GPON FEC接收機的設計挑戰

Maxim集成產品公司

在ONT中選擇APD還是FEC技術將對成本起決定性作用。許多GPON系統制造商極為關注這一問題，為向北美乃至世界其他地區的家庭提供三路信號播放業務(視頻、語音和數據)，千兆位無源光網絡(GPON)成為重點考慮方案。為滿足用戶端的鏈路預算和成本目標，選擇采用雪崩光電二極管(APD)接收器,還是帶前向糾錯(FEC)的標準接收器，目前尚存爭議。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。雪崩光電二極管價格昂貴，需要高壓偏置和溫度補償。雖然FEC要實現編、解碼會增加一些成本和復雜度，但普遍認為它比APD方案要便宜得多。而在設計基于FEC的GPON接收器時，將要面臨的設計挑戰及其所帶來的復雜度使成本增加的問題可以被忽視。圖1為GPON ONT接收器元件構成圖。

1 前向糾錯

前向糾錯(FEC)是一種降低數字通信鏈路誤碼率(BER)的技術。基本原理是：按照某種方式對發送的數據位進行編碼，接收到數據位后，可檢測并校正數據位錯誤。通常需要在數據流中加入額外的“冗余位”，接收器已知這些冗余信息。收到數據和冗余位后(位于鏈路的“前向”端)，可以通過算法逆推，恢復原始數據。

2 振幅噪聲及時序噪聲(抖動)

導致誤碼的兩個主要原因是：(1)信號振幅上的假性高斯白噪聲(AWGN)，(2)數據恢復和時鐘信號之間時序不同步，稱為抖動[1]。抖動通常分為兩類：隨機抖動(RJ)和確定性抖動(DJ)。產生隨機抖動的原因通常是：當限幅放大器輸入信號穿越“0”和“1”之間的轉換門限時，振幅噪聲會轉換成時序噪聲[3]。確定性抖動的兩種最常見類型是碼型相關抖動(也稱碼間干擾或ISI)和脈寬失真 (PWD)。ISI是系統帶寬與信號帶寬不匹配造成的，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而造成的。需要特別注意的是，當限幅放大器的輸入信號逐漸減小直至接近規定的最小值(靈敏度)時，其輸出抖動急劇增加。

對兩種接收器進行比較，每種均使用互阻放大器(TIA)，后跟一個限幅放大器(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TIA的輸入功率減小到接近接收器靈敏度時，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，其輸出信號總是大于LA靈敏度，整個接收器靈敏度主要取決于TIA的輸入參考噪聲。在第二種接收器中，TIA增益較小，導致輸出信號可能下降到接近LA的靈敏度，所以整個接收器的靈敏度主要由LA輸入參考噪聲決定，這也導致限幅放大器輸出的抖動增大。這個例子說明了即使兩個接收器總的接收靈敏度相同，最終限幅放大器輸出信號的振幅噪聲和抖動特性也可能存在較大差異。

3 抖動對時鐘和數據恢復電路(CDR)的影響

在典型的數字通信接收器中，限幅放大器后跟時鐘和數據恢復(CDR)電路。CDR使用一個鎖相環(PLL)來生成與輸入數據信號同步的時鐘信號。抖動容限是CDR的一個關鍵指標，它是指不會導致誤碼率升高并超過規定門限的條件下，CDR能夠承受的輸入抖動大小。不同的CDR架構(通常與其復雜度和價格相關)所具有的抖動容限也不相同。并且，某些CDR對隨機抖動的承受度要優于對確定性抖動的承受度。反之亦然。

根據定義，當CDR輸入抖動開始接近規定的抖動容限時，誤碼將會增加。與采用FEC編碼技術相關的一個重要問題是，CDR輸入抖動造成的誤碼是隨機間隔的，還是突發形式。這個問題的確切答案取決于許多因素，如CDR的電路結構，但一般來說，CDR輸入抖動導致的誤碼主要是由數據和恢復時鐘之間的短暫同步錯誤引起的，許多次同步錯誤就會導致突發誤碼。

4 測試數據

為了說明抖動和突發誤碼對千兆位FEC數字接收器的影響，在接與不接CDR的情況下，分別對兩種接收器的各種參數進行測試。第一個接收器是常規的2.5 Gbps接收器，包括一個PIN二極管、一個低增益TIA和一個限幅放大器。第二個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，BER=10-10)之間的關系如圖2所示。假設FEC修正可以補償10-5～10-4的 BER，可以預見，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。在每個接收器輸出串接低成本CDR(MAX3872)后，圖2同樣給出了相應的誤碼率。以此作為參考，可以得出以下結論：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)。由于接收器抖動特性的影響，實際獲得的FEC編碼增益遠低于預計值。

對于LG接收器，CDR的輸出信號在BER為10-8時出現失鎖(LOL)，此時的輸入信號強度約比典型靈敏度低0.5 dB(圖2)。當CDR與HG接收器配合使用時，當輸入信號強度比典型靈敏度低2 dB時開始出現失鎖。雖然出現失鎖并不能說明一定出現了誤碼或突發誤碼，但此時CDR輸入的抖動已經接近或達到了最大抖動容限。用誤碼分析儀對兩種接收器的突發誤碼發生概率進行觀察發現，在圖2所示的LOL點處，偶爾會出現較長的突發誤碼(＞20位)。圖3給出了連接CDR和不接CDR時HG接收器的突發誤碼概率分布，此時誤碼率約為10-5。不串接CDR時，可以預見突發誤碼是由隨機事件引起的。串接CDR時，出現的突發誤碼延長到30個連續位以上，并會導致編碼增益大為降低。對于這類突發誤碼，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。

通過測量整個鏈路 (發送器-＞光電二極管-＞TIA-＞LA)的抖動特性，并將測試結果與CDR的額定抖動容限相比較，可以進一步確定失鎖和突發誤碼發生的位置。圖4標出了LG和HG接收器的鏈路抖動超過MAX3872 CDR抖動容限的大概位置。由圖4可知，輸入功率高于歸一化靈敏度時，LG接收器比HG接收器的抖動小，但隨著輸入功率接近并低于此靈敏度時，抖動將迅速增大。主要原因是與TIA輸出信號相比，限幅放大器的靈敏度很高。換句話說，TIA增益太低，從而導致輸出無法達到LA的最小輸入電平要求。假設已最大限度地降低了發送器的抖動，通過以上分析可知，當在GPON系統采用FEC技術時，應根據以下原則選取器件。

(1)選擇高性能TIA。選擇合適的TIA是成功實現FEC方案的關鍵要素。假設使用常規的數千兆位限幅放大器，如 MAX3747(靈敏度為 2 mV～4 mV)，則 TIA應具備低 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或更低的情況下應具有10-10的BER，而且TIA的增益應該足夠大，這樣一來，當輸入信號比BER為10-10時的輸入電平又小2 dB～3 dB時，仍可保證其輸出信號相對于LA靈敏度來說足夠大。假設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，就可以提供足夠的裕量，以應對溫度變化和器件之間的性能差異，同時滿足GPON的要求。

(2)選擇帶外部參考時鐘的CDR。可采用抖動容限較高的CDR來提高FEC編碼增益。雖然MAX3872的抖動容限相當好，但帶外部參考時鐘的CDR通常具有更高的抖動容限。由于OLT包含主系統時鐘，參考時鐘僅僅用于控制時鐘恢復至OLT頻率，因此必須慎重選擇CDR，這樣才可以提供高的抖動容限。采用這一方案的缺點是所需參考時鐘和/或具有足夠抖動容限的低成本CDR會使成本較高。

[1]Maxim應用筆記.Jitter in Digital Communication Systems，Part 2.

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