FTTX模块和关键技术分析 (GPON和EPON技术难点分析)

光芯片市场分析2011-12-18SparkSpark_zhu76@126.com光网络拓扑结构FTTX是市场的要求电信器件飞通光电Source海信光电光联科技台达光电中兴烽火华为阿尔卡特朗讯诺基亚西门子惠普思科Brocade我想科技VITESS世纪民生厦门优讯烽火科技敏迅科技GennumADITINI迈瑞半导体美信易飞扬正源光子飞泰光电旭创科技光通信市场的系统勾结图普通芯片：LD驱动芯片、LA芯片、CDR二合一芯片：LD驱动芯片、LA芯片、CDR三合一芯片：LD驱动芯片、LA芯片、MCU芯片四合一芯片：LD驱动芯片、LA芯片、CDR芯片、MCU芯片功能及集成度工作速率芯片功能和集成度Icreate；世纪民生；厦门优迅；烽火通信；全盛科技、Nnotech（GN）；敏迅科技；美信；迈瑞科技；TI、ADI；VITESS；Gennum；Silabs；Boardcom；Cordina；Semtech；AMCC；芯片厂商的市场定位光纤到户的网络要素光纤到户的网络结构设备配置图EPON的系统级产品用于PON的光收发一体模块目前PON的光模块几乎都是采用单纤双向收发一体小型化(SFFSFP)结构,其外形尺寸及引脚定义均符合多源协议MSA8472

节间空白GPON协议OLTONU下行数据传输方式下行数据采用广播方式从OLT发给多个ONU，每个包携带的信头唯一地标识数据所要到达的特定ONU，数据流经分束器分为N路独立信号，每路信号都含有发给所有特定ONU的数据包。ONU接收到数据流时，只提取发给自己的数据包，将发给其他ONU的数据包丢弃。下行数据传输示意图GPON下行逻辑层次结构GPON下行逻辑层次结构G-PON下行帧结构GPON下行逻辑层次结构GPON下行逻辑层次结构

节间空白ONUOLT上行数据传输方式上行数据通过时分多址（TDMA）方式共享信道进行传输每个ONU都分配一个传输时隙。时隙是同步的，保证不同ONU的数据包之间不会产生干扰。上行数据传输示意图GPON上行逻辑层次结构G-PON上行帧结构GPON上行逻辑层次结构GPON上行逻辑层次结构上行数据包(信元)时间参数APON/BPON：每个信元有56字节,其中前3字节(24bits)是开销(Overhead),后53字节是净荷(Payload),3字节开销中包括防护时间、前置码和定界符;防护时间为4～10bitsGPON开销时间分配：上行速率(Mbit/s)

发送使能(bits)发送关断(bits)总时间(bits)

防护时间(bits)

前置码时间(bits)

定界符时间(bits)

155.52223261016622.0888641628201244.161616963244202488.3232321926410820备注最大值最大值强制的最小值暗示的暗示的GPON上行逻辑层次结构上行数据包(信元)时间参数APON/BPON：每个信元有56字节,其中前3字节(24bits)是开销(Overhead),后53字节是净荷(Payload),3字节开销中包括防护时间、前置码和定界符;防护时间为4～10bitsGPON开销时间分配：上行速率(Mbit/s)

发送使能(bits)发送关断(bits)总时间(bits)

防护时间(bits)

前置码时间(bits)

定界符时间(bits)

155.52223261016622.0888641628201244.161616963244202488.3232321926410820备注最大值最大值强制的最小值暗示的暗示的

节间空白PON的关进技术参数指标GPON和EPON的技术难点比较光收发一体模块的构成光源（激光器）+

驱动器

+光电检测器

+

放大器 光收发一体模块=单纤双向光组件(BOSA)单纤双向光组件(BOSA)是将光源(FP-LD或DFB-LD)、PIN-TIA、分光片、光纤等另部件用同轴耦合工艺全部集成于一体无源光网络(PON)接入有多种方式—点对点(以太网)、铜线、XDSL、无线(WLAN)、XPON等无源光网络(PON)一直被认为是光接入网中颇具应用前景的技术，它打破了传统的点到点解决方法，在解决宽带接入问题上是一种经济的、面向未来多业务的用户接入技术PON自出现以来，已经过多年的发展，形成了APON、BPON、GPONEPON等一系列概念、规范及产品序列PON作为一种点到多点的光网络，指的是信号的通道从源头到目的节点间都是通过无源器件完成的，这些无源的器件包括单模光纤光缆、无源光分束器/耦合器、连接器和接头等等

PON技术特点

PON与光模块有关的技术特点：在OLT到ONU下行方向采用TDM(TimeDivisionMultiplexing)方式,以广播方式送至每一个ONU,OLT的发送部分和ONU的接收部分都是连续工作方式ONU到OLT的上行信号的传输采用TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)技术;OLT的接收部分和ONU的发送部分都是突发模式工作OLT光接收机必须能够适应不同ONU信号的不同光功率,接收机需要有一个很大的动态范围,并设定判决门限,以最快的速度来判决;OLT光接收机必须能够迅速恢复从不同节点传来的每个突发信号的正确时钟,在上行信元到达OLT的前几个bits内实现快速突发比特同步ONU光发送机必须能够快速开/关;当发送机不发送时只能“泄漏”极小的光功率—比接收灵敏度低10dBAPON/BPONAPON是基于ATM的PON其标准是G.983.1

工作速率为155Mbps622Mbps

上行光波长为1310nm

下行光波长为1550nmBPON即宽带PON是在APON基础上加上动态带宽分配(DBA)在G.983.3/.4/.5指定了标准；通常下行为622Mbps

上行为155Mbps(或622Mbps)；(G.983.1AMD下行速率可达到1.25Gbps)上行光波长为1310nm

下行光波长为1490nm

1550nm作为传输视频信号用传输码型为扰码的不归零码,CID抗扰度大于72bitGPONGPON(Gigabit-capablepassiveopticalnetworks)千兆无源光网络支持全方位服务－包括话音(TDM、PDH和SONET/SDH)、Ethernet(10/100BaseT)、ATM、专线等等.因此,运营商对GPON非常感兴趣物理覆盖至少20公里,逻辑支持范围60公里支持同一种协议下的多种速率模式,包括对称622Mb/s,对称1.25Gb/s，以及非对称的下行2.5Gb/s,上行1.25Gb/s及更多(将来可达到同步2.5G)

上行光波长为1310nm

下行光波长为1490nm

1550nm作为传输视频信号用传输码型为扰码的不归零(NRZ)码,CID抗扰度大于72bit(G.957)ITU-T已经公布GPON标准G.984.1G.984.2

372024/5/152488M-GPON下行方向光接口参数

ItemsUnitSinglefibreOLT发送

OLTTransmitterNominalbitrateMbit/s2488.32Operatingwavelengthnm1480～1500Linecode–ScrambledNRZMaskofthetransmittereyediagram–Figure2Maximumreflectanceofequipment,measuredattransmitterwavelengthdB＜-20ODNClass

ABCMeanlaunchedpowerMINdBm0+5+3MeanlaunchedpowerMAXdBm+4+9+7ExtinctionratiodB＞10SLMLaser–Maximum-20

dBwidthnm1SLMLaser–MinimumsidemodesuppressionratiodB30ONU接收Biterrorratio

＜10E-10ODNClass

ABCMinimumsensitivitydBm-21-21-28(APD)MinimumoverloaddBm-1-1-8Consecutiveidenticaldigitimmunitybit＞72TolerancetothereflectedopticalpowerdB＜10382024/5/151.25G-GPON上行方向光接口参数ONU发送NominalbitrateMbit/s1244.16Operatingwavelengthnm1260～1360Linecode

ScrambledNRZMaskofthetransmittereyediagram

Figure3MinimumORLofODNdB＞32ODNClass

ABCMeanlaunchedpowerMINdBm-3-2+2MeanlaunchedpowerMAXdBm+2+3+7LaunchedopticalpowerwithoutinputtothetransmitterdBmLessthanMinsensitivity-10MaximumTxEnableBit16MaximumTxDisableBit16SLMLaserMaximum-20dBwidthnm1Jittertransfer–SeeG.984.2Jittergenerationfrom4.0kHzto10.0MHz

UIp-p0.33OLT接收Biterrorratio

＜10E-10MinimumsensitivitydBm-24-28-29MinimumoverloaddBm-3-7-8ConsecutiveidenticaldigitimmunityBit＞72TolerancetothereflectedopticalpowerdB＜10392024/5/15EPON技术参数1000BASE-PX20-D（下行）和1000BASE-PX20-U（上行）发送部分技术特性Description1000BASE-PX20-D1000BASE-PX20-UUnitNominaltransmittertypeLongwaveLaserLongwaveLaser

Signalingspeed(range)1.25±100ppm1.25±100ppmGbit/sWavelength(range)1480～15001260～1360nmRMSspectralwidth(max)见表60-7nmAveragelaunchpower(max)+7+4dBmAveragelaunchpower(min)+2-1dBmExtinctionratio(min)66dBRIN15OMA(max)-115-115dB/HzTransmittereyemaskdefinition{X1,X2,Y1,Y2,Y3｛0.22,0.375,0.20,0.20,0.30｝UITon(max)N.A.512nsToff(max)N.A.512nsOpticalreturnlosstolerance(max)15dBTransmitterreflectance(max)-10dB402024/5/15EPON技术参数1000BASE-PX20-D（下行）和1000BASE-PX20-U（上行）接收部分技术特性Description1000BASE-PX20-D1000BASE-PX20-UUnitSignalingspeed(range)1.25±100ppm1.25±100ppmGbit/sWavelength(range)1260～13601480～1500nmBiterrorratio(max)10E-12

Averagereceivepower(max)-6-3dBmReceivesensitivity(max)-27-24dBmReceiverreflectance(max)-12dBTreceiver_settling(max)400N.A.nsStressedeyejitter(min)0.280.25UIpk-pkJittercornerfrequency637637KHzEPON(GEPON)无源光以太网(EthernetPON–EPON),就是将信息封装成以太网帧进行传输的PON

传输码型是8B/10B码；

它的上、下行速率都是1.25Gbps；

上行光波长是1310nm；下行光波长是1490nm；1550nm波长作为传输视频信号用。在2000年12月,成立第一英里以太网(EFM)研究组，包括3Com、Alloptic、AuraNetworksCDT/Mohawk、Cisco、DomiNetSystems、Intel、WorldCom和WorldWidePackets等69家公司加入了这个研究组(IEEE802.3ahEFMStudyGroup)EP0N的标准：IEEEStd802.3ah-2004EPON是设备供应商所推动的,但是现在运营商已经越来越积极地推行EPON各种PON的工作速率和波长分配

APONBPONGPONEPON(GEPON)传输方向下行方向速率155.52Mbit/s622.08Mb/s155.52Mbit/s622.08Mb/s1244.16Mbit/s1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s1.25Gbit/s下行方向光波长1550nm1490nm1490nm1490nm上行方向速率155.52Mbit/s155.52Mbit/s622.08Mb/s155.52Mbit/s622.08Mbit/s1244.16Mbit/s2488.32Mbit/s1.25Gbit/s上行方向光波长1310nm采用标准ITU-TG.983.11998ITU-TG.983.12003修订版ITU-TG.984.22003IEEEStd802.3ah2004PON的时序要求上行数据包(信元)时间参数APON/BPON：每个信元有56字节,其中前3字节(24bits)是开销(Overhead),后53字节是净荷(Payload),3字节开销中包括防护时间、前置码和定界符;防护时间为4～10bitsGPON开销时间分配：上行速率(Mbit/s)

发送使能(bits)发送关断(bits)总时间(bits)

防护时间(bits)

前置码时间(bits)

定界符时间(bits)

155.52223261016622.0888641628201244.161616963244202488.3232321926410820备注最大值最大值强制的最小值暗示的暗示的上行数据包(信元)时间参数EPON传输信号8B/10B码型

每8bit插入2bit,使连‘0’或连‘1’不超过5个

带宽从1000Mb变成1250Mb,带宽利用率下降发送开关时间TonToff≤512ns接收建立时间(Settlingtime)Tlr≤400ns防护时间Tg=500～1500ns突发模式光发送机发送关断时LD偏流Ibias=0,关断光功率输出低于灵敏度10dB

(-43～-39dBm)偏流快速开关

Ton、Toff≤12ns传统的光发送机采用平均值监测APC,在此处不能用突发式光发送机可以采用数字式峰值功率控制,或采用开环功率控制突发式光发送机有两个输入信号：

数据信号Data

突发使能信号BEN(BiasEnable),开启(或停止)偏流Ibias突发式发射光信号ONU收发一体光模块突发式光接收机特点突发式TIA不能用传统方式的AGC,它只能是线性(跨阻)放大器或采用自动阈值控制(ATC)方式突发式TIA要有足够的动态范围—大于21dB在APON、BPON、GPON中,由于防护时间很短,不同ONU来的信元的直流电平是高速跳变的，大耦合电容的充放电时间常数远大于Tg,所以前放和限放之间只能采用直流耦合突发式接收波形TIAOLT的关键技术电流—电压转换电路电流—电压转换电路电流i流过电阻R就会产生电压iR—图(a)运算放大器构成的I-V变换电路—图(b)

在这种I-V变换电路中，接入一个负反馈电阻Rf，所以又被称做跨阻放大器（TIA—TranimpedanceAmplifier）跨阻放大器的优点：减小了放大器输入端的电容，使电路的通频带得到扩展，以适应高速率使用.对TIA的技术要求低的等效输入噪声电流高输入阻抗，低输入电容足够宽的通频带fH≈0.75×工作速率宽动态范围Rf要足够大，以保证有足够大的输出电压跨阻放大器典型电路右图是分离元件构成的TIA典型电路Q1也可以采用高频FET，这样输入阻抗可以做得很高因为采用分离元件，寄生参数的影响就很严重，所以电路的工作速率不高，通常在早期低速模块中采用一个跨阻放大器IC原理电路上图是一个低速差分输出的集成电路TIA的内部原理电路自动增益控制（AGC）电路放大器对大信号是双向限幅的光信号是单向的（0、1）光信号过大时就会产生脉冲失真（单边削波），‘0’‘1’判别就会出错—出现误码TIA就必须有AGC功能，以保证足够的信号动态范围AGC电路（1）--可变跨阻AGC电路(2)--消直流和二极管限幅消直流电路原理AGC电路(3)--混合方案TIA应用TIA和探测器偏置（Vpd）必须通过良好的去耦滤波电路供电PD和TIA必须有良好的屏蔽TIA的通频带(-3db高频截止频率)：

fH=(0.7～0.75)×数据率

fH过小，会产生码间干扰；过高，会降低信噪比选用低的等效输入噪声电流、高的跨阻抗的TIA，才能得较高灵敏度

节间空白652024/5/15传统模式光发送机662024/5/15突发模式光发送机发送关断时LD偏流Ibias=0，关断光功率输出低于灵敏度10dB(-43～-39dBm)偏流快速开关

Ton、Toff≤12ns传统的光发送机采用平均值监测APC，在此处不能用突发式光发送机可以采用数字式峰值功率控制，或采用开环功率控制突发式光发送机有两个输入信号：

数据信号Data

突发使能信号BEN(BiasEnable)，开启（或停止）偏流Ibias672024/5/15突发式光信号682024/5/15突发模式光接收机的设计挑战692024/5/15突发式光接收机特点突发式TIA不能用传统方式的AGC，它只能是线性（跨阻）放大器或采用自动阈值控制（ATC）方式突发式TIA要有足够的动态范围—大于21dB在APON、BPON、GPON中，由于防护时间很短，不同ONU来的信元的直流电平是高速跳变的，大耦合电容的充放电时间常数远大于Tg，所以前放和限放之间要采用直流耦合在GPON中，采用交流耦合方式时，选取RC时间常数遭遇Tg和CID之间的矛盾，必须采取相应的措施来解决702024/5/15突发式TIA突发式跨阻放大器（BM-TIA）的电路结构：低噪声、宽动态范围的线性放大器（固定增益）自动阈值控制（ATC）方式的跨阻放大器快速响应锁定增益的跨阻放大器

用于GPON—响应时间＜10bits，需要Reset信号复位

用于EPON—响应时间＜100ns，可以自动恢复具有快速消直流电路的跨阻放大器—仅适用于EPONVariableZTCircuitBit-byby-bit&AGC712024/5/15

722024/5/15ATC技术（1）ATC---AutomaticThreshold

Control它是原贝尔实验室YusukeOta在1991年的发明专利右图是采用ATC方式的突发式前置放大器原理图A2、Tx、CpD组成峰值检波器，它们取出前放输出电压峰值的1/2，作为判决电平CpD是一个小电容（几pF），在每个信元结束后要加入复位（Reset）脉冲，使它放电，以准备接收下一个信元噪声会引起判决电平的不稳定，产生突发式的3dB代价732024/5/15具有快速消直流电路的BM-TIA742024/5/15突发模式限幅放大器（BM-LA）对于线性放大器方式的TIA，BM-LA要处理TIA输出信号快速变化的直流电平，电路比较复杂（如采用ATC方式）如果采用ATC方式（GPON）或快速消直流方式（EPON）的TIA，LA电路就不需要处理TIA输出信号快速变化的直流电平，就可以采用普通LA(不具有自动调零或消直流电路)752024/5/15ATC技术（2）右图是ATC作用在限放输入端的原理图前放必须无AGC同样需要Reset脉冲使峰值保持电容在防护时间内放电762024/5/15TIA输出AC耦合波形772024/5/15AC耦合方式GPON突发式光接收电路Reset脉冲到来，开关（SPST）闭合,充/放电时间常数变为ronCron是开关的导通电阻,ron<<R782024/5/15AC耦合方案波形图792024/5/15影响突发模式光接收灵敏度测试的因素包间隔时间（Tg）长短相邻包的光功率差，光功率差小于4dB时可以认为对灵敏度没有影响RESET信号脉冲宽度及时序位置前置码（Preamble）的长度和容许丢失的前置码长度（对应于OLT接收机的Tsettlingtime即时序要求的Tlr）802024/5/15BOSA结构图812024/5/15ONU收发一体光模块(2R)OLT原理框图1.31

um1.49umLDPD

BPD

LVTTL

Output

BufferRD+LVPECL

Output

BufferRD-SignalDetectCircuitLimitingAmplifierLVPECLInputBufferLaserDriverTD+TemperatureCompensationCircuitLaserBiasDriver&APCCircuitTD-LVTTLInputBufferTX-DisPREAMPWDM1.31um1.49umAPDAPDBiasControlCircuitE2PROMSDASCLTX-Fault常规单收模块的原理框CurrenttoVoltageSignalConversionTransimpendenceAmplifier(TIA)LimitingAmplifier(LA)OutputBuffer(OB)AutomaticGainControl(AGC)ToMaintainSignalLinearityandGainLevelReshapesandreamplifierSignalforInputtoDigitalSystemOutputDriveandCircuitBuff