CN111800196B - 用于gpon光线路终端的信号检测器 - Google Patents

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Abstract

电路利用第一计数器来检测数字模式，该第一计数器具有接收数字模式的输入以及在第一时间段内检测到第一数量脉冲后提供输出信号的输出。锁存器具有耦合到第一计数器的输出的输入，用于锁存第一计数器的输出信号。第二计数器具有接收数字模式的输入以及在第二时间段内检测到第二数量脉冲之后提供输出信号的输出。逻辑门具有耦合到第一计数器的输出的第一输入、耦合到第二计数器的输出的第二输入以及耦合到锁存器的输入的输出。振幅检测电路具有耦合用于接收数字模式的输入和耦合至第一计数器的输入的输出。

Description

用于GPON光线路终端的信号检测器
技术领域
本发明总体上涉及无源光网络，更具体地，涉及用于GPON光线路终端的信号检测器。
背景技术
千兆位无源光网络(GPON)通过光纤电缆在网络服务提供商(ISP)和终端用户之间提供高速数据通信。
GPON使用点对多点架构(1:32)和光纤分离器，以从单个光源为多个端点提供服务。例如，GPON包括位于ISP中心局或交换中心的光线路终端(OLT)和位于终端用户附近的多个光网络单元(ONU)或光网络终端(ONT)。每个ONU服务于单独的终端用户。与其他网络相比，GPON减少了光纤和中央办公室设备的数量，因为无动力光纤分离器用于使单个光纤能够服务于多个端点。
GPON是共享网络，因为OLT发送作为所有ONU都可以看到的下行流量的数据分组流。下行信号以连续模式(CM)从OLT发射器广播到所有ONU。每个ONU读取对应于特定ONU地址的数据分组的内容。加密防止窃取下行流量。但是，在上行信道中，ONU通常无法在CM中传输光数据信号，因为ONU的数量比OLT多，并且光数据信号的接收时序是可变的。取而代之的是，使用诸如时分多址(TDMA)的多路访问协议对信号进行组合。因此，给定的ONU使用脉冲串模式(BM)传输在指定的时隙中传输光分组。所有ONU使用与OLT相同的时钟频率，因为它们通过使用时钟和数据恢复(CDR)电路从下行信道提取频率。
由于到OLT的距离和延迟，许多ONU在地理位置上分散并且至少部分异相工作。来自不同ONU的光信号也经历不同的衰减。因此，OLT从异步、异相且具有不同振幅的不同ONU接收BM光分组。OLT必须标识脉冲串模式传输的前导码。然后，OLT可以根据光信号的相位和振幅变化来补偿信号衰减。
在现有技术中，已经通过测量两个连续边缘之间的时间来识别脉冲串模式传输的前导码，参见美国专利8861584。接收信号中的每个边沿必须在特定时间出现，以便检测有效的前导码。时序和测量是精确的并且需要临界时间电路，以便确定何时需要出现边沿。首选更简单、更具成本效益的设计。
附图说明
图1示出了具有OLT、光分离器和多个ONU的千兆位无源光网络；
图2示出了GPON的OLT的更多细节；
图3示出了接收到的数据信号和控制信号的时序图；
图4示出了OLT中的BM LIA和信号检测电路的更多细节；
图5a-5b示出了图4中的脉冲串模式传输和信号检测中的前导码的时序图；
图6示出了OLT中的BM LIA和信号检测电路的另一实施例；
图7a-7b示出了图4中的脉冲串模式传输和信号检测中的前导码的时序图；
图8示出了OLT中的BM LIA和信号检测电路的另一实施例；和
图9a-9b示出了图8中的脉冲串模式传输和信号检测中的前导码的时序图。
具体实施方式
在下面的描述中，参考附图在一个或多个实施例中描述了本发明，在附图中，相同的数字表示相同或相似的元件。尽管以实现本发明目的的最佳方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，该描述旨在覆盖可以包括在本发明的精神和范围之内的替代、修改和等同形式，它们由所附权利要求书和由以下公开内容和附图支持的权利要求的等价物所限定的术语“权利要求书”限定。
图1示出了GPON 100，该GPON 100通过光纤电缆在ISP和终端用户之间提供高速数据通信。GPON 100包括位于ISP家庭办公室或交换中心内的OLT 102。OLT 102与互联网建立连接。OLT 102通过光纤电缆104耦合到光分离器106，光分离器106提供通过光纤电缆108到位于终端用户附近的ONU 110、112和114的多个光信号路径。在一实施例中，光分离器106最多连接32个ONU，并将光纤电缆和信号带到终端用户。
GPON 100是共享网络，因为OLT 102通过光纤电缆104和108将数据分组流作为下行流量发送到ONU 110-114。每个ONU 110-114读取对应于特定ONU地址的数据分组的内容。加密防止窃取下行流量。在上行信道中，ONU使用诸如TDMA的多路访问协议传输光数据信号。给定的ONU使用BM传输在指定的时隙中传输光分组。所有ONU使用与OLT相同的时钟频率，因为它们通过使用CDR电路从下行信道提取频率。
本发明还适用于千兆位以太网无源光网络(GEPON)、EPON、10G-EPON、XGPON、XGSPON、25G-EPON、50G-EPON和用于发送数据分组的其他脉冲串PON应用。
图2示出了OLT 102的接收器部分的更多细节，即，以脉冲串形式从ONU 110-114接收上行光数据信号。OLT 102的接收器部分的组件包含在一个或多个半导体设备中。雪崩光电二极管(APD)120检测来自ONU 110-114的上行光数据信号。APD 120的阴极耦合到正电源导体122，阳极耦合到脉冲串模式(BM)跨阻放大器(TIA)124的输入。APD 120将光数据信号转换成当前的IAPD。BM TIA 124将IAPD转换为代表接收到的光数据信号的电压，并且电阻器126设置BM TIA 124的增益。BM TIA 124的差分输出耦合到电平获取电路128的差分输入。电平获取电路128的差分输出耦合到BM限制放大器(LIA)130的差分输入，并且BM LIA 130的差分输出耦合到BM时钟和数据恢复(CDR)132的差分输入。GPON介质访问控制(MAC)136控制下行数据和上行数据之间的通信。GPON MAC 136在每个脉冲串周期的结尾(或开始)生成RESET，以重置电平获取电路128和BM LIA 130。
上行数据信号140由图3中的OLT 102的APD 120接收。时间t0标志着前一个脉冲串周期141的结束。保护间隔142确保ONU 110-114不会相互干扰，否则会导致重叠传输。在保护间隔142期间，GPON MAC 136生成RESET以准备处理下一个数据脉冲串。传入的数据脉冲串具有未知的振幅，必须对其进行调整或补偿。接下来，BM LIA 130在保护间隔142期间确定信号检测(SD)，以向GPON MAC 136和电平获取电路128确认数据信号140存在并且有效。前导码144在时间t1以一个光电平随后为零光电平的序列开始。BM TIA 124和BM LIA 130使用前导码144的时间段来补偿数据信号140的振幅变化，并且使BM CDR 132与发射ONU相位对准。在前导码144期间确定信号检测SD。下一个数据脉冲串146在时间t2开始。保护时间142和前导码144表示通信协议的开销并且持续时间应短，例如，1.2Gbps时的25.7纳秒(ns)的保护时间和35.4ns前导码。
BM TIA 124处理数据脉冲串146中的宽振幅变化范围，即，数据信号的振幅可以是高或低。在理想情况下，BM TIA 124的差分输出信号关于参考信号对称。
参考电平是差分输出信号的中值。差分信号相对于参考信号不应有DC偏移。然而，来自ONU 110的光信号可以比来自ONU 112或114的光信号衰减更多或更少。因此，来自ONU110的光信号可以具有大于或小于来自ONU 112或114的光信号的振幅。注意，与数据脉冲串146相比，数据脉冲串141具有更大的振幅。由于这种系统变化，例如，脉冲串期间光信号振幅的变化，以及从一个脉冲串到另一脉冲串的光信号振幅的变化，以及从ONU 110-114到OLT 102的延迟变化，BM TIA 124相对于参考信号可以具有与输入光信号的振幅成比例的非零DC偏移。电平获取电路128为每个脉冲串周期创建一个动态时间常数，以消除或补偿来自BM TIA 124的差分信号中的DC偏移。根据当前的设计标准，消除DC偏移的时间很短。电平获取电路128在美国申请16/271,824中有详细描述，该申请通过引用合并于此。
图4示出了用于产生信号检测SD的BM LIA 130和检测电路148的更多细节。当确认前导码144为有效时，确定信号检测SD。电平获取电路128的差分输出也耦合到振幅检测电路150。特别地，电路150使用振幅检测电路来确认数据信号140的振幅高于阈值。将阈值信号施加到振幅检测电路150。通常将阈值设置为检测数据信号140、146满足误差率的最小振幅，误差率通常低于1e10位中的一位。振幅检测电路150在美国专利申请16/401,107中有详细描述，该申请通过引用合并于此。如果数据信号140的振幅高于阈值，则振幅检测电路150的输出将前导码144脉冲提供给数字计数器152，以确认前导码的已知且适当的预定模式，参见下面的讨论。计数器152的输出耦合到触发器154的集合(S)输入。触发器154的复位(R)输入接收RESET信号，并且触发器154的输出(Q)提供信号检测SD。
信号检测SD在复位时进入逻辑0状态(未确定)，请参见图3的时间t0和t1之间。
一旦确定了信号检测SD，BM CDR 132就向GPON MAC 136和电平获取电路128确认存在前导码144且确认该前导码144有效，以开始相位获取。由于网络衰减(>28dB)，振幅检测电路150必须感测小信号(<5毫伏)。有效数据信号140的检测和确认必须迅速进行，以最小化前导码144的长度。在脉冲串周期到达后尽快确定信号检测SD，以保持前导码144的最小持续时间，同时为BM CDR 132留有足够的时间锁相到数据信号140。振幅检测电路150需要大的增益带宽积(GBWP)来检测小信号(small signal)。然而，高GBWP振幅检测电路150对源自APD 120、BM TIA 124和电阻器126的噪声敏感。噪声会不希望地触发振幅检测电路150，从而产生无意地触发信号检测SD的误触。GPON MAC 136可能会识别误触并重置OLT102的接收器部分，但不会在由于误触而可能丢失数据之前重置。当OLT 120未正确锁相并准备接收数据信号140时，一个或多个ONU可能正在传输数据。
前导码144包含形式为“1010101…”的交替逻辑1和逻辑0的数字模式。期望的模式是频率为数据速率一半(1.244Gbits至622Mhz)的方波信号，特定间隔中的边沿数量是预先确定的并且是已知的。数字计数器152在时间段TP1内对接收到的模式的边沿数进行计数，以确定接收到的模式是否是已知适当的和预期的前导码。图5a示出了前导码144和信号检测SD。RESET将触发器154的Q输出和信号检测SD设置为逻辑0。在TP1期间，数字计数器152对来自振幅检测电路150的前导码144的9个上升沿(或下降沿)进行计数，这是为计数器配置的已知适当的模式。在TP1期间，计数器152的已知和预期的预定脉冲数可以存储在寄存器或存储块中。在检测到TP1期间9个上升沿的已知适当的模式之后，计数器152的输出进入逻辑1以设置触发器154。触发器154的Q输出进入逻辑1以确定信号检测SD。
图5b示出了另一模式前导码144和信号检测SD。数字计数器152在TP1期间对前导码144的10个上升沿进行计数，这是不正确的模式(参见图5中的虚假逻辑1脉冲)。在TP1期间检测到10个上升沿的错误模式后，计数器152的输出保持逻辑0。未设置触发器154，并且触发器154的Q输出和信号检测SD保持未确定的逻辑0，即，没有信号检测SD触发。
通过将预期计数与实际计数进行比较，可以确定前导码144的模式是数字模式是否已知以及是否适合触发信号检测SD。如果TP1的开始与前导码144的上升沿或下降沿同步，则计数器值必须等于预期的边沿数。如果TP1的开始与前导码144的上升沿或下降沿异步，则计数器值必须等于预期的边沿数或等于预期的边沿数减1。
实际上，在TP1期间通常有数百个前序脉冲，例如，在1.0微秒内的1.0千兆位数据信号140产生500个上升沿。在某些应用中，计数500个上升沿可能会过多或至少超过确认数字模式所需的数量。图6示出了BM LIA 130和用于生成信号检测SD的检测电路158的另一实施例。电平获取电路128的差分输出耦合到数字计数器160、数字计数器162和数字计数器164。每个计数器监视TP1的不同部分。例如，数字计数器160监视时间部分TP1A，数字计数器162监视时间部分TP1B，数字计数器164监视时间部分TP1C。时间部分TP1A、TP1B和TP1C连续运行。TP1可以分为任意数目的部分N。TP1的N个部分将有N个计数器，以确认前导码144的已知和合适的模式。计数器160-164的输出耦合到与门166的输入。与门166的输出耦合到触发器168的集合(S)输入。触发器168的复位(R)输入接收RESET信号，并且触发器168的输出(Q)提供信号检测SD。
同样，前导码144包含形式为“1010101…”的交替逻辑1和逻辑0的数字模式。图7a示出了前导码144和信号检测SD。RESET将触发器168的Q输出和信号检测SD设置为逻辑0。数字计数器160在TP1A期间对前导码144的3个上升沿(或下降沿)计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器160的输出进入逻辑1。数字计数器162在TP1B期间对前导码144的3个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器162的输出进入逻辑1。数字计数器164在TP1C期间对前导码144的3个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器164的输出进入逻辑1。TP1A、TP1B和TP1C期间计数器160-164的已知和预期的预定脉冲数可以存储在寄存器或存储块中。在检测到TP1期间9个上升沿的适当模式(TP1A、TP1B和TP1C中的每个期间3个上升沿)的已知适当模式之后，与门166接收三个逻辑1并提供输出逻辑1以设置触发器168。触发器168的Q输出进入逻辑1以确定信号检测SD。
图7b示出了另一模式前导码144和信号检测SD。数字计数器160在TP1A期间对前导码144的6个上升沿(或下降沿)进行计数，这与预期的计数不匹配。计数器162的输出保持逻辑0。数字计数器162在TP1B期间对前导码144的1个上升沿(或下降沿)进行计数，该计数与预期的计数不匹配。计数器162的输出保持逻辑0。数字计数器164在TP1C期间对前导码144的3个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器164的输出进入逻辑1。与门166接收两个逻辑0和一个逻辑1，并在检测到TP1上的上升沿的不正确的模式后提供输出逻辑0。未设置触发器168，并且触发器168的Q输出和信号检测SD保持未确定的逻辑0，即，没有信号检测SD触发。
值得注意的是，对于图7b给定的模式，数字计数器152将在TP1期间检测到9个上升沿和确定SD检测为逻辑1。因此，多个计数器160-164可以减少错误信号检测SD的出现。
图8示出了BM LIA 130和用于生成信号检测SD的检测电路169的另一实施例。电平获取电路128的差分输出耦合到振幅检测电路170。特别地，电路170使用振幅检测电路来确认数据信号140的振幅高于阈值。将阈值信号施加到振幅检测电路170。阈值通常在数据信号140的振幅的最小到最大范围的中间设置。如果数据信号140的振幅高于阈值，则振幅检测电路170的输出将前导码144脉冲提供给数字计数器172、数字计数器174和数字计数器176。每个计数器监视TP1的不同部分。例如，数字计数器172监视时间部分TP1A，数字计数器174监视时间部分TP1B，数字计数器176监视时间部分TP1C。注意，时间部分TP1A和时间部分TP1B重叠，并且时间部分TP1B和时间部分TP1C重叠。TP1可以分为任意数目的部分N。TP1的N个部分将有N个计数器，以确认前导码144的已知和合适的模式。计数器172-176的输出耦合到与门180的输入。与门180的输出耦合到触发器182的集合(S)输入。触发器182的复位(R)输入接收RESET信号，并且触发器182的输出(Q)提供信号检测SD。
同样，前导码144包含形式为“1010101…”的交替的逻辑1和逻辑0的数字模式。图9a示出了前导码144和信号检测SD。RESET将触发器182的Q输出和信号检测SD设置为逻辑0。数字计数器172在TP1A期间对前导码144的4个上升沿(或下降沿)计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器172的输出进入逻辑1。数字计数器174在TP1B期间对前导码144的4个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。数字计数器172和174正在对一些相同的上升沿进行计数，即计数重叠。计数器174的输出进入逻辑1。数字计数器176在TP1C期间对前导码144的4个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。数字计数器174和176正在对一些相同的上升沿进行计数，即计数重叠。计数器176的输出进入逻辑1。TP1A、TP1B和TP1C期间计数器172-176的已知和预期的预定脉冲数可以存储在寄存器或存储块中。与门180接收三个逻辑1，并且在检测到TP1期间的上升沿(TP1A、TP1B和TP1C中的每个期间具有4个上升沿)的已知适当的模式之后提供输出逻辑1以设置触发器182。触发器182的Q输出进入逻辑1以确定信号检测SD。
图9b示出了另一模式前导码144和信号检测SD。数字计数器172在TP1A期间对前导码144的4个上升沿(或下降沿)计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器172的输出进入逻辑1。数字计数器174在TP1B期间对前导码144的6个上升沿(或下降沿)进行计数，这与预期的计数不匹配。计数器174的输出保持逻辑0。数字计数器176在TP1C期间对前导码144的4个上升沿(或下降沿)进行计数，其是为计数器配置的模式的已知适当部分。计数器176的输出进入逻辑1。与门166接收一个逻辑0和两个逻辑1，并在检测到TP1上的上升沿的不正确的模式后提供输出逻辑0。未设置触发器182，并且触发器182的Q输出和信号检测SD保持未确定的逻辑0，即，没有信号检测SD触发。
总之，检测电路148、158、169在给定的时间间隔内对预定数量的边沿进行计数，以确认有效的前导码144。检测电路的实现很简单并且需要较少的时间临界测量。由于噪声引起的过渡密度低于前导码模式(位误差率小于10e-10)，并且在给定的时间间隔内由于噪声而产生特定数目的过渡的可能性较低。多个计数器减少误触的可能性。由于噪声振幅需要超过阈值，因此振幅检测电路还降低了误触的可能性。
尽管已经详细示出了本发明的一个或多个实施例，但是本领域技术人员将理解，可以对那些实施例进行修改和改编而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种信号检测电路，包括：
振幅检测电路，所述振幅检测电路包括耦合为接收信号的输入；
第一计数器，所述第一计数器包括耦合到振幅检测电路的输出的输入，其中第一计数器在第一时间段内对信号中的第一预定脉冲数量进行计数之后提供第一逻辑状态的输出信号，否则提供第二逻辑状态的输出信号；和
锁存器，所述锁存器具有耦合到第一计数器的输出的输入，用于锁存第一计数器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的信号检测电路，还包括：
第二计数器，其耦合用于接收信号，其中，第二计数器在第二时间段内对信号的第二预定脉冲数量进行计数之后提供第一逻辑状态的输出信号；和
逻辑门，所述逻辑门包括：耦合至所述第一计数器的输出的第一输入、耦合至第二计数器的输出的第二输入以及耦合至锁存器的输入的输出。
3.根据权利要求2所述的信号检测电路，其中，第一时间段的部分与第二时间段的部分重叠。
4.一种用于检测来自光接收电路的光信号的数字模式的电路，包括：
第一计数器，所述第一计数器包括：耦合为接收光信号的数字模式的输入，以及输出，所述输出在第一时间段内检测到光信号的数字模式的第一预定脉冲数量之后提供第一逻辑状态的输出信号，否则所述输出提供第二逻辑状态的输出信号；和
锁存器，所述锁存器具有耦合到第一计数器的输出的输入，用于锁存第一计数器的输出信号。
5.根据权利要求4所述的电路，还包括：
第二计数器，所述第二计数器包括：耦合为接收光信号的数字模式的输入以及在第二时间段内检测到光信号的数字模式的第二预定脉冲数量之后提供第一逻辑状态的输出信号的输出；和
逻辑门，所述逻辑门包括：耦合至第一计数器的输出的第一输入、耦合至第二计数器的输出的第二输入以及耦合至锁存器的输入的输出。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，第一时间段的部分与第二时间段的部分重叠。
7.根据权利要求5所述的电路，其中，第一时间段与第二时间段连续。
8.一种制造包括用于检测来自光接收电路的光信号的数字模式的电路的半导体设备的方法，包括以下步骤：
提供第一计数器，所述第一计数器包括：耦合为用于接收光信号的数字模式的输入，以及输出，所述输出在第一时间段内检测到光信号的数字模式的第一预定脉冲数量之后提供第一逻辑状态的输出信号，否则所述输出提供第二逻辑状态的输出信号；和
提供锁存器，所述锁存器具有耦合到第一计数器的输出的输入，用于锁存第一计数器的输出信号。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
提供第二计数器，所述第二计数器包括：耦合以用于接收光信号的数字模式的输入以及在第二时间段内检测到光信号的数字模式的第二预定脉冲数量之后提供第一逻辑状态的输出信号的输出；和
提供逻辑门，所述逻辑门包括：耦合到第一计数器的输出的第一输入、耦合到第二计数器的输出的第二输入以及耦合到锁存器的输入的输出。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，第一时间段的部分与第二时间段的部分重叠。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，第一时间段与第二时间段连续。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：提供振幅检测电路，所述振幅检测电路包括耦合为接收光信号的数字模式的输入和耦合至第一计数器的输入的输出。
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