPON/GPON 指示信号为低电平,则识别为GPON 系统,切换为GPON 工作模式.
1.2 GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器的上行信号处理原理
在上行方向,GPON 上行接收组件连接上行突发数据和时钟恢复单元,GPON 上行接收组件接收到上行突发光信号后,转换成突发高速电信号,这个信号速率比较高,GPON是1.244Gbit/s, EPON 是1.25Gbit/s, 普通的FPGA 是无法处理的,需要通过上行突发数据串并变换电路处理,变换成低速并行信号.
本装置采用MAX3885 芯片,将一路高速串行信号,并换成16 路低速并行信号,如果输入信号是GPON 信号,则变换后的并行信号的速率为77.76 兆,如果输入信号是EPON 信号,则变换后的并行信号的速率为78.125 兆,显然这两种信号的速率都比较低,在FPGA 中很容易处理.
上行突发数据串并变换单元连接上行数据缓存器,这个缓存器的输入地址信号由上行突发数据和时钟恢复单元恢复出的时钟驱动,而缓存器的输出地址信号则由从下行信号中恢复出的时钟驱动.
如果是GPON 信号,则缓存器的地址信号由77.76 兆时钟驱动,77.76 兆信号是CDR1 从GPON 下行信号中提取的155.52 兆时钟信号,然后经过二分频产生.
如果是EPON 信号,则缓存器的地址信号由78.125 兆时钟驱动,78.125 兆信号是由CDR2 从EPON 下行信号中提取的125 兆信号,经过1.25 倍频至156.25 兆,然后再二分频至78.125 兆产生的.
前导比特修复单元的作用是修复被损伤的前导比特,由于GPON 和EPON 是突发传送方式,在接收端,GPON 上行接收组件需要10 到30 比特的时间调整限幅放大器,上行突发数据和时钟恢复单元也需要10 到20 个比特的调整时间,这两项加起来会造成20 到50 比特的突发数据串前导比特的损伤,这部分比特会丢失.
在本装置中,为了PON 拉远装置稳定可靠的放大和整形上行突发信号,设计了突发数据串前导比特修复单元,方法是在突发数据串最前面的前导部分叠加32 比特的前导比特,使丢失的前导比特得到修复.经过修复前导比特的突发数据串仍是并行低速信号,经过上行并串变换单元进行并串变换后,变换成高速串行信号,发送到GPON 上行激光发射组件发射.
上行信号经过GPON 上行接收组件放大恢复后,信号幅度得到增强,后面再经过并串变换单元,信号抖动得到平滑和改善,信号的波形被整形,这是一个完整的3R 整形恢复过程,即再放大,再整形,再定时,经过3R 放大整形后,GPON 上行信号强度可达0dBm 以上,波形也完全满足标准要求,可以传送更远的距离.
突发数据时钟恢复单元CDR3 采用MAX3634, 该信片是突发模式时钟相位对齐芯片,用于GPON 和EPON 系统接收再定时；
MAX3634 输出为PECL 信号,提供时钟再同步功能,该芯片需要一个参考时钟,这个参考时钟是从GPON 下行数据中提取的.
MAX3634 的输出时钟可以在13 Bit 的时间内实现与输入突发数据相位同步,其输出是连续的时钟信号；
MAX3634 内部包含一个锁相环,这个锁相环的频率与输入参考时钟锁定；
锁相环的内部振荡器驱动一个8 分相器,这个分相器产生8 个相位错开的时钟信号,但这8 个时钟信号的频率都与输入参考时钟相同,这8 个相位错开的时钟信号分别驱动8 个锁存器flip-flop 的时钟端,对输入的突发数据进行采样.
组合和顺序逻辑电路测量突数据信号的前导部分,以判决这8 个相位错开的时钟信号的哪一个处于输入突发数据的中间位置,并将与处于中间位置的时钟信号相关联的锁存器的输出做为最终的输出数据信号,这个过程需要4 到5 个附加的时钟周期才能得到有效的数据输出信号.
MAX3634 需要1010101010101（13 bits）这样的前导序列比特,用于实现正确的相位对齐操作,典型的,输出开始于12 bit 以后,MAX3634 提供锁定指示信号,当相位锁定以后,用于指示已获得正确的相位,输出数据开始有效,这一状态一直持续到MAX3634 接收到一个有效的突发RESET输入信号为止,所以在突发数据串的间隔期间,MAX3634是需要复位信号的；一个有效的复位信号通知MAX3634 开始重新捕捉下一个突发数据串的相位.这个RESET 信号由GPON 上行接收组件输出的SD 信号经过变换,取其脉冲上升沿获得的.
上行突发数据经过MAX3634 芯片后,会提取到与上行数据同步的时钟和数据,但是数据的速率仍比较高,对于GPON 来说,这个速率为1224 兆.
对EPON 来说,这个速率为1250 兆,这么高速的信号FPGA 仍然处理不了,需要经过串并变换,变换成低速率的并行信号才能送到FPGA 处理,上行串并变换功能由MAX3885 芯片完成,MAX3885 可将输入高速串行信号变换成低速率的16 比特并行信号,对于GPON 来说,变换成的16 比特并行信号速率为77.76 兆,对于EPON 来说,变换成的16 比特并行信号速率为78.125 兆.
上行并串变换单元MAX3890 芯片实现；MAX3890 并串变换芯片,是理想的用于将16 比特宽的并行数据变换成2.488Gbp 或1.244Gbps 串行数据的芯片,用于GPON 和SDH/SONET 应用.
采用3.3 伏电压,该芯片接收低电压差分信号LVDS时钟和数据输入,变换成高速串行数据,输入时钟可以是155.520 兆或77.76 兆参考时钟,MAX3890 工作温度范围可达-40 至85 摄氏度,为TQFP 封装,在本装置中,MAX3890 用于上行并串变换,可将16 位并行数据变换成高速串行数据,注意在本装置中,MAX3890 输入的参考时钟在EPON 工作模式下,为125 兆,在GPON 工作模式下为155.520 兆,输入的数据为16 比特宽的并行数据,经过MAX3890 并换后,由MAX3890 输出的高速串行数据在GPON 工作模式下为1.244Gbps, 在EPON 工作模式下为1.25Gbps.
在本装置中,时钟选择单元,上行数据缓存器,上行前导比特恢复单元,以及附加的逻辑电路在FPGA 中实现,这样可以提高装置的集成度,减少研发难度,并能提高可靠性.
1.3 GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器的下行信号处理原理
EPON 下行数据和时钟恢复单元CDR2 采用TLK1221 芯片处理； TLK1221 千兆以太网收发器,提供高速全双工数据收发,这个器件基于IEEE802.3 千兆以太网10-bit 接口规范的时序,TLK1221 支持的数据速率范围为0.6G bps 到1.3G bps.
TLK1221 用于千兆以太网物理层的数据并串并换和串并变换及时钟提取功能,TLK1221 支持IEEE802.3 定义的10-bit 接口（TBI）,并串变换模块接收10-bit 宽的8B10B并行编码信号,变换成高速串行信号,产生与PECL 兼容的高速差分串行信号.
串并变换功能从输入的高速信号中提取时钟和数据,并将高速串行码流变换成10-bit 并行数据信号.
本装置关注的是TLK1221 的串并变换功能,这个器件利用IEEE 802.3 千兆以太网定义的10-bit K28.5 字符,它包含了7-bit comma 图案字对齐策略.这个器件提供10-bitK28.5 字符识别和字对齐功能,器件检查和对比串行输入数据,并与7–bit 同步图案比对.
K28.5 字符在8B/10B 编码方案中定义为0011 1110 10,7 个高位比特（0011 111）被定义为comma 字符,k28.5 字符被用于特别定义的字对齐符号,一旦K28.5 字符落入10-bit 边界,接收的10-bit 字节就可以正确的定界对齐.
GPON 下行数据和时钟恢单元采用MAX3875 芯片,是一款CDR 芯片,可以从2.488Gbps 数据中恢复出数据和时钟,可以对高速串行数据进行重定时,MAX3875 内部集成锁相环,输入数据为符合GPON 标准的NRZ 码型,输出的数据和时钟为低抖动的差分PECL 信号；
在本设备中,MAX3875 和MAX3885 互相配合,从GPON 的下行数据中提取出与下行数据同步的155.520兆时钟,这个时钟信号连接到用于上行数据快速同步的MAX3634 芯片的输入时钟信号.
MAX3885 串并变换器可以将串行数据变换成16 比特宽,速率为155.520Mbps 的并行数据,串行输入数据和时钟为2448 兆速率,输出为155.520 兆时钟和155.520 兆并行数据,输出的155.520 兆时钟和数据同步,采用3.3V 电压,接收的是PECL 串行数据和时钟,输出LVDS 并行16 比特时钟和时钟.
这个芯片没有数据时钟恢复功能,只完成串行数据到并行数据的变换功能,需要配合MAX3875 使用.
1.4 实际应用
国网宁波市鄞州区供电公司建设的配电自动化通信PON 系统中,存在部分ONU 光功率弱、工作不稳定的问题,使用本文的GEPON 光中继设备进行改造后,效果非常理想.进过现场测试,使用GEPON 光中继设备后,光信号可以回复到OLT 发出时的光强度.
对于PON 光链路信号功率较弱的线路,在其中间位置加入本文的GEPON 光中继设备,对PON 信号进行放大,失联和不稳定的ONU 立即重新上线,最终实现了鄞州供电公司所有PON 线路工作稳定,100% 在线.
经过长期观察和验证,整个PON 系统工作稳定可靠,采用GEPON 光中继设备,不必重新铺光缆就能解决问题,是一种快速有效的解决方案.
二、总结
本文研究了一种GPON/EPON 自动兼容型PON 光中继器,用于解决GPON 和EPON 系统光链路功率预算紧张,传输距离偏短的问题,目前已在宁波市鄞州区供电公司配电自动化通信网络中应用,解决了该通信网络系统中光信号预算紧张的问题.
但该装置功能还有待完善,如温湿度的监控功能,一般PON 设备所在的运行环境比较恶劣,若能对环境进行监测,可以积累设备的运行数据,辅助设备故障的研判；另外目前装置体积相对较大,研制更加便携,功能更加强大的PON 光中继设备,是我们今后的研究方向.
此文结论，上文是一篇关于中继和普遍难题和部署方面的过程中论文题目、论文提纲、过程中论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
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