針對GPON突發(fā)模式接收器的低功耗FPGA解決方案

　帶服務(wù)能夠支持三重應(yīng)用（即支持語音、視頻和數(shù)據(jù)）至第一英里的客戶，例如持續(xù)發(fā)展的小商業(yè)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和電纜的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)。FTTx為家庭的第一英里應(yīng)用，諸如光纖到戶(FTTH)，光纖到樓(FTTB)，光纖到路邊(FTTC)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，針對這些第一英里的應(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GPON會超過EPON（以太無源光網(wǎng)絡(luò)，Ethernet Passive Optical Network），因此會選擇GPON作為將來第一英里網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。

　　GPON功能一覽

　　GPON是時分復(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，時隙分配給了終端用戶。如圖1所示，在GPON中有兩個主要的數(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ONU(光網(wǎng)絡(luò)單元，Optical Network Units)。在上行方向，這個過程相反。給每個用戶（ONU）分配一個時隙以便傳送數(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ONU的排列，并確保在上行光鏈路中每個突發(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定時間，支持高速串行數(shù)據(jù)速率，同時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所要求的鎖定時間和數(shù)據(jù)速率的要求。理想的解決方案取決于BMR和FPGA?，F(xiàn)在的解決方案是目前FPGA的I/O能力。這些編程平臺的獨(dú)特功能是在每個引腳上端接上行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I/O內(nèi)的特殊邏輯來應(yīng)對BMR的挑戰(zhàn)，可動態(tài)地適應(yīng)不同的線而無需使用FPGA邏輯。

　　如圖2所示，嵌入在每個I/O中的是輸入延時塊（INDEL）和自適應(yīng)輸入邏輯（AIL），動態(tài)地補(bǔ)償時序相位變化，使每個引腳的速度達(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。

　　如何進(jìn)行AIL相位修正

　　傳統(tǒng)的BMR使用時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）在OLT中產(chǎn)生上行采樣時鐘。如前所述，用于GPON應(yīng)用的時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間要求。因為GPON的物理層是基于現(xiàn)有的TDM設(shè)備，GPON其本身的性質(zhì)是時間環(huán)，意為在OLT本地的參考時鐘可以作為參考時鐘來采樣輸入數(shù)據(jù)。AIL利用這個本地OLT時鐘源產(chǎn)生本地的625MHz時鐘。這個時鐘用來對輸入數(shù)據(jù)采樣，對連續(xù)突發(fā)模式進(jìn)行動態(tài)延時，端接多個ONU時補(bǔ)償上行通路的相位變化。

　　128個抽頭的延時（每個45ps）使能多個輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)周期，在延時鏈路中任何時間都能進(jìn)行采樣。自適應(yīng)輸入邏輯（AIL）監(jiān)控這個輸入數(shù)據(jù)的多個采樣，動態(tài)調(diào)整時鐘，數(shù)據(jù)相位關(guān)系，直到找到有效的采樣點。含有數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換、抖動和噪聲的輸入數(shù)據(jù)信號通過延時鏈路。于是AIL通過延時鏈滑動捕獲窗，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)，動態(tài)補(bǔ)償由于工藝、電壓和溫度而引起的低頻抖動，漂移和變化。用延時鏈建立數(shù)據(jù)的多個復(fù)本的新方法提供了比用高速時鐘采樣數(shù)據(jù)功耗低的解決方案。圖3為對AIL方法的觀察。

　　AIL窗用來從延時鏈獲取采樣數(shù)據(jù)。這個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”，因為其反饋提供了進(jìn)行研究算法的信息。在最大的窗，采樣寄存器的每個邊有4個邊沿檢測寄存器。圖4展示了AIL窗的寄存器分布和窗的大小。

　　最壞的捕獲時間是窗口的中心正對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時。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，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)跟蹤時鐘，數(shù)據(jù)相位關(guān)系，補(bǔ)償?shù)退俣秳?，漂移以及工藝、電壓和溫度的變化。圖5展示了搜索過程。

　　通過計算最差情況的數(shù)據(jù)有效時期來確定窗口的大小，如圖6所示。用戶選擇最大的窗以適配計算出最壞情況窗。例如，上行GPON應(yīng)用中數(shù)據(jù)時期為800ps。GPON規(guī)范允許的抖動為0.4UI，結(jié)果數(shù)據(jù)有效時期為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。對AIL捕獲的最差情況是必須解決160ps抖動，即轉(zhuǎn)換中心的起始點，如圖7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個延時步長(180ps)，針對在無噪聲環(huán)境中的整個窗口，要4個延時步長。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)，不需要整個窗在在無噪聲的環(huán)境中。因為每個延時步長，AIL需要4個轉(zhuǎn)換，在8個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，用戶會看到有效的中心抽頭數(shù)據(jù)，在16個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換內(nèi)整個窗在無噪聲的環(huán)境中。針對初始數(shù)據(jù)采集時間，兩者皆好且符合GPON規(guī)范。

　　抖動容忍

　　基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，AIL繼續(xù)監(jiān)控和移動窗口。算法與窗口設(shè)計使AIL容忍高頻抖動，通過連續(xù)監(jiān)控相位關(guān)系移動窗口以保持無噪聲的環(huán)境對低頻抖動做出反應(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。圖8展示了高頻抖動的發(fā)生，并且侵入了AIL窗。如果檢測到4個連續(xù)時間的傳送，窗口將發(fā)生移動，如果首個傳送全部能看見，AIL會對此容忍，因為這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、漂移的情況下， AIL是如何補(bǔ)償相移的。在移動窗口之前用4個內(nèi)置邊沿寄存器使AIl緩慢地調(diào)整低頻抖動（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、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。（