基于MAX3656芯片的EPON系统中新型ONU的设计

基于MAX3656芯片的EPON系统中新型ONU的设计郭晓峰;张跃进
【摘要】论述了EPON系统的光模块工作模式,对ONU端光模块的设计从理论上进行了分析,包括对ONU光端模块中的芯片选择、与激光器间的耦合设计、连续接收模块等各个方面.在此基础上,讨论了一种EPON系统ONU端用的模块的设计和实现.%Discusses the EPON system mode optical module, the ONU-side optical module design is analyzed theoretically, including the ONU optical module in the chip select terminal, and the coupling between the laser design, a continuous receiver module and other aspects. On this basis, to discuss a client with EPON system ONU design and implementation of the module.
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2011(035)008
【总页数】3页(P76-78)
【关键词】EPON;ONU;收发模块;MAX3656
【作者】郭晓峰;张跃进
【作者单位】江西省高速公路联网管理中心,南昌330003;华东交通大学信息工程学院,南昌330013
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.11
0 引言
随着人们对以高清电视为代表的高带宽信息的需求越来越大，新型的宽带接入技术将越来越多地替代传统的窄带接入技术[1]。

千兆以太网无源光网络（EPON）是
一种点到多点拓扑结构的光接入网技术，EPON系统由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）和光纤配线单元组成。

EPON作为新兴接入网技术的突出优势在
于传输带宽宽、对业务透明、成本较低、易于维护和升级便利，EPON技术是必
然的发展趋势。

随着光通信技术的飞速发展，ONU设备已经大量应用。

但是基于传统方法设计的ONU复杂，性能无法满足高端用户需求，不易升级，系统造价较高。

因此，研究和设计新型的ONU非常有实用价值[2]。

1 EPON系统的光模块工作模式
EPON系统使用的光模块在上行方向必须工作于突发模式，而下行方向的光模块
不需要考虑这些因素，因为其发送和接收都处于连续工作状态。

所以，EPON的
局端光模块必须具备1490nm连续发送、1310nm突发接收的功能；EPON的用户端光模块必须具备1310nm突发发送、1490nm连续接收的功能[3]。

对于下行数据，光信号从OLT到达光分路器，通过相应接口把数据传递给ONU，这时数据还是802.3ah格式的。

ONU MAC把802.3ah格式的数据帧转换为802.3格式的数据后，输出到用户侧接口，也就是图中的千兆网口。

上行数据流动路径和下行数据流动路径相反。

光模块的工作模式如图1所示。

图1 EPON系统的光模块工作模式
对光模块的影响表现在：①每个ONU光模块只能在特定的时间发送数据，其它时间处于关断状态；②ONU光模块从关断状态转变到开启状态的时间必须很短，以满足EPON标准中的相关要求；③OLT光模块在不同时间段内会收到来自不同ONU发出的光信号，这些光信号强弱变化可能很大，光模块要在很短时间内完成
信号的幅度恢复[4]。

2 ONU端光模块的总体设计
用户端单纤双向光模块主要由单纤双向光组件、激光驱动器和限幅放大器三个功能块组成，如图2所示。

图2 ONU端光模块组成框图
激光驱动器的主要功能是对输入信号进行调制，并为外部激光器提供所需的激励信号。

由于激光器的温度变化和老化都会影响输出功率，为了稳定激光器的输出功率，激光驱动器还具有自动功率控制、消光比控制和告警等功能。

EPON用户侧光模
块必须能够突发发射数据，因此，激光驱动器必须支持突发工作模式[5]。

限幅放大器的主要功能是当输入很小时，将其放大到下级电路可接受的定值输出；当信号超过某一门限值时，衰减迅速增大以维持在定值输出。

由于EPON系统的
下行采用连续方式发送数据，ONU侧光模块接收的来自OLT的信号与普通的点
对点链路没有区别，因此，ONU侧的接收电路与传统的光接收电路没有本质不同。

采用MAX3656激光驱动电路构建突发模式上行发送器；下行接收器由
MAX3747限幅放大器、MAX1932 APD偏置电源和MAX4007 APD电流监控器组成，构成灵敏度极高的2488Mb/s数字接收器。

MAX3654 CATV互阻放大器
对模拟视频信号进行线性、低噪声放大。

评估板用DS3902数字电位器、DS1859对激光器和APD进行简单的校准、温度补偿。

激光器、光电二极管和TIA安装在由ExceLight提供的光组件中，构成了ONU收发器。

3 ONU端发射部分设计
3.1 主要芯片选型
这部分的主要芯片是支持突发模式的激光驱动器，用的是美信公司的MAX3656，它支持的数据速率为155Mb/s～2.5Gb/s，数据输入/输出接口为PECL；采用DC 耦合方式给激光器提供偏置和调制电流，能快速驱动(激光器“关闭(OFF)”状态到
激光器“开启(ON)”状态的转换时间小于2ns)；工作电压小于3.0V，工作电流为40mA，偏置电流和调制电流均可外部调节；带数字的自动功率控制(APC)，能在整个温度和寿命范围内保持光功率[6]。

MAX3656有高速调制、高速偏置驱动和带APC(自动功率控制)的激光器偏置调节模块。

其中偏置和调制输出均由带可编程电流源的差分对组成，可通过外置电阻调节偏置和调制电流，调节范围分别是1～70mA和10～85mA。

MAX3656还有许多周到的设计：比如为调制和偏置电流源提供短路保护，当调制或偏置电流设置引脚被短接至地的时候，偏置和调制不允许任何输出；当APC环路不能维持功率稳定的时候，有告警信号输出。

MAX3656工作在闭环模式，通过背光监测二极管的输出电流来控制数字APC环路，工作原理如下：背光监测二极管将激光器的输出光功率转换成光电流，通过监控引脚送入APC控制电路，APC环路调整激光器的偏置电流，直到监控引脚的电流值和参考电流值相等时为止，其中参考电流是通过RAPCSET确定的。

MAX3656带有芯片使能功能，使能信号无效时，偏置和调制电流都为关闭状态，且APC环路储存的电流值也被重置；使能信号有效时，APC环路开始初始化。

MAX3656可以工作在连续模式或突发模式，可通过突发操作控制信号设置。

该信号为高和低的时候，分别工作在连续和突发模式。

连续模式时，RBIASMAX用来设置激光器的偏置电流值；突发模式时，RBIASMAX用来设置最大可以获得的偏置电流值，APC环路初始化的时候，需要首先经历一次伪二元搜索算法(阈值和最大偏置电流值是搜索的两个初值)以设置恰当的监控电流值，该值对应一个偏置电流值。

APC环路初始化过程中采用调节偏置电流的方法不能获得想要的平均光功率时，MAX3656会输出告警信号，此时需要调整RBIASMAX值，使APC环路重新执行伪二元搜索算法设置合适的偏置电流值。

另外，当告警信号出现时，可能是电路设计出现故障。

如激光器阴极被短接
至地，激光器输出功率完全不受APC环路控制，这会导致APC环路不能减小偏置电流值，环路由此判定出现故障。

MAX3656为突发模式激光驱动器，工作数据速率在155Mb/s～2.5Gb/s之间。

激光驱动器允许正射极耦合逻辑(PECL)或电流模式逻辑(CML)数据输入，并为激光二极管提供偏置电流和调制电流。

器件可在小于2ns的时间内将激光二极管由完
全不能通信(关断)状态转换到全通信(开启)状态(偏置电流和调制电流合适时)。

MAX3656激光驱动器和激光二极管之间直流耦合，工作于+3.0V单电源电压。

3.2 与激光器间的耦合设计
驱动器和激光器间的耦合有两种，最简单直接的是直流耦合，但这种方式当供电电压低于3.3V时，会出现快速转换驱动能力不足的问题，对高速电路很不利[7]。

交流耦合能很好地解决这个问题，在工作速率超过1Gb/s的情况下被广泛使用。

驱
动器和激光器间的距离决定交流耦合的具体形式。

对于1.25Gb/s的工作速率，如果距离小于2mm，可以使用普通方式，此时主要考虑的是尽可能减小寄生效应；如果距离超过2mm，使用阻抗受控的传输线去连接它们。

对驱动器与激光器间的耦合电路来说，为了使激光器在高速时能稳定工作，维持激光驱动器两个输出端的负载平衡很重要。

即在两个输出端设置相等的25Ω负载；正端通过传输去驱动负
载至电源(负载指激光器，内阻约为25Ω)；负端通过25Ω的电阻至电源。

3.3 接收部分设计
用户端光模块是连续接收模式，接收部分的主要芯片是限幅放大器，选用美信公司的MAX3747。

该芯片工作速率在155Mb/s～3.2Gb/s之间，可用于OC-3至
OC-48同步光网络、光纤通道和千兆位以太网光接收器中。

该器件能够提供大于57dB的增益，在低至2mV的输入电压条件下能保持低于10-9的误码率，输入
信号范围为2～1200mV，输出摆幅为500mVp-p。

采用3.3V单电源供电，功耗为60mW。

具有可编程的信号检测功能。

MAX3747由CML信号输入/输出接口、
信号探测及偏移控制、多级放大模块组成。

接收部分具有信号丢失告警功能，当输入信号电压低于阈值电压时，有告警信号输出。

该部分电路用一个RMS功率检波器比较阈值电压和输入信号电压值，然后将比较结果反馈给告警输出端。

4 结束语
采用基于MAX的设计的新型ONU，与同类产品相比较，有实现简单、性能好、易于升级、系统造价低的优势，其市场前景十分看好。

目前该模块已经通过小批量可靠性考核；经过仪器测试和在EPON系统上的实际使用，证明该模块指标满足IEEE802.3ah的建议要求，具有很高的灵敏度和较宽的动态范围；模块体积小，结构符合SFF协议，给用户的使用带来方便，能够满足EPON系统的要求。

参考文献：
[1] 陈志强.EPON系统局端机的设计与实现[C].武汉:华中科技大学,2005.
[2] 阎德升，边恩炯，王旭，等.EPON-新一代宽带光接入技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2007.34-45.
[3] 中国电信集团公司技术部.中国电信EPON设备技术要求V2.0[R].北京:中国电信集团公司,2007.
[4] 黄学达.EPON的用户终端设备的研制和开发[C].武汉:中国地质大学,2005.
[5] Teknovus.TN103:Programming ONU GPIO[DB].USA:Teknovus Corporation,2007.
[6] 邹洁.EPON在用户接入网的应用研究[C].北京:北京邮电大学,2007.
[7] 阎德升，边恩炯，王旭，等.EPON-新一代宽带光接入技术与应用[M].北京:机械工业出版社，2007.。