朱麗麗，何巖
（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢430074）
摘 要：EPON是基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入系統，采用以太網(wǎng)的幀結構，在傳統以太網(wǎng)的點(diǎn)到點(diǎn)和共享（多點(diǎn)到多點(diǎn)）媒體訪(fǎng)問(wèn)機制基礎上，增加了一種點(diǎn)到多點(diǎn)的媒體訪(fǎng)問(wèn)機制，即無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )媒體.因而EPON在物理媒質(zhì)參數、編/解碼和串行/解串、上行突發(fā)通信等方面引出了較為復雜的問(wèn)題，文章在詳細闡述千兆以太網(wǎng)物理層結構的基礎上，深入探討了上述EPON系統中的物理層問(wèn)題，并給出了相應的解決方法.
關(guān)鍵詞：千兆以太網(wǎng)；無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )；編/解碼器；串行/解串器；抖動(dòng)；上行突發(fā)通信
1概述
隨著(zhù)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信領(lǐng)域出現了兩種趨勢[1]：第1種是光纖技術(shù)逐漸從骨干網(wǎng)向廣域網(wǎng)（WAN）和城域網(wǎng)（MAN）發(fā)展，最后將滲透到接入網(wǎng)；第2種是以太網(wǎng)技術(shù)逐漸從局域網(wǎng)（LAN）向MAN和WAN發(fā)展，最后在骨干網(wǎng)上也將可能傳送IP包.這兩種技術(shù)的結合，將有可能導致最終廣泛采用綜合了最好的光纖技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的光以太網(wǎng).它將成為在一個(gè)平臺上提供數據、視頻和語(yǔ)音業(yè)務(wù)的主要工具.
光纖接入有無(wú)源和有源之分，基于SDH和PDH的光纖接入是有源接入，基于無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )（PON）的接入是無(wú)源接入.PON具有獨特的優(yōu)點(diǎn)，它能夠提供透明寬帶的傳送能力.由于PON本身是一種多用戶(hù)共享的系統，即多個(gè)用戶(hù)共享同一個(gè)設備、同一條光纜和同一個(gè)光分路器，所以成本低.與有源光網(wǎng)絡(luò )相比，PON由于其固有特性，它的安裝、開(kāi)通和維護運營(yíng)成本大為降低，系統更可靠、更穩定，因此接入網(wǎng)正在大量應用PON系統. 隨著(zhù)因特網(wǎng)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)被大量使用，由于市場(chǎng)的推動(dòng)，以太網(wǎng)技術(shù)也得以飛速發(fā)展.在20世紀80年代它僅是一種LAN技術(shù)，其速率為10 Mbit/s，90年代后推出了快速以太網(wǎng)（100 Mbit/s）和千兆以太網(wǎng)（1 Gbit/s），它的應用也從LAN發(fā)展到了WAN.千兆以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )(EPON)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入系統，它采用以太網(wǎng)的幀結構，在傳統以太網(wǎng)的點(diǎn)到點(diǎn)和共享（多點(diǎn)到多點(diǎn)）媒體訪(fǎng)問(wèn)機制基礎上，增加了一種點(diǎn)到多點(diǎn)的媒體訪(fǎng)問(wèn)機制，即PON媒體.有了這種新的媒體，以太網(wǎng)的發(fā)展如虎添翼，將具備更廣泛的應用領(lǐng)域，更靈活的帶寬分配能力.EPON能提供較大的帶寬和較低的用戶(hù)設備成本，可應用于光纖到大樓（FTTB）和光纖到路邊（FTTC），最終的目標是在一個(gè)平臺上提供全業(yè)務(wù)（數據、視頻和語(yǔ)音）到家.
2千兆以太網(wǎng)物理層簡(jiǎn)介
千兆以太網(wǎng)物理層是OSI參考模型的一部分，提供以太網(wǎng)設備和其媒質(zhì)之間的接口，但是，它不僅僅是一個(gè)接口，還利用機械、電子和邏輯方式來(lái)建立、維護和釋放給定傳輸媒質(zhì)上的物理連接.千兆以太網(wǎng)物理層[2]包括以下3層：物理編碼子層（PCS）、物理媒質(zhì)接入子層（PMA）和物理媒質(zhì)相關(guān)子層（PMD），物理層的功能框圖如圖1所示.
2.1PCS層
PCS層的接口是GMII接口 ，GMII使上層能以標準方式與任何大量不同的物理層(PHY)芯片互連，PCS提供給GMII所需的全部服務(wù)，包括:（1） 把GMII字節數據編碼成10 bit碼組（8B/10B）,用于下面PMA層的通信；（2） 為物理層的半雙工客戶(hù)端產(chǎn)生載波監聽(tīng)和沖突檢測的指示符；（3） 管理自動(dòng)協(xié)商的過(guò)程，當物理層可使用時(shí)，通過(guò)GMII接口通知管理實(shí)體.
2.2PMA層
PMA為PCS提供了一種媒質(zhì)無(wú)關(guān)的方法，支持使用串行比特的物理媒質(zhì)，功能如下：（1） 通過(guò)PMA服務(wù)接口，在PCS和PMA之間映射碼組的發(fā)送和接收；（2） 發(fā)送部分把10位并行碼組轉換為串行位流，發(fā)送到PMD層；接收部分把來(lái)自PMD層的串行數據，轉換為10位并行數據；（3） 從接收位流中分離出用于對接收到的數據進(jìn)行正確的符號對齊的符號定位時(shí)鐘；（4） 通過(guò)PMD服務(wù)接口，在PMA和PMD之間映射比特流的發(fā)送和接收；（5） 在PMD服務(wù)接口完成數據環(huán)回的功能.
2.3PMD層
PMD為電/光收發(fā)機，把輸入的電壓變化狀態(tài)變?yōu)楣獠ɑ蚬饷}沖以便能在光纖中傳輸[3].
千兆以太網(wǎng)規范支持3種形式的傳輸介質(zhì)： (1) 單模和多模光纖上的長(cháng)波（LW）激光（稱(chēng)為1000Base－LX）；(2) 多模光纖上的短波（SW）激光（稱(chēng)為1000Base－SX）;(3) 均衡屏蔽的150 Ω銅纜（稱(chēng)為1000Base－CX）.
目前，光纖信道的PMD規范允許以全雙式方式傳輸1.062 Gbit/s的信令，而千兆以太網(wǎng)將這一速率提高到了1.25 Gbit/s.8B/10B編碼機制允許的數據速率達到1 000 Mbit/s.
在光纖介質(zhì)上傳輸的激光有SW激光和LW激光兩種，總的來(lái)說(shuō)，SW激光成本低，但傳輸距離較短；LW激光成本高，但傳輸距離較長(cháng).多模光纖不僅支持SW激光也支持LW激光.多模光纖的直徑有62.5和50 μm兩種.單模光纖不支持SW激光，但可以傳輸LW激光.單模光纖傳統上用于較長(cháng)距離的網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)系統中.對于短距離（25 m或更短）的傳輸，千兆以太網(wǎng)可以運行于均衡屏蔽的150 Ω銅纜上.
2.4各層之間的接口
PCS層與MAC層的接口定義為GMII,是字節寬度的數據通道；PMA層與PCS層的接口定義為T(mén)BI，是10 bit寬度的數據通道；PMD層與物理媒質(zhì)的接口為MDI，是串行比特的物理接口.
3各子層芯片內部結構的設計
3.1編/解碼器
千兆以太網(wǎng)的PCS與光纖信道的PCS層相同，編/解碼器的作用是支持多種編碼方法并將它們通知高層，數據通過(guò)PMD進(jìn)入PHY，光纖信道的編碼方法是8B/10B，該編碼方法是專(zhuān)門(mén)為光纜傳輸設計的.千兆以太網(wǎng)采用與之相似的編碼方法，區別在于光纖信道使用1.062 Gbit/s的信號機制，而千兆以太網(wǎng)使用1.25 Gbit/s的信號機制.
光纖信道的FC1子層描述了同步方法和8B/10B編碼方法，FC1定義的傳輸協(xié)議包括物理層(雙向)的串行編/解碼方法、特殊字符以及錯誤控制方法.千兆以太網(wǎng)使用的編/解碼方法與光纖信道FC1子層及定義的方法相同，即8B/10B編碼方法.8B/10B編碼和FDDI采用的4B/5B編碼相似，但是光纖信道沒(méi)有采用4B/5B編碼，因為它沒(méi)有直流（DC）平衡機制.8B/10B編碼的另一個(gè)特性稱(chēng)為直流平衡.因為數據是用電壓代表的，所以系統可能會(huì )長(cháng)時(shí)間停留在正或負的狀態(tài).如果是這種情況，那么通道上的交流耦合元件可能會(huì )產(chǎn)生直流充電，這可能會(huì )使傳送的信號產(chǎn)生失真，這種干擾稱(chēng)之為基線(xiàn)漂動(dòng).8B/10B編碼本身在每個(gè)發(fā)送的數據碼中平衡了“1”和“0”的數量，從而沒(méi)有直流電荷的積累，消除了任何形式的基線(xiàn)漂動(dòng).
8B/10B傳輸碼使用字母來(lái)描述未編碼信息字節的各比特和一個(gè)單獨的控制變量.字節的每個(gè)比特為二進(jìn)制的“0”或“1”，控制變量Z，其值為D或K.當Z為D時(shí)，碼組為數據碼組，當Z為K時(shí)，碼組為特殊的碼組.
用A,B,C,D,E,F,G,H來(lái)表示各比特，轉換為a,b,c,d,e,i，f,g,h,j 10%bit%.每一個(gè)碼組有一個(gè)名字，對于256個(gè)有效的數據碼組，轉換方法是Dx.y，Kx.y表示12個(gè)特殊的控制碼組，這里x指EDCBA的十進(jìn)制值，y是HGF的十進(jìn)制值.
市場(chǎng)上已有的8B/10B編/解碼芯片具有以下基本特點(diǎn)：（1） 符合IEEE802.3千兆比特以太網(wǎng)標準；（2） 根據工業(yè)標準特殊字符編碼方法，把8 bit的字節編碼成10 bit的數據和特殊字符；（3） 使用TBI接口與商用串行/解串器（SerDes）無(wú)縫連接；（4） 當無(wú)有效數據可利用時(shí)，時(shí)鐘使能輸入端可使能和暫停編碼器；（5） 使用錯誤檢測和指示機制可檢查和計算不均等性（RD）;（6） 配合SerDes利用間隔符（Comma）可定位并同步10 bit碼組.
3.2串行/解串器（SerDes）
PMA發(fā)送過(guò)程把發(fā)送碼組轉換成串行比特，傳送給PMD.類(lèi)似地，PMA接收過(guò)程把從PMD接收到的串行比特流轉換成并行的10 bit碼組，傳送給PCS.SerDes的基本設計框圖如圖2所示.
（1） 輸入鎖存
發(fā)送端接收10 bit寬的并行數據TX<9∶0>，用戶(hù)提供的參考時(shí)鐘信號REFCLK用作發(fā)送時(shí)鐘，必須正確地定位TX<9∶0>和REFCLK.
（2） TX PLL/時(shí)鐘生成單元
發(fā)送端鎖相環(huán)和時(shí)鐘生成單元用于產(chǎn)生所有的內部時(shí)鐘，REFCLK為125 MHz，是內部時(shí)鐘的基準，乘以10后得到1 250 MHz，作為高速串行輸出數據的時(shí)鐘.
（3） 串行化
從輸入鎖存中接收10 bit寬的并行數據，利用產(chǎn)生的內部高速時(shí)鐘，轉換為1 250 Mbit/s的串行數據流，連續發(fā)送，先發(fā)送最低有效位TX<0>，最后發(fā)送最高有效位TX<9>.
（4） 輸出選擇
提供了一種可選的高速串行信號的環(huán)回方式，可用作測試.正常工作方式下，LOOPEN為“0”，串行數據流輸出到±DOUT.當LOOPEN為“1”時(shí)，±DOUT置為“1”，串行數據流到達輸入選擇單元.
（5） 輸入選擇
該特性允許不考慮媒質(zhì)，用作環(huán)回測試.
（6） RX PLL/時(shí)鐘恢復單元
頻率鎖存到125 MHz的參考時(shí)鐘，相位鎖存到輸入的數據流.內部信號檢測電路檢測輸入的情況，當數據流到來(lái)時(shí)，激活相位檢測，一旦檢測到有比特被鎖存，接收端產(chǎn)生1 250 MHz的高速取樣時(shí)鐘，用于輸入取樣端，恢復兩個(gè)62.5 MHz的接收端比特時(shí)鐘（RBC0/RBC1），它們相位相差180°，交替用作10 bit并行輸出數據的時(shí)鐘.
（7） 解串和同步
把高速串行比特流轉換為10 bit并行數據，確認（0011111XXX）的間隔符（或K28.5）,然后把并行數據流正確地定位到接收端時(shí)鐘（RBC0/RBC1）.
（8） 信號檢測(SIG_DET)
檢查輸入±DIN的差分幅度.當輸入信號太小時(shí)，SIG_DET輸出邏輯“0”，同時(shí)迫使并行輸出RX<9∶0>為（1111111111）.該電路的目的是防止在串行輸入線(xiàn)未連接上時(shí)，產(chǎn)生任意數據.當±DIN是有效幅度時(shí)，SIG_DET輸出邏輯“1”.
市場(chǎng)上已經(jīng)有很多SerDes芯片，基本特征如下：
（1） 符合IEEE802.3千兆比特以太網(wǎng)標準，速率可達到1.25 Gbit/s;
（2） 能完成10 bit碼組和串行比特數據之間的變換以及同步；
（3） 具有字定位和間隔符檢測的功能；
（4） 使用發(fā)送和接收時(shí)鐘產(chǎn)生器可生成和恢復所需的不同時(shí)鐘.
3.3SerDes的性能測試
必須采取一系列的測試方法來(lái)確保SerDes的性能[4]，包括功能測試、誤碼率測試和抖動(dòng)測試.
功能測試用于檢驗發(fā)送端和接收端數據通道的基本操作.對發(fā)送端而言，意味著(zhù)驅動(dòng)芯片的并行數據，并檢查高速串行數據的比特錯誤.對接收端而言，是指驅動(dòng)芯片的串行數據，并檢查并行數據的比特錯誤.測試設備僅需提供一個(gè)時(shí)鐘源來(lái)驅動(dòng)發(fā)送端的并行數據.
有3種環(huán)回測試通道可用作環(huán)回測試：
（1） 發(fā)送環(huán)回：是指把發(fā)送端的串行輸出數據直接環(huán)回到接收端的串行數據輸入端；
（2） 接收環(huán)回：是指把接收端的串行輸入數據環(huán)回到發(fā)送端的串行輸出端；
（3） 并行環(huán)回：是指把接收端的并行輸出數據環(huán)回到發(fā)送端的并行數據輸入端.
當接收端的并行數據與恢復時(shí)鐘同步時(shí)，可能產(chǎn)生可變延時(shí)，導致數據的建立時(shí)間和維持時(shí)間可變，測試結果不穩定.解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是把接收端的并行數據和恢復時(shí)鐘環(huán)回到發(fā)送端，用誤碼儀（BERT）來(lái)檢查數據.誤碼率（BER）指示了SerDes發(fā)送端和接收端的質(zhì)量性能.在1.25 Gbit/s比特速率下，需要800 s（13.3 min）來(lái)發(fā)送和接收1012比特.SerDes配置為并行環(huán)回模式，BERT驅動(dòng)接收端的數據，檢查發(fā)送端的比特錯誤.使用這種方法可檢測到發(fā)送端或接收端的任何比特錯誤.
當串行信號到達接收端時(shí)，其中可能已經(jīng)摻雜了各種形式的信號抖動(dòng)，給可靠無(wú)誤地恢復數據增加了難度.信號抖動(dòng)是信號的邊界偏離了理想的位置，造成信號抖動(dòng)的原因很多.隨機信號抖動(dòng)是無(wú)界的高斯抖動(dòng)(主要由熱噪聲引起)，由發(fā)送端和收發(fā)端中的時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生.
由于隨機信號抖動(dòng)的存在，鏈路有某個(gè)特定位BER指標，通常優(yōu)于10-12.實(shí)際系統比行業(yè)規范好得多，可靠的數據通信產(chǎn)品需要假定一個(gè)最壞情況的BER，然后設計實(shí)現可靠的恢復機制，從而完成無(wú)錯傳輸.
另一類(lèi)要探討的抖動(dòng)是由傳輸系統的電路效應引起的確定性信號抖動(dòng)、定時(shí)失真和不規則信號.抖動(dòng)是由鏈路中很多因素引起的，但只要能將它限制在一定閾值內，接收端就可以可靠地排除確定性信號抖動(dòng).很多確定性信號抖動(dòng)是由傳輸系統的帶寬限制引起的，并導致信號中的數據發(fā)生相應變化.
4EPON光路設計
EPON使用的無(wú)源器件有完成光分配的光纖、分路器和連接器等；使用的有源器件有光線(xiàn)路終端（OLT）和多個(gè)光網(wǎng)絡(luò )單元(ONU)[5].OLT用于局端，ONU位于用戶(hù)側.OLT發(fā)出的下行光信號經(jīng)PON中的1×N光分路器分成N路光信號，在多根光纖中傳輸.ONU發(fā)出的上行光信號經(jīng)PON中的1×N分路器合路成1路光信號，在一根光纖中傳輸.EPON的光路可以使用2個(gè)波長(cháng)，也可以使用3個(gè)波長(cháng).在使用2個(gè)波長(cháng)時(shí)，下行使用1 510 nm，上行使用1 310nm.這種系統可用于分配數據、語(yǔ)音和IP交換式數字視頻(SDV)業(yè)務(wù)給用戶(hù).在使用3個(gè)波長(cháng)時(shí)，除下行使用1 510 nm，上行使用1 310 nm外，可增加一個(gè)1 550 nm窗口（1 550～1 565 nm）波長(cháng).這種系統除有2個(gè)波長(cháng)提供的業(yè)務(wù)外，還可以提供CATV業(yè)務(wù)，或者DWDM業(yè)務(wù).
圖3表示2波長(cháng)的EPON結構，1 510 nm用來(lái)攜帶下行數據、語(yǔ)音和數字視頻業(yè)務(wù)，1 310 nm波長(cháng)用來(lái)攜帶上行用戶(hù)語(yǔ)音信號和點(diǎn)播數字視頻、下載數據的請求信號，使用1.25 Gbit/s的雙向PON，如果分光比為32，可以傳輸20 km.
圖4表示3波長(cháng)的EPON結構，除了1 510 nm波長(cháng)攜帶下行數據、語(yǔ)音和數字視頻業(yè)務(wù)外，另外用1 550 nm波長(cháng)攜帶下行CATV業(yè)務(wù)，上行語(yǔ)音信號和點(diǎn)播數字視頻、下載數據的請求信號仍然用1 310 nm波長(cháng).在這里既可以直接傳輸模擬視頻信號，也可以將模擬視頻信號編碼成MPEG2數字視頻流，然后用QAM載波調制.這種PON，即使分光比為32，也可以傳輸18 km.
5EPON物理層的關(guān)鍵問(wèn)題
5.1大動(dòng)態(tài)范圍光功率接收和電平恢復
由于EPON中各個(gè)ONU到OLT的距離各不相同，所以各個(gè)ONU到OLT的路徑傳輸損耗也互不相同，在各個(gè)ONU發(fā)送光功率相同的情況下，到達OLT的光功率就互不相同[6].顯然OLT的上行光接收機不能采用傳統的AGC的辦法，而必須采用特殊辦法來(lái)保證能夠接收足夠大的動(dòng)態(tài)范圍光功率.把突發(fā)模式信號恢復為邏輯電平，可以采用直流耦合方法和交流耦合方法.直流耦合方法有自動(dòng)閾值控制（ATC），其拓撲結構如圖5所示.當每一個(gè)突發(fā)信號到來(lái)時(shí)，測量它的功率，并作出相應的調整.該方法要求上行通路必須是線(xiàn)性的，但實(shí)際情況可能會(huì )受到非線(xiàn)性元件（如較差的放大器或較慢的光電二極管）的影響.
交流耦合方法是采用一個(gè)接收通道能夠丟棄突發(fā)信號與另一個(gè)突發(fā)信號之間的電平轉化，這個(gè)電平轉換相對于數據來(lái)說(shuō)較慢，使用一個(gè)高通濾波器接收高速的上行數據，可以維持信號的完整性.
上升和下降時(shí)間是發(fā)射機的重要參數，這個(gè)參數對保護帶的大小有一定的影響，可以設計激光器驅動(dòng)電路，使之具有較小的開(kāi)關(guān)時(shí)間性能.
5.2同步時(shí)鐘提取和突發(fā)同步
在EPON中，OLT傳送下行數據到多個(gè)ONU，完全不同于從多個(gè)ONU上行傳送數據到OLT.上下行傳送采用不同的技術(shù)，下行采用TDM，上行采用TDMA.EPON要求OLT的上行方向采用突發(fā)光接收機，以便能從接收到的突發(fā)脈沖串的前幾個(gè)比特中,快速地提取出同步時(shí)鐘，進(jìn)行突發(fā)同步.傳統的時(shí)鐘恢復方法是通過(guò)一個(gè)基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘數據恢復（CDR）電路來(lái)實(shí)現的，如圖6所示.
EPON系統可采用時(shí)間或空間上超取樣的方法來(lái)提取同步時(shí)鐘.時(shí)間上超取樣是指用比特速率的幾倍來(lái)取樣，通過(guò)與已知的類(lèi)型（如前同步碼）作比較來(lái)選擇合適的取樣，對于Gbit/s速率的數據，可以使用約5倍的速率來(lái)取樣.空間上超取樣是指把時(shí)鐘復制幾份，通過(guò)不同的相位延時(shí)，得到不同的時(shí)鐘.把這些時(shí)鐘與已知的類(lèi)型（如前同步碼）作比較，可以決定重新定時(shí)的相位，該方法需要配置一個(gè)時(shí)鐘脈沖相位差電路.
6結束語(yǔ)
基于千兆以太網(wǎng)的EPON寬帶接入網(wǎng)，其物理層包括編/譯碼、串行/解串和收發(fā)器3個(gè)主要的模塊，其中收發(fā)器的功能包括突發(fā)接收和突發(fā)發(fā)送，以及時(shí)鐘提取等特殊要求.商用的標準化PHY芯片均能符合IEEE802.3千兆以太網(wǎng)標準，但直接作為EPON的PHY還不行.EPON系統的一個(gè)重要特點(diǎn)是下行連續通信，而上行突發(fā)通信，這就產(chǎn)生了上行同步時(shí)鐘提取和大動(dòng)態(tài)范圍光功率接收等問(wèn)題，針對這些問(wèn)題，需對突發(fā)光發(fā)射機和接收機作出相應的調整，滿(mǎn)足千兆速率突發(fā)通信的要求.
參考文獻
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