專利名稱：城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，是一種具有3R功能，即信號放大(Reamplifying)、整形(Reshaping)、再生(Regenerating，或稱Retiming重定時)的智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，支持從30Mb/s至2.5Gb/s之間各種速率的信號傳輸并有光層傳輸參數(shù)監(jiān)視和控制功能，適用于對輸入數(shù)據(jù)協(xié)議和比特率透明性要求較高的城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。屬于光通信網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的各組成單元提出了新的要求。在基于RPR的新型城域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，由于需要接入從T1/E1、DS3/E3、OC-3、OC-12、OC-48、PoS、10/100BT、GBE等多種速率與協(xié)議的數(shù)據(jù)，對作為物理層接口的光轉(zhuǎn)發(fā)器提出了更高的要求不僅能夠完成信號的再生功能，消除由傳輸和交換帶來的各種噪聲，還要盡量做到對信號格式與速率的透明，以提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與配置的靈活性；另外還要具有智能性，即能夠?qū)崟r監(jiān)控信號的傳輸質(zhì)量，使得高層管理者盡可能多的掌握底層的工作狀況。用一句話總結(jié)，新一帶的光轉(zhuǎn)發(fā)器需要在其3R功能(消除噪聲)、智能化的基礎(chǔ)上兼具透明性(對信號速率與格式自適應(yīng))。
對光轉(zhuǎn)發(fā)器如何實(shí)現(xiàn)3R功能已有大量的文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，具體可分為兩大類全光的3R方案與光/電/光方案。全光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器的主流方案可以實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)據(jù)透明傳輸，比如B.Sartorius等人在International Conference onTransparent Optical Networks ICTON 2001，pp.333-337上提到的＂3R regenerationfor All-Optical Networks＂，和F.Devaux在17th International Semiconductor LaserConference 2000，pp.5-6上提到的＂All-optical 3R regeneratorsstatus andchallenges＂，等等。但是，全光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器在傳輸質(zhì)量的提高方面存在一些不足，比如不能消除由色散累積和非線性等傳輸效應(yīng)帶來的噪聲，而且這種方案在技術(shù)上還遠(yuǎn)未成熟，性能還不穩(wěn)定，成本很高，在近期還看不到它的應(yīng)用前景。光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于現(xiàn)有的光通信系統(tǒng)中，無論是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腟ONET/WDM長途骨干網(wǎng)還是SONET/ATM/高端路由器互聯(lián)的城域核心網(wǎng)，都采用了光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器作為物理層的光接口。光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器最大的優(yōu)勢在于它實(shí)現(xiàn)了完全的信號再生，能夠提供與數(shù)據(jù)始發(fā)端相同的信號質(zhì)量，大大擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸距離。但是它不具有透明性，一臺特定的光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器只能工作在其工作頻率及附近一個很小的范圍內(nèi)。造成這種情況的原因是電域的時鐘提取與同步技術(shù)——無論是鎖相環(huán)技術(shù)還是高速濾波技術(shù)，都只能在一個很窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)時鐘同步，全頻率的時鐘提取(比如從幾十MHz到數(shù)十GHz)在目前看來如果沒有重大的理論突破還無法實(shí)現(xiàn)?；谝陨显?，“光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器不具比特率透明性”的觀點(diǎn)已經(jīng)被業(yè)界普遍接受。
雖然無法實(shí)現(xiàn)最高至GHz的時鐘同步，但是同一量級的頻率檢測已經(jīng)有可能實(shí)現(xiàn)。頻率檢測技術(shù)采用脈沖寬度自相關(guān)技術(shù)，應(yīng)用可編程的脈沖計(jì)數(shù)器結(jié)合高速壓控振蕩器(VCO)，把輸入頻率與某一輸出參數(shù)(比如電流)對應(yīng)起來，通過測量該輸出參數(shù)就可以估計(jì)出輸入信號頻率范圍。T.C.Banwell和N.K.Cheung在Optical Fiber Communication Conference′99/the InternationalConference on Integrated Optics and Optical Fiber Communication OFC/IOOC′99，pp.PD10/1-PD10/3上提到的＂A programmable rate detector for rapidreconfigurable rate-transparent optical networks＂就是采用這種方法實(shí)現(xiàn)了從10Mb/s到1.3Gb/s的頻率檢測，分辨率可達(dá)數(shù)十Mb/s。目前這種頻率檢測技術(shù)尚未應(yīng)用于2.5Gb/s的比特率自適應(yīng)智能化光轉(zhuǎn)發(fā)器。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)加以利用與改進(jìn)，把頻率檢測技術(shù)與已實(shí)現(xiàn)商用的多鎖相環(huán)數(shù)據(jù)與時鐘再生電路(CDR)和多參考時鐘發(fā)生模塊相結(jié)合，采用負(fù)反饋控制原理完成輸入數(shù)據(jù)信號的速率自適應(yīng)過程。本發(fā)明設(shè)計(jì)的新的光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)在于由數(shù)據(jù)再生單元和時鐘提取單元構(gòu)成的比特率自適應(yīng)信號重定時與再生功能模塊，其特點(diǎn)是所有功能單元均可由已實(shí)現(xiàn)商用的芯片或模塊構(gòu)成，使用通用DSP或者FPGA即可完成信號頻率鎖定的負(fù)反饋控制。
本發(fā)明轉(zhuǎn)發(fā)器由7個功能單元與兩個內(nèi)外部監(jiān)控接口組成光電轉(zhuǎn)換單元、前置放大單元、限幅與后放單元、數(shù)據(jù)再生單元、時鐘提取單元、光發(fā)送單元和監(jiān)控單元，內(nèi)部監(jiān)控接口和網(wǎng)管接口。
光電轉(zhuǎn)換單元的輸出經(jīng)前置放大單元連接到限幅與后放單元的輸入端，限幅與后放單元的輸出分別連接數(shù)據(jù)再生單元和時鐘提取單元，數(shù)據(jù)再生單元的輸出經(jīng)光發(fā)送單元送入光信道。時鐘提取單元的輸出時鐘信號返回到數(shù)據(jù)再生單元，再經(jīng)光發(fā)送單元送入光信道。各功能單元通過內(nèi)部監(jiān)控接口與監(jiān)控單元連接，監(jiān)控單元通過網(wǎng)管接口和上級管理者連接。
光電轉(zhuǎn)換單元由一般的商用PIN或APD模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)把輸入光信號轉(zhuǎn)化為電信號。前置放大單元接收光電轉(zhuǎn)換單元輸出的微弱光電流，對其進(jìn)行初步放大至毫伏～伏量級(取決于輸入光功率)。限幅與后放單元接收前置放大單元輸出的信號并放大、限幅于通用電平格式所要求的數(shù)量級(一般為伏特)，輸出信號送入數(shù)據(jù)再生單元與時鐘提取單元。以上單元可以由成熟的商用芯片構(gòu)成。數(shù)據(jù)再生單元接收限幅與后放單元的數(shù)據(jù)與時鐘提取單元的時鐘，完成數(shù)據(jù)再生功能。時鐘提取單元接收限幅與后放單元的數(shù)據(jù)，從中提取時鐘送往數(shù)據(jù)再生單元。數(shù)據(jù)再生單元采用了上面提到的10Mb/s到1.3Gb/s頻率檢測技術(shù)。光發(fā)送單元由固定波長或可調(diào)諧波長激光器構(gòu)成，將再生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號重新發(fā)送到光路上，可選用可調(diào)諧激光器、DWDM或CWDM系統(tǒng)用激光器。監(jiān)控單元通過內(nèi)部監(jiān)控接口與各單元相聯(lián)，完成系統(tǒng)的監(jiān)視與控制以及數(shù)據(jù)與時鐘再生的負(fù)反饋控制功能，通過網(wǎng)管接口與上級管理者相聯(lián)。監(jiān)控單元的主要組成部分是高速單片機(jī)或FPGA編程實(shí)現(xiàn)的微控制器(MCU)。內(nèi)部監(jiān)控接口定義了一組轉(zhuǎn)發(fā)器工作狀態(tài)與控制信息和數(shù)據(jù)再生電路工作狀態(tài)與設(shè)置參數(shù)，把各組成單元與監(jiān)控單元連接起來。網(wǎng)管接口定義了一組網(wǎng)絡(luò)管理參數(shù)，是轉(zhuǎn)發(fā)器與上級管理者的接口。
本發(fā)明的智能化光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器與現(xiàn)已廣泛商用的光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器和正在廣泛研究的全光3R轉(zhuǎn)發(fā)器相比，具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和有益效果，具體表現(xiàn)在●速率透明性兼容30Mb/s與2.5Gb/s之間各種速率的信號，時鐘提取單元配合數(shù)據(jù)再生單元和監(jiān)控單元完成速率透明的信號重定時功能?！窨尚行圆⒉灰髸r鐘提取單元具有最高至2.5Gb/s的時鐘同步能力，而是識別出輸入信號速率所處的區(qū)間(＜1.4Gb/s)，通過監(jiān)控單元設(shè)置數(shù)據(jù)再生單元實(shí)現(xiàn)某一特定速率數(shù)據(jù)的再生。數(shù)據(jù)再生單元和時鐘提取單元均采用已經(jīng)商用化的芯片。●功能模塊化如果不用光電轉(zhuǎn)換單元和前置放大單元，通過適當(dāng)調(diào)整限幅與后放單元即為智能化電/光轉(zhuǎn)發(fā)器的解決方案，可實(shí)現(xiàn)各類協(xié)議的電支路信號透明地接入光城域網(wǎng)。●靈活性通過選擇波長可調(diào)諧的光發(fā)送單元，配合監(jiān)控單元能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電信號與輸出光信號的波長指配；通過選擇光電轉(zhuǎn)換單元的接收靈敏度與過載光功率參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同輸入功率容限的光轉(zhuǎn)發(fā)器?！裰悄芑O(jiān)控單元能夠完成各種光層傳輸特性參數(shù)的提取與設(shè)置任務(wù)，并通過與高層管理者的接口可以實(shí)時地把輸入光纖與轉(zhuǎn)發(fā)器失效狀態(tài)告知管理者，以實(shí)現(xiàn)毫秒量級的自動保護(hù)倒換功能。


與
具體實(shí)施例方式為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖與實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
圖1光/電/光的3R光轉(zhuǎn)發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2時鐘與數(shù)據(jù)再生電路(CDR)功能模塊圖。
圖3CDR工作頻率范圍選擇示意圖。
圖4本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在RPR城域接入網(wǎng)中應(yīng)用示意圖。
圖5本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在RPR城域骨干網(wǎng)中應(yīng)用示意圖。
圖6本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在WDM城域交叉連接設(shè)備中應(yīng)用示意圖。
附圖1為本發(fā)明智能化光/電/光3R光轉(zhuǎn)發(fā)器的體系結(jié)構(gòu)。光電轉(zhuǎn)換單元1的輸出經(jīng)前置放大單元2連接到限幅與后放單元3的輸入端，限幅與后放單元3的輸出分別連接數(shù)據(jù)再生單元4和時鐘提取單元5，數(shù)據(jù)再生單元4的輸出經(jīng)光發(fā)送單元6送入光信道，時鐘提取單元5的輸出返回到數(shù)據(jù)再生單元4，再經(jīng)光發(fā)送單元6送入光信道。各功能單元通過內(nèi)部監(jiān)控接口8與監(jiān)控單元7連接，監(jiān)控單元7通過網(wǎng)管接口9和上級管理者連接。
輸入光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換單元1轉(zhuǎn)化為電信號后，通過前置放大單元2和限幅與后放單元3將信號電平調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)形式。光電轉(zhuǎn)換單元1和前置放大單元2可以采用商用的一體化模塊，也可以自行設(shè)計(jì)。光電轉(zhuǎn)換單元1和前置放大單元2均為低通頻率特性，最高工作頻率以下各速率等級信號可以無損通過。限幅與后放單元3將信號放大、調(diào)整為固定電平，應(yīng)該選用低通頻率特性的解決方案(已有商用芯片)。由數(shù)據(jù)再生單元4和時鐘提取單元5組成的信號再生電路完成3R功能，去除色散、放大器噪聲、串?dāng)_以及各種非線性效應(yīng)帶來的噪聲，再經(jīng)光發(fā)送單元6送入光信道。光發(fā)送單元6可根據(jù)系統(tǒng)要求選用可調(diào)諧激光器、DWDM或CWDM系統(tǒng)用激光器，并依傳輸距離選擇其色散容限參數(shù)。監(jiān)控單元7通過內(nèi)部監(jiān)控接口8和網(wǎng)管接口9與內(nèi)部各功能單元和上級管理者連接。內(nèi)部監(jiān)控接口8定義的各參數(shù)分類如下表所示。網(wǎng)管接口9取決于具體的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)現(xiàn)方式。

本發(fā)明的數(shù)據(jù)再生單元4和時鐘提取單元5構(gòu)成比特率自適應(yīng)信號重定時與再生功能模塊，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。信號重定時與再生功能模塊包括速率檢測模塊、多時鐘產(chǎn)生模塊和多等級CDR模塊，速率檢測模塊接收從限幅與后放單元3來的輸入信號，其輸出由多時鐘產(chǎn)生模塊接收。多等級CDR模塊接收輸入信號和多時鐘產(chǎn)生模塊的輸出，并將再生后的數(shù)據(jù)送入圖1中的光發(fā)送單元6。監(jiān)控單元7通過內(nèi)部監(jiān)控接口8連接速率檢測、多時鐘產(chǎn)生與多等級CDR模塊。
其中速率檢測模塊即為采用脈沖寬度自相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的從10Mb/s到1.3Gb/s的頻率檢測器，它判斷輸入數(shù)據(jù)速率處于哪一個頻率區(qū)間，將結(jié)果告知監(jiān)控單元7的MCU。MCU據(jù)此設(shè)置多時鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相應(yīng)參考時鐘，并通過f_sel、d_sel和v_sel設(shè)置多級CDR模塊。如果達(dá)到頻率同步，多級CDR模塊G73S5-9489-7800000將發(fā)送同步狀態(tài)指示信號lock_state告知MCU，否則MCU將嘗試重新設(shè)置同步控制參數(shù)，直至收到同步指示信號lock_state。多級CDR模塊是一種商用的可編程時鐘與數(shù)據(jù)再生芯片，通過其內(nèi)置的一組不同頻率段的鎖相環(huán)電路完成各種速率等級的時鐘提取功能，其設(shè)置一般通過對f_sel、d_sel和v_sel引腳外加跳線手工完成。其中，f_sel設(shè)置15芯片內(nèi)部參考時鐘，d_sel設(shè)置分頻比率，v_sel與d_sel一起決定選用哪一個內(nèi)部鎖相環(huán)電路。一個常用的多等級CDR芯片的頻率分級如圖3所示。
由于速率檢測模塊只能工作于1.3Gb/s以下，由圖3可見，在此頻率以上還存在兩個工作頻率區(qū)間。這樣，在高于1.3Gb/s的情況下只能通過MCU的負(fù)反饋控制來確定是否實(shí)現(xiàn)了時鐘同步。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在1.3Gb/s與2.5Gb/s之間絕大多數(shù)情況是OC-48(2.5Gb/s)頻率等級，因此在MCU控制策略中應(yīng)預(yù)先假設(shè)輸入數(shù)據(jù)處于2.5Gb/s左右的頻率范圍內(nèi)。
在輸入數(shù)據(jù)速率改變時，本方案實(shí)現(xiàn)的時鐘與數(shù)據(jù)再生單元能夠在數(shù)百毫秒～秒的時間范圍內(nèi)完成重定時功能，具體時間取決于數(shù)據(jù)速率改變的幅度。如果假設(shè)速率檢測模塊與MCU均作出了正確的判斷，該單元可以在100毫秒以內(nèi)達(dá)到時鐘同步。這個過程由以下五個時間段組成1，MCU收到未同步的狀態(tài)信息，對速率檢測模塊發(fā)出啟動指令(～20ms)；2，速率檢測模塊作出判斷(～50ms)；3，多時鐘模塊產(chǎn)生參考時鐘，同時MCU正確設(shè)置f_sel、d_sel和v_sel(～10ms)；4，多等級CDR鎖定輸入時鐘，并發(fā)出同步狀態(tài)信息(～1ms)；5，MCU確認(rèn)同步工作狀態(tài)(～10ms)。
圖4為本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在RPR城域接入網(wǎng)中應(yīng)用示例。圖中光轉(zhuǎn)發(fā)器作為低端路由器、邊緣交換機(jī)等設(shè)備接入RPR環(huán)網(wǎng)的光層接口。圖5為本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在RPR城域骨干網(wǎng)中應(yīng)用示例。無論是構(gòu)建在RPR環(huán)網(wǎng)上的高端路由器互聯(lián)，還是RPR核心交換機(jī)互連，都可以采用本發(fā)明的光轉(zhuǎn)發(fā)器作為光層傳送設(shè)備。另外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于將來基于OADM和OXC的WDM智能光交換網(wǎng)中，如圖6為本發(fā)明提出的光轉(zhuǎn)發(fā)器在WDM城域交叉連接設(shè)備中應(yīng)用示例，圖中，轉(zhuǎn)發(fā)器被用于多個全光透明子網(wǎng)的互聯(lián)接口。
權(quán)利要求
1.一種城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，其特征在于主要包括光電轉(zhuǎn)換單元(1)、前置放大單元(2)、限幅與后放單元(3)、數(shù)據(jù)再生單元(4)、時鐘提取單元(5)、光發(fā)送單元(6)、監(jiān)控單元(7)以及內(nèi)部監(jiān)控接口(8)和網(wǎng)管接口(9)，電轉(zhuǎn)換單元(1)的輸出經(jīng)前置放大單元(2)連接到限幅與后放單元(3)的輸入端，限幅與后放單元(3)的輸出分別連接數(shù)據(jù)再生單元(4)和時鐘提取單元(5)，數(shù)據(jù)再生單元(4)的輸出經(jīng)光發(fā)送單元(6)送入光信道，時鐘提取單元(5)的輸出返回到數(shù)據(jù)再生單元(4)，再經(jīng)光發(fā)送單元(6)送入光信道，各功能單元通過內(nèi)部監(jiān)控接口(8)與監(jiān)控單元(7)連接，監(jiān)控單元(7)通過網(wǎng)管接口(9)和上級管理者連接。
2.如權(quán)利要求1所述城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，其特征在于數(shù)據(jù)再生單元(4)和時鐘提取單元(5)構(gòu)成的比特率自適應(yīng)信號重定時與再生功能模塊，包括速率檢測、多時鐘產(chǎn)生和多等級CDR模塊，速率檢測模塊接收從限幅與后放單元(3)來的輸入信號，其輸出由多時鐘產(chǎn)生模塊接收，多等級CDR模塊接收輸入信號和多時鐘產(chǎn)生模塊的時鐘，并將再生后的數(shù)據(jù)送入光發(fā)送單元(6)。
3.如權(quán)利要求2所述城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，其特征在于其中的速率檢測模塊采用脈沖寬度自相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的從10Mb/s到1.3Gb/s的頻率檢測器。
4.如權(quán)利要求1所述城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器，其特征在于數(shù)據(jù)再生單元(4)采用商用化的時鐘與數(shù)據(jù)再生芯片，內(nèi)置一組實(shí)現(xiàn)各個頻率段的時鐘提取功能的鎖相環(huán)電路，工作頻率區(qū)間由時鐘提取單元(5)和監(jiān)控單元(7)設(shè)置，數(shù)據(jù)再生單元(4)的同步狀態(tài)信息由監(jiān)控單元(7)獲得并據(jù)此調(diào)整時鐘提取單元(5)，通過負(fù)反饋控制實(shí)現(xiàn)任意頻率的時鐘同步。
全文摘要
一種城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)用智能化光/電/光轉(zhuǎn)發(fā)器,光電轉(zhuǎn)換單元把輸入光信號轉(zhuǎn)化為電信號,經(jīng)前置放大單元初步放大、限幅與后放單元放大、限幅后送入數(shù)據(jù)再生單元與時鐘提取單元,完成數(shù)據(jù)再生功能,光發(fā)送單元將再生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光信號重新發(fā)送到光路上。監(jiān)控單元通過內(nèi)部監(jiān)控接口與各單元相聯(lián),完成系統(tǒng)的監(jiān)視與控制以及數(shù)據(jù)與時鐘再生的負(fù)反饋控制功能,通過網(wǎng)管接口與上級管理者相聯(lián)。本發(fā)明具有信號放大、整形、再生3R功能,結(jié)合了電域信號再生的有效性與光層數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖赃m應(yīng)透明性,可用于需兼容各種傳輸速率與數(shù)據(jù)協(xié)議,并且具有50ms生存性的下一代城域彈性分組光纖環(huán)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備中。
文檔編號H04B10/02GK1381960SQ0211196
公開日2002年11月27日 申請日期2002年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月6日
發(fā)明者朱栩, 曾慶濟(jì), 楊旭東 申請人:上海交通大學(xué)