CN104954073B - 一种内置onu的gepon光中继设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种GEPON光功率增强设备；内置双光口自愈保护功能的GEPON ONU，具有远程网管功能，能延伸GEPON的传输距离，并能增加光分支数；适应工业环境要求，具有小型化、卡轨式安装的特点；包括内置式GEPON ONU，下行信号再生电路，上行信号再生电路，多任务操作系统，设备网管软件模块，电源保护电路等功能模块。

Description

一种内置ONU的GEPON光中继设备

技术领域：

本发明涉及一种能够应用于以太网无源光网络(GEPON)的光功率增强设备，其作用是大幅度延伸GEPON的传输距离，大幅度扩大光分路比，能够应用于各种GEPON厂家(包含各种GEPON设备生产厂商和芯片供应商)生产的GEPON设备组网中。

背景技术：

如图1所示，一套典型的GEPON系统由位于局端的光线路终端(OLT，Optical LineTerminal)和若干个位于远端的光网络单元(ONU，Optical Network Unit)组成，OLT和ONU之间由无源光分配网(ODN，Optical Distribution Netwrok)连接，采用点到多点(P2MP，Point to Multi Point)拓补结构。一般在ODN中使用光分路器(Optical Splitter)来实现一点到多点的分光功能，由于GEPON具有成本低，功能强大，组网灵活等特点，所以逐渐成为光接入网的主流技术，尤其是具有保护倒换功能的GEPON设备，在光纤环路断裂时可以自动倒换到备用线路，具有非常高的可靠性，具备了光传输设备的一些特征，可以替代部分光传输设备，但是按照GEPON标准规定，GEPON的传输距离为20公里以内，这就在很大程度上限制了GEPON的应用范围，如何克服GEPON的距离限制，并扩大ODN的分支比，使OLT的PON口可以连接更多的ONU，就可以大量节约光纤和OLT端的PON口数量，具有非常重要的意义。

通用的解决光链路功率不足的办法是采用光纤放大器。但由于光纤放大器价格昂贵，功耗大，体积大，在配网应用中不具备实用性，同时光纤放大器属于1R设备，即只能增强光功率，不能进行信号整形和时钟再定时，限制了GEPON的传输距离范围。本发明采用光中继技术，极大的扩大了GEPON的光链路预算。

一个增加了GEPON光中继器设备的GEPON网络组网结构如图2所示，在下行方向，GEPON光中继器接收来自OLT的光信号，进行光电变换变成电信号，再经放大、整形、时钟再定时后，驱动激光器发光，发往中继器下辖的各ONU，这时下行光得到了增强；在上行方向，GEPON光中继器接收来自后面各ONU的突发光信号，经过光电变换变成电信号，再经放大、整形、时钟再定时后，驱动激光器发光，这个光信号的功率远大于从ONU发来的光信号，这样从中继器发往OLT的光信号功率得到了增强，再发往OLT。由于GEPON采用点对多点拓补结构，每一个光分支都会消耗一部分光能量，所以GEPON线路的光功率预算非常紧张，这是限制GEPON传输距离和分支数的重要原因。尤其在工业控制中的手拉手组网应用中，大量使用一分二分光器，这样分光器的级数就很多，可达十级以上，在这种网络 结构中，光功率分配很不均匀，整个光网络前级的光功率分配比较多，越到后面，可分的光功率越来越少，限制了每个PON口所能接入的ONU数量，一般在这种组网结构中，每个PON口只能接入10个ONU，而在电信运营网络中，由于采用多端口分光器(8至32端口)，分光比较均匀，每个PON可轻松接入32个ONU，所以在工业控制应用中，更加需要一种技术来解决GEPON光链路功率不足的问题；本GEPON光中继器是专为工业应用而开发的，可以满足工业环境的苛刻要求。

发明内容：

本发明涉及一种能够通用于各GEPON厂商(包含各种GEPON设备生产厂商和芯片供应商)的GEPON设备的智能型光功率增强设备；内置双光口自愈功能GEPON ONU，可远程网管，用于延伸GEPON的传输距离，增加光分支数；适应工业环境要求，具有小型化、卡轨式安装的特点。包括双PON口GEPONONU，光接口组件，CPU，CPLD，FPGA，多任务操作系统，设备网管软件模块，人机接口软件模块，电源保护电路，上行信号再生电路，下行信号再生电路，上行收光指示电路，下行收光指示电路等功能模块。

整个中继器主要由以下几个部分组成：

1》下行信号再生电路；下行部分是指下行方向的信号再生，它接收来自OLT的连续光信号，采用WDM从光纤上分离下行信号，经过前放，限放，恢复出下行电信号，此下行电信号是1250兆的高速差分信号，一般的数字逻辑电路不能处理，需要通过串并变换，变换成低速率并行125兆电信号，才能送入FPGA处理，在FPGA中，通过整形，时延调整，缓冲存贮，时钟变换处理后，再送往并串变换，变成无抖动的1250兆高速差分信号，送往下行激光发射模块向后级的ONU发射，发射的激光信号所携带的信息不变，但光功率得到增强，同时波形被重新整形，时钟抖动被改善，相当于光信号被放大整形，从OLT接收的光信号最小功率为-26dBm，经过再生后，从中继器发出的下行光信号可达到3dBm，相当于光信号被放大了29dB；

2》上行信号再生电路；上行方向，从ONU发来的突发光，经过APD管接收，再经限幅放大器变成电信号，这个电信号是突发的1250兆高速差分信号，通过串行变换，变换成低速率并行125兆电信号，送往FPGA处理，在FPGA中，经过整形，时延调整，缓冲存贮，时钟变换处理后，再送往并串变换电路，变成无抖动的波形前后沿良好的1250兆高速差分信号，送往上行突发驱动器驱动激光器发光，再经过WDM与下行信号合波，经过单根光纤发向OLT。上行同样具有再生信号的功能，ONU发来的微弱的光信号，经过再生，光信号的功率得到增强，同时经过整形和时钟变换，信号质量得到很大改善；时钟变换是通过FIFO(先进先出缓存器)实现的，FIFO的写地址指针由从线路上恢复的时钟驱动，而 FIFO的读出地址指针由本地晶振产生的125兆时钟驱动，由于本地时钟是直接由晶振产生的，没有任何附加的抖动和畸变，所以时钟质量非常高，从FIFO输出的数据经过并串变换，变成1250兆高速差分数据信号发向OLT.上行采用APD管接收，接收灵敏度可达-29dBm，而上行方向发出的激光功率可达3dBm，相当于光信号放大了32dB，从而提供了充足的光功率预算。

3》整个中继器包含两块主电路板，两块电路板通过扁平电缆相连，分为ONU主电路板和中继器主电路板，中继器主电路板位于上部，ONU主电路板位于下部；中继器主电路板还包含电源电路、FPGA芯片、两组并串串并变换电路、上行光接口部件、下行光接口部件、上行收光指示灯、下行收光指示灯；其中电源电路是符合工业级EMC要求的电源电路，提供两路直流DC/DC电源和干接点告警接口，DC/DC电源为隔离式电源，满足工业级EMC的要求。关于中继器的结构布置请参看图5，图6。

ONU主电路板含有两个CPU和一片CPLD，并包含一片千兆位交换芯片和ONU的MAC芯片，以及一片DDR RAM和一片FLASH，一个CPU是实现GEPON ONU功能的高性能主CPU，集成于ONU的MAC芯片中，另一个CPU是辅助处理器，两个CPU之间通过高速串行接口UART相连，辅助处理器通过扁平电缆连接中继器单元电路的FPGA，WEB功能由主CPU实现，主CPU采用LINUX多任务操作系统，功能强大，为后续升级开发提供了强大的支撑；人机界面为CLI(命令行方式)和WEB(浏览器)方式，同时支持SNMP简单网管协议；辅助处理器和串口之间采用私有处理协议；这个部分除了提供ONU功能外，还提供了设备管理控制功能，主CPU内部集成以太网功能，可在远程通过WEB页面访问，辅助CPU通过数字诊断模块与光接口相连，可以监控光接口的发送光功率、接收光功率、温度、电压、偏置电流等参数，司时还可以监控环境的其它信息；通过内部集成的GEPON ONU，提供了中继器监控管理功能的通信通道，实现本中继器与宽带互连网络的互连互通，从而实现远程管理控制功能；内嵌的ONU还具有双光口自愈保护功能；

4》远程管理可通过WEB和CLI监控和管理以下项目：

1)上行发送光功率；

2)上行接收光功率；

3)下行发送光功率；

4)下行接收光功率；

5)设备温度；

6)激光器偏置电流；

7)电源电压；

实现方法

1、串并并串变换芯片采用TI公司芯片，FPGA芯片是XILINX公司生产的SPARTAN3S系列芯片，具有成本低，处理速度高，集成度高的特点，SPARTAN3S芯片还具有无需外围加载芯片的特点，上电可靠性更高，成本更低；

有效数据检测电路，FIFO(先入先出缓冲存贮器)控制器，写入指针控制，读出指针控制电路都在单片FPGA中实现，但是为了实现时延调整功能，以实现更远的传输距离，需要大容量的FIFO，这时需要在FPGA外部扩展一片SRAM，以实现更大的缓冲容量。

2、辅助CPU用的是ARM LPC1752，这是Cortex-M3内核的CPU，工作主频为100兆，内部集成RAM和FLASH，具有集成度高，运算速度快，调试方便的特点。

3、下行接收组件，下行发射组件，上行接收组件，上行发射组件都采用模块化组件，集成度高，体积小，性能稳定可靠。

4、外壳材质采用铝合金，分为上盖、下盖、左侧板、右侧板和前面板几大部分，导轨位于设备后部，上盖、下盖和前面板采用铝型材拉制，再经过机加工制成。左侧板、右侧板采用铝板冲压成形。所有外壳部件经过导电氧化，为白色金属光泽，一是为了美观，二是为了达到EMC的指标要求，保证外壳各部件形成完整连续的导电体，以满足静电屏蔽的要求。

5、机壳设计符合工业级EMC标准要求，具有以下特点：

1>全封闭式设计，最大限度减少电磁泄露；

2>光接口采用内置式设计，ONU光模块位于印制板内部，通过光跳线与位于面板上的双口法兰盘相连，法兰盘采用金属法兰盘，具有良好的静电屏蔽性能，防止静电场经由光模块接口进入设备内部；

3>设备各部分接口与机壳紧密接触，严格控制RJ45接口、光模块接口与机壳的缝隙，防止静电场经由各接口进入设备内部；

4>严格控制前面板、侧板、上下盖之间的接合缝隙，各部分的接合部位保证明2毫米以上的接触面，保证静电屏蔽的连续性；

5>侧面设计有屏蔽板，屏蔽板上的固定块与电源线屏蔽层连接，实现屏蔽层的连续完整；

6、电源电路符合工业级EMC标准要求，具有以下特点：

1>双路电源设计，电源输入为直流输入，达到差模4000伏，共模4000伏放电要求；

2>具有干接点告警输出接口；

3>差模防雷电路为多级防雷设计，第一级为压敏电阻，第二级为压敏电阻，第一级与第二级之间经过电感缓冲，第三级为TVS管，第二级与第三级之间经过电感缓冲，此设计保证经由电源线进入设备的雷电和浪涌电压经过多级缓冲和衰减后，对设备的影响和破坏减低到很小的程度。

4〉共模防雷为两根电源线经由压敏电阻分别接保护地方式；

图1为典型的GEPON组网图；

图2为一级光中继器的GEPON网络拓补图；

图3为GEPON光中继器结构图；

图4为GEPON光中继器结构布置图；

图5为GEPON光中继器机械结构设计图；

图6为GEPON光中继器面板设计图。

Claims (5)

1.本发明涉及一种通用的智能型GEPON光功率增强设备，其特征是内置双光口自愈保护功能GEPON ONU，可远程网管，能延伸GEPON的传输距离，并能增加光分支数；可适应工业环境要求，具有小型化、卡轨式安装的特点；包括GEPON ONU，下行信号再生电路，上行信号再生电路，多任务操作系统，设备网管软件模块，人机接口软件模块，电源保护电路等功能模块；

由下行激光接收组件，下行激光发射组件，串并及并串变换电路及下行FIFO(先入先出缓存器)组成下行再生电路，下行再生电路是实现下行方向的信号再生，接收来自OLT的连续光信号，采用WDM从光纤上分离下行信号，经过光电变换、前放，限放，恢复出下行电信号，此下行电信号是1250兆的高速差分信号，需要通过串并变换，变换成低速率并行125兆电信号，送入FPGA处理，在FPGA中，通过整形，时延调整，缓冲存贮，时钟变换处理后，再送往并串变换电路，变成无抖动的1250兆高速差分信号，送往下行激光发射模块向后级的ONU发射，发射的激光信号所携带的信息不变，但光功率得到增强，同时波形被重新整形，时钟抖动被消除，相当于光信号被放大整形；

上行再生电路由上行激光接收组件，上行激光发射组件，串并及并串变换电路及上行FIFO(先入先出缓存器)组成，上行激光接收组件接收从ONU发来的突发光，经过APD管接收，再经限幅放大器变成电信号，这个电信号是突发的1250兆高速差分信号，通过串并变换，变换成低速率并行125兆电信号，送往FPGA处理，在FPGA中，经过整形，时延调整，缓冲存贮，时钟变换处理后，再送往并串变换，变成无抖动的波形前后沿良好的1250兆高速差分电信号，经上行突发驱动器驱动激光器发光，再经过WDM(波分复用器)与下行信号合波，通过单根单模光纤发向OLT；上行同样具有信号再生整形功能，ONU发来的微弱的光信号，经过再生，光信号功率得到恢复，再发向OLT；

ONU主电路板含有两个CPU，一个是实现GEPON ONU功能的高性能主处理器，另一个CPU做为辅助处理器，两个CPU之间通过高速串行接口相连，辅助处理器通过扁平电缆连接中继器单元电路的FPGA，WEB功能由高性能主处理器实现，采用LINUX多任务操作系统；人机界面为CLI(命令行方式)和WEB方式，同时支持SNMP简单网管协议；辅助处理器和主处理器之间采用私有处理协议，这个部分除了提供ONU功能外，还提供了设备管理控制功能，可在远程通过WEB页面访问两种CPU，辅助CPU通过数字诊断模块与光接口相连，可监控光接口的发送光功率、接收光功率、温度、电压、偏置电流等参数，同时还可以监控环境方面的其它信息；

本中继器内嵌的GEPON ONU具有双光口自愈保护功能；整个中继器包含两块主电路板，两块主电路板通过扁平电缆相连，分为ONU主电路板和中继器分模块电路板，中继器主电路板位于上部，ONU主电路板位于下部；中继器分模块电路板包含电源电路、FPGA、两组串并并串变换电路、上行光接口部件、下行光接口部件、上行收光指示灯、下行收光指示灯；其中电源电路采用符合工业级EMC要求的电源电路，提供两路直流DC/DC电源和干接点告警接口，DC/DC电源为隔离式电源，以保证满足工业级EMC的要求；

本GEPON光中继器为工业卡轨式设计，卡轨位于设备后部，并符合工业级EMC标准要求；

为了便于施工，本中继器设计有上行收光指示灯和下行收光指示灯，并设计有相应的驱动电路，下行收光指示灯亮表示接收到来自OLT的下行光，上行收光指示灯亮表示接收到来自ONU的上行光。

2.如权利要求1所述的一种GEPON光功率增强设备，其特征在于内部集成了具有双PON口自愈保护功能的GEPON ONU，其ONU提供四个以太网接口，这4个以太网口可提供给用户做为业务接口使用；通过ONU的光路提供了中继器的网管通道，使中继器变成可网管型智能中继器；ONU的高速CPU还提供额外的智能控制功能。

3.如权利要求1所述的一种GEPON光功率增强设备，其特征在于是一种小型化的工业中继器设备，满足工业级光通信设备的EMC要求，1>全封闭式设计，最大限度减少电磁泄露；2>侧面设计有屏蔽板，实现屏蔽层的连续完整；3>光接口采用内置式设计，光接口采用金属法兰盘，法兰盘与ONU光模块通过光跳线相连，防止静电场经由光模块接口进入设备内部；4>设备各部分接口与机壳紧密接触，严格控制RJ45接口、光模块接口与机壳的缝隙，防止静电场经由各接口进入设备内部；5>严格控制前面板、侧板、上下盖之间的接合缝隙，各部分的接合部位保证2毫米以上的接触面，以保证静电屏蔽的连续性。

4.如权利要求1所述的一种GEPON光功率增强设备，其特征在于是一种智能型可网管GEPON光中继器设备，ONU主电路板含有两个CPU，一个是实现GEPON ONU功能的高性能主处理器，另一个CPU是辅助处理器，两个CPU之间通过高速串行接口相连，辅助CPU通过数字诊断模块与光接口相连，可监控光接口的发送光功率、接收光功率、温度、电压、偏置电流等参数，同时还可以监控环境方面的其它信息；本中继器内部的ONU提供了网管程序的通信通道，可通过IP网络在远程访问中继器的两种CPU，辅助CPU中提供了中继器的上行光接口组件和下行光接口组件的管理控制程序，实现本中继器与宽带网络的互连互通，从而实现远程管理控制功能；人机界面为CLI(命令行方式)和WEB两种方式，同时支持SNMP简单网管协议。

5.如权利要求1所述的一种GEPON光功率增强设备，其特征在于整个中继器包含两块主电路板，两块电路板通过扁平电缆相连，分为ONU主电路板和中继器电路板，中继器电路板位于上部，ONU主电路板位于下部；中继器电路板还包含电源电路、FPGA芯片、两组并串及串并变换电路、上行光接口部件、下行光接口部件、上行收光指示灯、下行收光指示灯；其中电源电路是符合工业级EMC要求的电源电路，提供两路直流DC/DC电源和干接点告警接口，DC/DC电源为隔离式电源，并采用多级防雷电路，包括两级压敏电阻和一级TVS管，各级之间采用电感隔离，以保证满足工业级EMC的要求。