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(tǒng)，采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的點到點和共享（多點到多點）媒體訪問機(jī)制基礎(chǔ)上，增加了一種點到多點的媒體訪問機(jī)制，即無源光網(wǎng)絡(luò)媒體.因而EPON在物理媒質(zhì)參數(shù)、編/解碼和串行/解串、上行突發(fā)通信等方面引出了較為復(fù)雜的問題，文章在詳細(xì)闡述千兆以太網(wǎng)物理層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，深入探討了上述EPON系統(tǒng)中的物理層問題，并給出了相應(yīng)的解決方法.
關(guān)鍵詞：千兆以太網(wǎng)；無源光網(wǎng)絡(luò)；編/解碼器；串行/解串器；抖動；上行突發(fā)通信
1概述
隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信領(lǐng)域出現(xiàn)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(jié)合，將有可能導(dǎo)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).它將成為在一個平臺上提供數(shù)據(jù)、視頻和語音業(yè)務(wù)的主要工具.
光纖接入有無源和有源之分，基于SDH和PDH的光纖接入是有源接入，基于無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的接入是無源接入.PON具有獨特的優(yōu)點，它能夠提供透明寬帶的傳送能力.由于PON本身是一種多用戶共享的系統(tǒng)，即多個用戶共享同一個設(shè)備、同一條光纜和同一個光分路器，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、開通和維護(hù)運(yùn)營成本大為降低，系統(tǒng)更可靠、更穩(wěn)定，因此接入網(wǎng)正在大量應(yīng)用PON系統(tǒng). 隨著因特網(wǎng)的快速發(fā)展，以太網(wǎng)被大量使用，由于市場的推動，以太網(wǎng)技術(shù)也得以飛速發(fā)展.在20世紀(jì)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(yīng)用也從LAN發(fā)展到了WAN.千兆以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)是基于以太網(wǎng)技術(shù)的寬帶接入系統(tǒng)，它采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)以太網(wǎng)的點到點和共享（多點到多點）媒體訪問機(jī)制基礎(chǔ)上，增加了一種點到多點的媒體訪問機(jī)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(yīng)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設(shè)備成本，可應(yīng)用于光纖到大樓（FTTB）和光纖到路邊（FTTC），最終的目標(biāo)是在一個平臺上提供全業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)、視頻和語音）到家.
2千兆以太網(wǎng)物理層簡介
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(shè)備和其媒質(zhì)之間的接口，但是，它不僅僅是一個接口，還利用機(jī)械、電子和邏輯方式來建立、維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)數(shù)據(jù)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端產(chǎn)生載波監(jiān)聽和沖突檢測的指示符；（3） 管理自動協(xié)商的過程，當(dāng)物理層可使用時，通過GMII接口通知管理實體.
2.2PMA層
PMA為PCS提供了一種媒質(zhì)無關(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(zhuǎn)換為串行位流，發(fā)送到PMD層；接收部分把來自PMD層的串行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為10位并行數(shù)據(jù)；（3） 從接收位流中分離出用于對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的符號對齊的符號定位時鐘；（4） 通過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(shù)據(jù)環(huán)回的功能.
2.3PMD層
PMD為電/光收發(fā)機(jī)，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(guī)范支持3種形式的傳輸介質(zhì)： (1) 單模和多模光纖上的長波（LW）激光（稱為1000Base－LX）；(2) 多模光纖上的短波（SW）激光（稱為1000Base－SX）;(3) 均衡屏蔽的150 Ω銅纜（稱為1000Base－CX）.
目前，光纖信道的PMD規(guī)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(jī)制允許的數(shù)據(jù)速率達(dá)到1 000 Mbit/s.
在光纖介質(zhì)上傳輸?shù)募す庥?span lang="EN-US">SW激光和LW激光兩種，總的來說，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.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(tǒng)上用于較長距離的網(wǎng)絡(luò)布線系統(tǒng)中.對于短距離（25 m或更短）的傳輸，千兆以太網(wǎng)可以運(yùn)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(jié)寬度的數(shù)據(jù)通道；PMA層與PCS層的接口定義為TBI，是10 bit寬度的數(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shù)據(jù)通過PMD進(jìn)入PHY，光纖信道的編碼方法是8B/10B，該編碼方法是專門為光纜傳輸設(shè)計的.千兆以太網(wǎng)采用與之相似的編碼方法，區(qū)別在于光纖信道使用1.062 Gbit/s的信號機(jī)制，而千兆以太網(wǎng)使用1.25 Gbit/s的信號機(jī)制.
光纖信道的FC1子層描述了同步方法和8B/10B編碼方法，F(xiàn)C1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，但是光纖信道沒有采用4B/5B編碼，因為它沒有直流（DC）平衡機(jī)制.8B/10B編碼的另一個特性稱為直流平衡.因為數(shù)據(jù)是用電壓代表的，所以系統(tǒng)可能會長時間停留在正或負(fù)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產(chǎn)生直流充電，這可能會使傳送的信號產(chǎn)生失真，這種干擾稱之為基線漂動.8B/10B編碼本身在每個發(fā)送的數(shù)據(jù)碼中平衡了“1”和“0”的數(shù)量，從而沒有直流電荷的積累，消除了任何形式的基線漂動.
8B/10B傳輸碼使用字母來描述未編碼信息字節(jié)的各比特和一個單獨的控制變量.字節(jié)的每個比特為二進(jìn)制的“0”或“1”，控制變量Z，其值為D或K.當(dāng)Z為D時，碼組為數(shù)據(jù)碼組，當(dāng)Z為K時，碼組為特殊的碼組.
用A,B,C,D,E,F,G,H來表示各比特，轉(zhuǎn)換為a,b,c,d,e,i，f,g,h,j 10%bit%.每一個碼組有一個名字，對于256個有效的數(shù)據(jù)碼組，轉(zhuǎn)換方法是Dx.y，Kx.y表示12個特殊的控制碼組，這里x指EDCBA的十進(jìn)制值，y是HGF的十進(jìn)制值.
市場上已有的8B/10B編/解碼芯片具有以下基本特點：（1） 符合IEEE802.3千兆比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；（2） 根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)特殊字符編碼方法，把8 bit的字節(jié)編碼成10 bit的數(shù)據(jù)和特殊字符；（3） 使用TBI接口與商用串行/解串器（SerDes）無縫連接；（4） 當(dāng)無有效數(shù)據(jù)可利用時，時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(jī)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)送過程把發(fā)送碼組轉(zhuǎn)換成串行比特，傳送給PMD.類似地，PMA接收過程把從PMD接收到的串行比特流轉(zhuǎn)換成并行的10 bit碼組，傳送給PCS.SerDes的基本設(shè)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(shù)據(jù)TX<9∶0>，用戶提供的參考時鐘信號REFCLK用作發(fā)送時鐘，必須正確地定位TX<9∶0>和REFCLK.
（2） TX PLL/時鐘生成單元
發(fā)送端鎖相環(huán)和時鐘生成單元用于產(chǎn)生所有的內(nèi)部時鐘，REFCLK為125 MHz，是內(nèi)部時鐘的基準(zhǔn)，乘以10后得到1 250 MHz，作為高速串行輸出數(shù)據(jù)的時鐘.
（3） 串行化
從輸入鎖存中接收10 bit寬的并行數(shù)據(jù)，利用產(chǎn)生的內(nèi)部高速時鐘，轉(zhuǎn)換為1 250 Mbit/s的串行數(shù)據(jù)流，連續(xù)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(shù)據(jù)流輸出到±DOUT.當(dāng)LOOPEN為“1”時，±DOUT置為“1”，串行數(shù)據(jù)流到達(dá)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/時鐘恢復(fù)單元
頻率鎖存到125 MHz的參考時鐘，相位鎖存到輸入的數(shù)據(jù)流.內(nèi)部信號檢測電路檢測輸入的情況，當(dāng)數(shù)據(jù)流到來時，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的高速取樣時鐘，用于輸入取樣端，恢復(fù)兩個62.5 MHz的接收端比特時鐘（RBC0/RBC1），它們相位相差180°，交替用作10 bit并行輸出數(shù)據(jù)的時鐘.
（7） 解串和同步
把高速串行比特流轉(zhuǎn)換為10 bit并行數(shù)據(jù)，確認(rèn)（0011111XXX）的間隔符（或K28.5）,然后把并行數(shù)據(jù)流正確地定位到接收端時鐘（RBC0/RBC1）.
（8） 信號檢測(SIG_DET)
檢查輸入±DIN的差分幅度.當(dāng)輸入信號太小時，SIG_DET輸出邏輯“0”，同時迫使并行輸出RX<9∶0>為（1111111111）.該電路的目的是防止在串行輸入線未連接上時，產(chǎn)生任意數(shù)據(jù).當(dāng)±DIN是有效幅度時，SIG_DET輸出邏輯“1”.
市場上已經(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(biāo)準(zhǔn)，速率可達(dá)到1.25 Gbit/s;
（2） 能完成10 bit碼組和串行比特數(shù)據(jù)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)送和接收時鐘產(chǎn)生器可生成和恢復(fù)所需的不同時鐘.
3.3SerDes的性能測試
必須采取一系列的測試方法來確保SerDes的性能[4]，包括功能測試、誤碼率測試和抖動測試.
功能測試用于檢驗發(fā)送端和接收端數(shù)據(jù)通道的基本操作.對發(fā)送端而言，意味著驅(qū)動芯片的并行數(shù)據(jù)，并檢查高速串行數(shù)據(jù)的比特錯誤.對接收端而言，是指驅(qū)動芯片的串行數(shù)據(jù)，并檢查并行數(shù)據(jù)的比特錯誤.測試設(shè)備僅需提供一個時鐘源來驅(qū)動發(fā)送端的并行數(shù)據(jù).
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(shù)據(jù)直接環(huán)回到接收端的串行數(shù)據(jù)輸入端；
（2） 接收環(huán)回：是指把接收端的串行輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)環(huán)回到發(fā)送端的并行數(shù)據(jù)輸入端.
當(dāng)接收端的并行數(shù)據(jù)與恢復(fù)時鐘同步時，可能產(chǎn)生可變延時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的建立時間和維持時間可變，測試結(jié)果不穩(wěn)定.解決這個問題的一個方法是把接收端的并行數(shù)據(jù)和恢復(fù)時鐘環(huán)回到發(fā)送端，用誤碼儀（BERT）來檢查數(shù)據(jù).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）來發(fā)送和接收1012比特.SerDes配置為并行環(huán)回模式，BERT驅(qū)動接收端的數(shù)據(jù)，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(dāng)串行信號到達(dá)接收端時，其中可能已經(jīng)摻雜了各種形式的信號抖動，給可靠無誤地恢復(fù)數(shù)據(jù)增加了難度.信號抖動是信號的邊界偏離了理想的位置，造成信號抖動的原因很多.隨機(jī)信號抖動是無界的高斯抖動(主要由熱噪聲引起)，由發(fā)送端和收發(fā)端中的時鐘發(fā)生器產(chǎn)生.
由于隨機(jī)信號抖動的存在，鏈路有某個特定位BER指標(biāo)，通常優(yōu)于10-12.實際系統(tǒng)比行業(yè)規(guī)范好得多，可靠的數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品需要假定一個最壞情況的BER，然后設(shè)計實現(xiàn)可靠的恢復(fù)機(jī)制，從而完成無錯傳輸.
另一類要探討的抖動是由傳輸系統(tǒng)的電路效應(yīng)引起的確定性信號抖動、定時失真和不規(guī)則信號.抖動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(nèi)，接收端就可以可靠地排除確定性信號抖動.很多確定性信號抖動是由傳輸系統(tǒng)的帶寬限制引起的，并導(dǎo)致信號中的數(shù)據(jù)發(fā)生相應(yīng)變化.
4EPON光路設(shè)計
EPON使用的無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路終端（OLT）和多個光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU)[5].OLT用于局端，ONU位于用戶側(cè).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個波長，也可以使用3個波長.在使用2個波長時，下行使用1 510 nm，上行使用1 310nm.這種系統(tǒng)可用于分配數(shù)據(jù)、語音和IP交換式數(shù)字視頻(SDV)業(yè)務(wù)給用戶.在使用3個波長時，除下行使用1 510 nm，上行使用1 310 nm外，可增加一個1 550 nm窗口（1 550～1 565 nm）波長.這種系統(tǒng)除有2個波長提供的業(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波長的EPON結(jié)構(gòu)，1 510 nm用來攜帶下行數(shù)據(jù)、語音和數(shù)字視頻業(yè)務(wù)，1 310 nm波長用來攜帶上行用戶語音信號和點播數(shù)字視頻、下載數(shù)據(jù)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波長的EPON結(jié)構(gòu)，除了1 510 nm波長攜帶下行數(shù)據(jù)、語音和數(shù)字視頻業(yè)務(wù)外，另外用1 550 nm波長攜帶下行CATV業(yè)務(wù)，上行語音信號和點播數(shù)字視頻、下載數(shù)據(jù)的請求信號仍然用1 310 nm波長.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(shù)字視頻流，然后用QAM載波調(diào)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)鍵問題
5.1大動態(tài)范圍光功率接收和電平恢復(fù)
由于EPON中各個ONU到OLT的距離各不相同，所以各個ONU到OLT的路徑傳輸損耗也互不相同，在各個ONU發(fā)送光功率相同的情況下，到達(dá)OLT的光功率就互不相同[6].顯然OLT的上行光接收機(jī)不能采用傳統(tǒng)的AGC的辦法，而必須采用特殊辦法來保證能夠接收足夠大的動態(tài)范圍光功率.把突發(fā)模式信號恢復(fù)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閾值控制（ATC），其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示.當(dāng)每一個突發(fā)信號到來時，測量它的功率，并作出相應(yīng)的調(diào)整.該方法要求上行通路必須是線性的，但實際情況可能會受到非線性元件（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接收通道能夠丟棄突發(fā)信號與另一個突發(fā)信號之間的電平轉(zhuǎn)化，這個電平轉(zhuǎn)換相對于數(shù)據(jù)來說較慢，使用一個高通濾波器接收高速的上行數(shù)據(jù)，可以維持信號的完整性.
上升和下降時間是發(fā)射機(jī)的重要參數(shù)，這個參數(shù)對保護(hù)帶的大小有一定的影響，可以設(shè)計激光器驅(qū)動電路，使之具有較小的開關(guān)時間性能.
5.2同步時鐘提取和突發(fā)同步
在EPON中，OLT傳送下行數(shù)據(jù)到多個ONU，完全不同于從多個ONU上行傳送數(shù)據(jù)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(jī)，以便能從接收到的突發(fā)脈沖串的前幾個比特中,快速地提取出同步時鐘，進(jìn)行突發(fā)同步.傳統(tǒng)的時鐘恢復(fù)方法是通過一個基于鎖相環(huán)（PLL）的時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）電路來實現(xiàn)的，如圖6所示.
EPON系統(tǒng)可采用時間或空間上超取樣的方法來提取同步時鐘.時間上超取樣是指用比特速率的幾倍來取樣，通過與已知的類型（如前同步碼）作比較來選擇合適的取樣，對于Gbit/s速率的數(shù)據(jù)，可以使用約5倍的速率來取樣.空間上超取樣是指把時鐘復(fù)制幾份，通過不同的相位延時，得到不同的時鐘.把這些時鐘與已知的類型（如前同步碼）作比較，可以決定重新定時的相位，該方法需要配置一個時鐘脈沖相位差電路.
6結(jié)束語
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，以及時鐘提取等特殊要求.商用的標(biāo)準(zhǔn)化PHY芯片均能符合IEEE802.3千兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但直接作為EPON的PHY還不行.EPON系統(tǒng)的一個重要特點是下行連續(xù)通信，而上行突發(fā)通信，這就產(chǎn)生了上行同步時鐘提取和大動態(tài)范圍光功率接收等問題，針對這些問題，需對突發(fā)光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)作出相應(yīng)的調(diào)整，滿足千兆速率突發(fā)通信的要求.
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