GPON突發(fā)模式接收器的FPGA芯片解決方案
光纖在線
摘要： 隨著下行數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.5Gbps，以及改進(jìn)現(xiàn)存的電信設(shè)施的需求，針對這些最后一英里的應(yīng)用，GPON網(wǎng)絡(luò)是受歡迎的選擇。由于有效地增加了帶寬，預(yù)計(jì)GPON會(huì)超過EPON(以太無源光網(wǎng)絡(luò)，Ethernet Passive Optical Network)，因此會(huì)選擇GPON作為將來最后一英里的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
Abstract：
Key words :
能夠支持三重應(yīng)用(即支持語音、視頻和數(shù)據(jù))服務(wù)且能到通過最后一英里到達(dá)用戶，例如持續(xù)發(fā)展的小商業(yè)戶和住宅。FTTx中的主角是GPON(吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)，Gigabit Passive Optical Network)，它提供較高的帶寬替代DSL和電纜的光纖網(wǎng)絡(luò)。FTTx為最后一英里家用光網(wǎng)絡(luò)，諸如光纖到戶(FTTH)，光纖到樓(FTTB)，光纖到路邊(FTTC)，光纖到節(jié)點(diǎn)(FTTN)等。
隨著下行數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.5Gbps，以及改進(jìn)現(xiàn)存的電信設(shè)施的需求，針對這些最后一英里的應(yīng)用，GPON網(wǎng)絡(luò)是受歡迎的選擇。由于有效地增加了帶寬，預(yù)計(jì)GPON會(huì)超過EPON(以太無源光網(wǎng)絡(luò)，Ethernet Passive Optical Network)，因此會(huì)選擇GPON作為將來最后一英里的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
GPON功能一覽
GPON是時(shí)分復(fù)用(TDM)系統(tǒng)，基于現(xiàn)存設(shè)施的再使用，從遠(yuǎn)端傳送數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)隙分配給終端用戶。如圖一所示，在GPON中有兩個(gè)主要的數(shù)據(jù)流。下行方向從OLT(光線路終端，Optical Line Terminal)到光分路器，傳播數(shù)據(jù)到多個(gè)光網(wǎng)絡(luò)單元ONU(Optical Network Units)。在上行方向，這個(gè)過程相反。給每個(gè)用戶(ONU)分配一個(gè)時(shí)隙以便傳送數(shù)據(jù)，隨后在單根光纖上與其它數(shù)據(jù)結(jié)合在一起發(fā)送到中央辦公設(shè)備(OLT)。ONU是互相分開的，ONU源數(shù)據(jù)是由突發(fā)數(shù)據(jù)組成的，由于多個(gè)ONU的不同光長度，在上行數(shù)據(jù)里內(nèi)部的相位有變化，并將發(fā)生沖突。OLT的挑戰(zhàn)是修正每個(gè)ONU的排列，并確保在上行光鏈路中每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)同步。
在OLT中，上行通路處理這些高速突發(fā)數(shù)據(jù)的鎖定時(shí)間要求是很有挑戰(zhàn)性的(對GPON的典型值為50比特)，然而傳統(tǒng)的XAUI或基于SERDES的SONET/SDH的鎖定時(shí)間很長(數(shù)千比特)。結(jié)果客戶不得不使用特殊的，分立的突發(fā)模式接收器(BMR)。然而傳統(tǒng)的BMR消耗很大的功率，且難以升級，導(dǎo)致無法優(yōu)化體積，最終增加了系統(tǒng)的成本。
迄今為止對這些特殊的BMR還沒有特殊的解決方案。然而隨著FPGA的出現(xiàn)，它們支持快速鎖定，執(zhí)行時(shí)間短，集成的BMR功能支持達(dá)2Gbps的速度。
理想的BMR
如前所述，為了處理上行通路的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，BMR必須滿足一組特定的要求。理想的BMR應(yīng)有非?？斓逆i定時(shí)間，支持高速串行數(shù)據(jù)速率，同時(shí)又保持最小的尺寸和最小的功耗。傳統(tǒng)的BMR已提供了針對GPON的數(shù)據(jù)速率，但在成本、功耗和電路板的面積方面做了一些折衷。另外一方面，過去FPGA提供靈活性和很高的集成度，但這些FPGA的SERDES不能滿足GPON所要求的鎖定時(shí)間和數(shù)據(jù)速率的要求。理想的解決方案取決于BMR和FPGA。現(xiàn)在的解決方案是目前FPGA的I/O能力。這些編程平臺(tái)的獨(dú)特功能是在每個(gè)引腳上端接上行PON通路，與傳統(tǒng)的BMR器件相比較，提供了節(jié)省成本和可升級的解決方案。目前使用的最普通的方法是用FPGA采樣輸入數(shù)據(jù)。
這個(gè)方法所關(guān)注的是性能和功耗。FPGA對PON終端提供了另外一種方法，這種FPGA是LatticeSC系列。這些器件通過合并每個(gè)I/O內(nèi)的特殊邏輯來應(yīng)對BMR的挑戰(zhàn)，可動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的線而無需使用FPGA邏輯。
如圖二所示，嵌入在每個(gè)I/O中的是輸入延時(shí)塊(INDEL)和自適應(yīng)輸入邏輯(AIL)，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償時(shí)序相位變化，使每個(gè)引腳的速度達(dá)2Gbps。終端的結(jié)果是完整的I/O系統(tǒng)，支持快速鎖定時(shí)間和傳統(tǒng)BMR的性能，但具有很高的集成度，而且是低功耗的編程平臺(tái)。
迄今為止對這些特殊的BMR還沒有特殊的解決方案。然而隨著FPGA的出現(xiàn)，它們支持快速鎖定，執(zhí)行時(shí)間短，集成的BMR功能支持達(dá)2Gbps的速度。
理想的BMR
如前所述，為了處理上行通路的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，BMR必須滿足一組特定的要求。理想的BMR應(yīng)有非?？斓逆i定時(shí)間，支持高速串行數(shù)據(jù)速率，同時(shí)又保持最小的尺寸和最小的功耗。傳統(tǒng)的BMR已提供了針對GPON的數(shù)據(jù)速率，但在成本、功耗和電路板的面積方面做了一些折衷。另外一方面，過去FPGA提供靈活性和很高的集成度，但這些FPGA的SERDES不能滿足GPON所要求的鎖定時(shí)間和數(shù)據(jù)速率的要求。理想的解決方案取決于BMR和FPGA。現(xiàn)在的解決方案是目前FPGA的I/O能力。這些編程平臺(tái)的獨(dú)特功能是在每個(gè)引腳上端接上行PON通路，與傳統(tǒng)的BMR器件相比較，提供了節(jié)省成本和可升級的解決方案。目前使用的最普通的方法是用FPGA采樣輸入數(shù)據(jù)。
這個(gè)方法所關(guān)注的是性能和功耗。FPGA對PON終端提供了另外一種方法，這種FPGA是LatticeSC系列。這些器件通過合并每個(gè)I/O內(nèi)的特殊邏輯來應(yīng)對BMR的挑戰(zhàn)，可動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的線而無需使用FPGA邏輯。
如圖二所示，嵌入在每個(gè)I/O中的是輸入延時(shí)塊(INDEL)和自適應(yīng)輸入邏輯(AIL)，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償時(shí)序相位變化，使每個(gè)引腳的速度達(dá)2Gbps。終端的結(jié)果是完整的I/O系統(tǒng)，支持快速鎖定時(shí)間和傳統(tǒng)BMR的性能，但具有很高的集成度，而且是低功耗的編程平臺(tái)。
AIL相位修正
傳統(tǒng)的BMR使用時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)在OLT中產(chǎn)生上行采樣時(shí)鐘。如前所述，用于GPON應(yīng)用的時(shí)鐘方法要求專用的大功率電路，以滿足挑戰(zhàn)性的速度和上行通路的鎖定時(shí)間要求。因?yàn)镚PON的物理層是基于現(xiàn)有的TDM設(shè)備，GPON其本身的性質(zhì)是時(shí)間環(huán)，意為在OLT本地的參考時(shí)鐘可以作為參考時(shí)鐘來采樣輸入數(shù)據(jù)。AIL利用這個(gè)本地OLT時(shí)鐘源產(chǎn)生本地的625MHz時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘用來對輸入數(shù)據(jù)采樣，對連續(xù)突發(fā)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)，端接多個(gè)ONU時(shí)補(bǔ)償上行通路的相位變化。
128個(gè)抽頭的延時(shí)(每個(gè)45ps)使能多個(gè)輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)周期，在延時(shí)鏈路中任何時(shí)間都能進(jìn)行采樣。自適應(yīng)輸入邏輯(AIL)監(jiān)控這個(gè)輸入數(shù)據(jù)的多個(gè)采樣，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘，數(shù)據(jù)相位關(guān)系，直到找到有效的采樣點(diǎn)。含有數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換、抖動(dòng)和噪聲的輸入數(shù)據(jù)信號通過延時(shí)鏈路。于是AIL通過延時(shí)鏈滑動(dòng)捕獲窗，根據(jù)單獨(dú)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換尋找穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AIL將繼續(xù)監(jiān)控輸入和數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償由于工藝、電壓和溫度而引起的低頻抖動(dòng)，漂移和變化。用延時(shí)鏈建立數(shù)據(jù)的多個(gè)復(fù)本的新方法提供了比用高速時(shí)鐘采樣數(shù)據(jù)功耗低的解決方案。圖三為對AIL方法的觀察。
傳統(tǒng)的BMR使用時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)在OLT中產(chǎn)生上行采樣時(shí)鐘。如前所述，用于GPON應(yīng)用的時(shí)鐘方法要求專用的大功率電路，以滿足挑戰(zhàn)性的速度和上行通路的鎖定時(shí)間要求。因?yàn)镚PON的物理層是基于現(xiàn)有的TDM設(shè)備，GPON其本身的性質(zhì)是時(shí)間環(huán)，意為在OLT本地的參考時(shí)鐘可以作為參考時(shí)鐘來采樣輸入數(shù)據(jù)。AIL利用這個(gè)本地OLT時(shí)鐘源產(chǎn)生本地的625MHz時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘用來對輸入數(shù)據(jù)采樣，對連續(xù)突發(fā)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)，端接多個(gè)ONU時(shí)補(bǔ)償上行通路的相位變化。
128個(gè)抽頭的延時(shí)(每個(gè)45ps)使能多個(gè)輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)周期，在延時(shí)鏈路中任何時(shí)間都能進(jìn)行采樣。自適應(yīng)輸入邏輯(AIL)監(jiān)控這個(gè)輸入數(shù)據(jù)的多個(gè)采樣，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘，數(shù)據(jù)相位關(guān)系，直到找到有效的采樣點(diǎn)。含有數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換、抖動(dòng)和噪聲的輸入數(shù)據(jù)信號通過延時(shí)鏈路。于是AIL通過延時(shí)鏈滑動(dòng)捕獲窗，根據(jù)單獨(dú)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換尋找穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AIL將繼續(xù)監(jiān)控輸入和數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償由于工藝、電壓和溫度而引起的低頻抖動(dòng)，漂移和變化。用延時(shí)鏈建立數(shù)據(jù)的多個(gè)復(fù)本的新方法提供了比用高速時(shí)鐘采樣數(shù)據(jù)功耗低的解決方案。圖三為對AIL方法的觀察。
AIL窗用來從延時(shí)鏈獲取采樣數(shù)據(jù)。這個(gè)窗含有邊沿檢測寄存器和中心抽頭采樣寄存器。中心抽頭寄存器是采樣到數(shù)據(jù)的實(shí)際寄存器，隨后再送到FPGA。邊沿檢測寄存器是窗的“眼睛和耳朵”，因?yàn)槠浞答佁峁┝诉M(jìn)行研究算法的信息。在最大的窗，采樣寄存器的每個(gè)邊有4個(gè)邊沿檢測寄存器。圖四展示了AIL窗的寄存器分布和窗的大小。
最壞的捕獲時(shí)間是窗口的中心正對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)。于是窗口開始搜索無噪聲的數(shù)據(jù)，比較從邊沿檢測采樣到的數(shù)據(jù)和中心抽頭寄存器的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些值，窗口以90ps步長單方向地連續(xù)移動(dòng)，直到找到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。一旦找到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，AIL繼續(xù)跟蹤時(shí)鐘，數(shù)據(jù)相位關(guān)系，補(bǔ)償?shù)退俣秳?dòng)，漂移以及工藝、電壓和溫度的變化。圖五展示了搜索過程。
通過計(jì)算最差情況的數(shù)據(jù)有效時(shí)期來確定窗口的大小，如圖六所示。用戶選擇最大的窗以適配計(jì)算出最壞情況窗。例如，上行GPON應(yīng)用中數(shù)據(jù)時(shí)期為800ps。GPON規(guī)范允許的抖動(dòng)為0.4UI，結(jié)果數(shù)據(jù)有效時(shí)期為480ps (800ps~320ps)。因此，從所提供的GUI中選擇400ps的窗口尺寸。
一旦確定了窗口大小，就可以考慮窗口的移動(dòng)。對AIL捕獲的最差情況是必須解決160ps抖動(dòng)，即轉(zhuǎn)換中心的起始點(diǎn)，如圖七所示。根據(jù)90ps步長，針對AIL采用有效數(shù)據(jù)的中心抽頭寄存器要用2個(gè)延時(shí)步長(180ps)，針對在無噪聲環(huán)境中的整個(gè)窗口，要4個(gè)延時(shí)步長。記住用戶從中心抽頭寄存器看到數(shù)據(jù)，因此對于用戶接收，檢測有效數(shù)據(jù)，不需要整個(gè)窗在在無噪聲的環(huán)境中。因?yàn)槊總€(gè)延時(shí)步長，AIL需要4個(gè)轉(zhuǎn)換，在8個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，用戶會(huì)看到有效的中心抽頭數(shù)據(jù)，在16個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換內(nèi)整個(gè)窗在無噪聲的環(huán)境中。針對初始數(shù)據(jù)采集時(shí)間，兩者皆好且符合GPON規(guī)范。
抖動(dòng)容忍(Jitter Tolerance)
基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AIL繼續(xù)監(jiān)控和移動(dòng)窗口。算法與窗口設(shè)計(jì)使AIL容忍高頻抖動(dòng)，通過連續(xù)監(jiān)控相位關(guān)系移動(dòng)窗口以保持無噪聲的環(huán)境對低頻抖動(dòng)做出反應(yīng)。
一旦窗口發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的位置，邊沿檢測寄存器擔(dān)當(dāng)緩沖器的功能對付高頻抖動(dòng)。圖八展示了高頻抖動(dòng)的發(fā)生，并且侵入了AIL窗。如果檢測到4個(gè)連續(xù)時(shí)間的傳送，窗口將發(fā)生移動(dòng)，如果首個(gè)傳送全部能看見，AIL會(huì)對此容忍，因?yàn)檫@不足以影響在窗中間的中心抽頭寄存器的采樣數(shù)據(jù)。
基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AIL繼續(xù)監(jiān)控和移動(dòng)窗口。算法與窗口設(shè)計(jì)使AIL容忍高頻抖動(dòng)，通過連續(xù)監(jiān)控相位關(guān)系移動(dòng)窗口以保持無噪聲的環(huán)境對低頻抖動(dòng)做出反應(yīng)。
一旦窗口發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的位置，邊沿檢測寄存器擔(dān)當(dāng)緩沖器的功能對付高頻抖動(dòng)。圖八展示了高頻抖動(dòng)的發(fā)生，并且侵入了AIL窗。如果檢測到4個(gè)連續(xù)時(shí)間的傳送，窗口將發(fā)生移動(dòng)，如果首個(gè)傳送全部能看見，AIL會(huì)對此容忍，因?yàn)檫@不足以影響在窗中間的中心抽頭寄存器的采樣數(shù)據(jù)。
圖8還顯示了在低頻抖動(dòng)、漂移的情況下，AIL是如何補(bǔ)償相移的。在移動(dòng)窗口之前用4個(gè)內(nèi)置邊沿寄存器使AIl緩慢地調(diào)整低頻抖動(dòng)(或漂移)。針對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，用內(nèi)置的滯后算法，針對抖動(dòng)和漂移AIL起低通濾波器的作用，能跟蹤由于工藝、電壓和溫度改變而產(chǎn)生的變化。
結(jié)論
把更高的帶寬帶給第一英里客戶的技術(shù)革新導(dǎo)致了GPON技術(shù)的流行。如今有各種可行的解決方案，不斷進(jìn)步的技術(shù)將取決于將來能實(shí)現(xiàn)多快，節(jié)省成本的解決方案。具有穩(wěn)定性能用于BMR的集成OLT接收器用單個(gè)、可升級的小尺寸封裝，且只有現(xiàn)在解決方案一半功率的解決方案最終將加速GPON技術(shù)的流行。
結(jié)論
把更高的帶寬帶給第一英里客戶的技術(shù)革新導(dǎo)致了GPON技術(shù)的流行。如今有各種可行的解決方案，不斷進(jìn)步的技術(shù)將取決于將來能實(shí)現(xiàn)多快，節(jié)省成本的解決方案。具有穩(wěn)定性能用于BMR的集成OLT接收器用單個(gè)、可升級的小尺寸封裝，且只有現(xiàn)在解決方案一半功率的解決方案最終將加速GPON技術(shù)的流行。
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