GPON FEC接收機(jī)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

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在ONT中選擇APD還是FEC技術(shù)將對(duì)成本起決定性作用。許多GPON系統(tǒng)制造商極為關(guān)注這一問題，為向北美乃至世界其他地區(qū)的家庭提供三路信號(hào)播放業(yè)務(wù)(視頻、語音和數(shù)據(jù))，千兆位無源光網(wǎng)絡(luò)(GPON)成為重點(diǎn)考慮方案。為滿足用戶端的鏈路預(yù)算和成本目標(biāo)，選擇采用雪崩光電二極管(APD)接收器,還是帶前向糾錯(cuò)(FEC)的標(biāo)準(zhǔn)接收器，目前尚存爭(zhēng)議。采用APD的接收器可以很輕松地滿足靈敏度要求，但成本較高。雪崩光電二極管價(jià)格昂貴，需要高壓偏置和溫度補(bǔ)償。雖然FEC要實(shí)現(xiàn)編、解碼會(huì)增加一些成本和復(fù)雜度，但普遍認(rèn)為它比APD方案要便宜得多。而在設(shè)計(jì)基于FEC的GPON接收器時(shí)，將要面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及其所帶來的復(fù)雜度使成本增加的問題可以被忽視。圖1為GPON ONT接收器元件構(gòu)成圖。

1 前向糾錯(cuò)

前向糾錯(cuò)(FEC)是一種降低數(shù)字通信鏈路誤碼率(BER)的技術(shù)。基本原理是：按照某種方式對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)位進(jìn)行編碼，接收到數(shù)據(jù)位后，可檢測(cè)并校正數(shù)據(jù)位錯(cuò)誤。通常需要在數(shù)據(jù)流中加入額外的“冗余位”，接收器已知這些冗余信息。收到數(shù)據(jù)和冗余位后(位于鏈路的“前向”端)，可以通過算法逆推，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

2 振幅噪聲及時(shí)序噪聲(抖動(dòng))

導(dǎo)致誤碼的兩個(gè)主要原因是：(1)信號(hào)振幅上的假性高斯白噪聲(AWGN)，(2)數(shù)據(jù)恢復(fù)和時(shí)鐘信號(hào)之間時(shí)序不同步，稱為抖動(dòng)[1]。抖動(dòng)通常分為兩類：隨機(jī)抖動(dòng)(RJ)和確定性抖動(dòng)(DJ)。產(chǎn)生隨機(jī)抖動(dòng)的原因通常是：當(dāng)限幅放大器輸入信號(hào)穿越“0”和“1”之間的轉(zhuǎn)換門限時(shí)，振幅噪聲會(huì)轉(zhuǎn)換成時(shí)序噪聲[3]。確定性抖動(dòng)的兩種最常見類型是碼型相關(guān)抖動(dòng)(也稱碼間干擾或ISI)和脈寬失真 (PWD)。ISI是系統(tǒng)帶寬與信號(hào)帶寬不匹配造成的，PWD則是因TIA的輸出幅度太小，以至于和限幅放大器的靈敏度相當(dāng)而造成的。需要特別注意的是，當(dāng)限幅放大器的輸入信號(hào)逐漸減小直至接近規(guī)定的最小值(靈敏度)時(shí)，其輸出抖動(dòng)急劇增加。

對(duì)兩種接收器進(jìn)行比較，每種均使用互阻放大器(TIA)，后跟一個(gè)限幅放大器(LA)。兩種接收器中，假定TIA和LA組合后的總增益相同。第一種接收器的TIA增益較高，LA增益較低；而第二種接收器的TIA增益較低，LA增益較高。當(dāng)TIA的輸入功率減小到接近接收器靈敏度時(shí)，可以考查兩種接收器的性能。在第一種接收器中，由于TIA增益較高，其輸出信號(hào)總是大于LA靈敏度，整個(gè)接收器靈敏度主要取決于TIA的輸入?yún)⒖荚肼?。在第二種接收器中，TIA增益較小，導(dǎo)致輸出信號(hào)可能下降到接近LA的靈敏度，所以整個(gè)接收器的靈敏度主要由LA輸入?yún)⒖荚肼暃Q定，這也導(dǎo)致限幅放大器輸出的抖動(dòng)增大。這個(gè)例子說明了即使兩個(gè)接收器總的接收靈敏度相同，最終限幅放大器輸出信號(hào)的振幅噪聲和抖動(dòng)特性也可能存在較大差異。

3 抖動(dòng)對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路(CDR)的影響

在典型的數(shù)字通信接收器中，限幅放大器后跟時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路。CDR使用一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)來生成與輸入數(shù)據(jù)信號(hào)同步的時(shí)鐘信號(hào)。抖動(dòng)容限是CDR的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它是指不會(huì)導(dǎo)致誤碼率升高并超過規(guī)定門限的條件下，CDR能夠承受的輸入抖動(dòng)大小。不同的CDR架構(gòu)(通常與其復(fù)雜度和價(jià)格相關(guān))所具有的抖動(dòng)容限也不相同。并且，某些CDR對(duì)隨機(jī)抖動(dòng)的承受度要優(yōu)于對(duì)確定性抖動(dòng)的承受度。反之亦然。

根據(jù)定義，當(dāng)CDR輸入抖動(dòng)開始接近規(guī)定的抖動(dòng)容限時(shí)，誤碼將會(huì)增加。與采用FEC編碼技術(shù)相關(guān)的一個(gè)重要問題是，CDR輸入抖動(dòng)造成的誤碼是隨機(jī)間隔的，還是突發(fā)形式。這個(gè)問題的確切答案取決于許多因素，如CDR的電路結(jié)構(gòu)，但一般來說，CDR輸入抖動(dòng)導(dǎo)致的誤碼主要是由數(shù)據(jù)和恢復(fù)時(shí)鐘之間的短暫同步錯(cuò)誤引起的，許多次同步錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致突發(fā)誤碼。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

為了說明抖動(dòng)和突發(fā)誤碼對(duì)千兆位FEC數(shù)字接收器的影響，在接與不接CDR的情況下，分別對(duì)兩種接收器的各種參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。第一個(gè)接收器是常規(guī)的2.5 Gbps接收器，包括一個(gè)PIN二極管、一個(gè)低增益TIA和一個(gè)限幅放大器。第二個(gè)接收器采用增益較高、但噪聲也較大的TIA。兩種接收器的BER與輸入功率(歸一化至給定靈敏度等級(jí)，BER=10-10)之間的關(guān)系如圖2所示。假設(shè)FEC修正可以補(bǔ)償10-5～10-4的 BER，可以預(yù)見，采用FEC的低增益(LG)接收器需要 1.9 dB～2.8 dB的編碼增益，而高增益(HG)接收器需要約3.3 dB～4.3 dB的編碼增益。在每個(gè)接收器輸出串接低成本CDR(MAX3872)后，圖2同樣給出了相應(yīng)的誤碼率。以此作為參考，可以得出以下結(jié)論：無論連接CDR與否，兩種接收器的FEC編碼增益近似相同(LG和HG接收器分別為1.9 dB～2.8 dB和3.3 dB～4.3 dB)。由于接收器抖動(dòng)特性的影響，實(shí)際獲得的FEC編碼增益遠(yuǎn)低于預(yù)計(jì)值。

對(duì)于LG接收器，CDR的輸出信號(hào)在BER為10-8時(shí)出現(xiàn)失鎖(LOL)，此時(shí)的輸入信號(hào)強(qiáng)度約比典型靈敏度低0.5 dB(圖2)。當(dāng)CDR與HG接收器配合使用時(shí)，當(dāng)輸入信號(hào)強(qiáng)度比典型靈敏度低2 dB時(shí)開始出現(xiàn)失鎖。雖然出現(xiàn)失鎖并不能說明一定出現(xiàn)了誤碼或突發(fā)誤碼，但此時(shí)CDR輸入的抖動(dòng)已經(jīng)接近或達(dá)到了最大抖動(dòng)容限。用誤碼分析儀對(duì)兩種接收器的突發(fā)誤碼發(fā)生概率進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，在圖2所示的LOL點(diǎn)處，偶爾會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的突發(fā)誤碼(＞20位)。圖3給出了連接CDR和不接CDR時(shí)HG接收器的突發(fā)誤碼概率分布，此時(shí)誤碼率約為10-5。不串接CDR時(shí)，可以預(yù)見突發(fā)誤碼是由隨機(jī)事件引起的。串接CDR時(shí)，出現(xiàn)的突發(fā)誤碼延長(zhǎng)到30個(gè)連續(xù)位以上，并會(huì)導(dǎo)致編碼增益大為降低。對(duì)于這類突發(fā)誤碼，LG接收器CDR輸出的FEC編碼增益近似為0.5 dB，HG接收器約為2 dB。

通過測(cè)量整個(gè)鏈路 (發(fā)送器-＞光電二極管-＞TIA-＞LA)的抖動(dòng)特性，并將測(cè)試結(jié)果與CDR的額定抖動(dòng)容限相比較，可以進(jìn)一步確定失鎖和突發(fā)誤碼發(fā)生的位置。圖4標(biāo)出了LG和HG接收器的鏈路抖動(dòng)超過MAX3872 CDR抖動(dòng)容限的大概位置。由圖4可知，輸入功率高于歸一化靈敏度時(shí)，LG接收器比HG接收器的抖動(dòng)小，但隨著輸入功率接近并低于此靈敏度時(shí)，抖動(dòng)將迅速增大。主要原因是與TIA輸出信號(hào)相比，限幅放大器的靈敏度很高。換句話說，TIA增益太低，從而導(dǎo)致輸出無法達(dá)到LA的最小輸入電平要求。假設(shè)已最大限度地降低了發(fā)送器的抖動(dòng)，通過以上分析可知，當(dāng)在GPON系統(tǒng)采用FEC技術(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)以下原則選取器件。

(1)選擇高性能TIA。選擇合適的TIA是成功實(shí)現(xiàn)FEC方案的關(guān)鍵要素。假設(shè)使用常規(guī)的數(shù)千兆位限幅放大器，如 MAX3747(靈敏度為 2 mV～4 mV)，則 TIA應(yīng)具備低 噪 聲(＜≈250 nA)、 高 增 益(＞≈7 kΩ)以 及 足 夠 的 帶 寬(約2 GHz)。TIA/LA在輸入功率為-27 dBm或更低的情況下應(yīng)具有10-10的BER，而且TIA的增益應(yīng)該足夠大，這樣一來，當(dāng)輸入信號(hào)比BER為10-10時(shí)的輸入電平又小2 dB～3 dB時(shí)，仍可保證其輸出信號(hào)相對(duì)于LA靈敏度來說足夠大。假設(shè)TIA/LA的典型靈敏度是-27 dBm～-28 dBm，則FEC編碼增益為3 dB～4 dB時(shí)，就可以提供足夠的裕量，以應(yīng)對(duì)溫度變化和器件之間的性能差異，同時(shí)滿足GPON的要求。

(2)選擇帶外部參考時(shí)鐘的CDR?？刹捎枚秳?dòng)容限較高的CDR來提高FEC編碼增益。雖然MAX3872的抖動(dòng)容限相當(dāng)好，但帶外部參考時(shí)鐘的CDR通常具有更高的抖動(dòng)容限。由于OLT包含主系統(tǒng)時(shí)鐘，參考時(shí)鐘僅僅用于控制時(shí)鐘恢復(fù)至OLT頻率，因此必須慎重選擇CDR，這樣才可以提供高的抖動(dòng)容限。采用這一方案的缺點(diǎn)是所需參考時(shí)鐘和/或具有足夠抖動(dòng)容限的低成本CDR會(huì)使成本較高。

[1]Maxim應(yīng)用筆記.Jitter in Digital Communication Systems，Part 2.

[2]SKLAR B.Digital Communications：Fundamentals and Applications，Englewood Cliffs，New Jersey：Prentice Hall，1988：733-743.