摘 要： 論述了G.652專網用“混合波分”通信設備的設計方案及其指導思想。該設計方案適合于專業通信網的特點，能夠滿足專業通信網和電力通信的需要。
??? 關鍵詞： DWDM；CWDM；OADM；混合波
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現有技術的光波分設備有2種：密集波分復用(DWDM)和稀疏波分復用(CWDM)。它們各有優勢：DWDM通信容量大，高達60 Gb/s～120 Tb/s，它適用于電信部門的長途干線和骨干網，由于采用溫調激光器，其設備造價高；CWDM通信容量相對較小，適用于短距的城域網，由于采用電調激光器，設備造價低，約是DWDM的20％，但不適于中上容量及中長距離的專網應用。
??? 眾所周知，電信部門的通信網通信容量巨大，一般采取專用光芯傳送波分信號。而專用通信網卻不同于電信網，其通信容量需求不是特別大，通信線路相對較短。而小容量的近距城域網等級又嫌不足。但卻要求通信設備可靠性高、造價適中、功能齊全、光轉接靈活、容量適中、中等以上傳輸距離。DWDM及CWDM均難以滿足通信專網的要求。
??? 另外，傳統的波分設備不具備2 M分插交換，需另加OADM設備，不具備與原有SDH在線設備(1 310 nm或1 550 nm波長)與波分設備的捆綁共芯傳輸，不能保護原專網在用SDH設備的原有投資。
??? 為此，針對專網應用，研究設計了一種混合波分設備。該技術方案的思路如下：
??? (1)采用特定技術將2種波分(稀疏波分CWD和密集波分DWD)波長適當混合或排列組合及相關處理，使之符合國際ITU-T/G.694.2和G.695標準后進行發送、接收，使兩波的優勢互補，提高收發設備性價比。實現了中容量、中距離擴容傳輸。
??? (2)提取DWD、并輔以直接光交叉切換或分插(OADM)，實現光信號直通轉接或2 M上下分插。
??? (3)開孔預置1 310 nm和1 550 nm 2個無源窗口，實現在G.652雙窗口光纖上與舊SDH設備共芯無縫隙接入(雙窗口開孔)。并可覆蓋O＋E＋S＋C＋L波段，有效利用通信光譜資源。
??? 該科研項目以中低造價實現了中容量(20～60 Gb)、中距離(100 km無中繼，500 km無再生)的數據傳輸、光直接交換和本地OADM分插轉接，它支持SDH、ATM、SONET、DDN、GPON、RPR、MPLS、MSTP等多種業務，并通過雙窗口實現與原有1 310 nm及1 550 nm SDH光端設備的共纖芯捆綁傳輸，以滿足電力及其他專業通信網(石油、鐵路等)的需要。
??? 該方案由OTU、接口、MCU、OPMS、背板PCB等部分構成系統設計來實現。
1 OTU方案設計
??? OTU板完成光波長的轉換，向網管提供OTU相應的狀態信息，以I2C的形式傳送光模塊SFP的信息，監控工作電壓、工作溫度、收發光功率、偏置電流，并打開和關斷光口的光信號。
1.1 設計框架及原理概述
??? OTU設計原理框圖如圖1所示。OTU主要由CWDM/DWDM光收發模塊、用戶端收發模塊、光傳輸時鐘、數據恢復控制電路、網管接口電路、指示電路、開關設置控制電路及信息狀態電路組成。
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??? (1)CWDM/DWDM端的光收發模塊接收來自遠端的光信號，經CWDM/DWDM端的光收發模塊轉換為電信號，經光傳輸時鐘、數據恢復控制電路進行信號處理和同步時鐘整形后，將信號轉送至用戶端的光收發模塊，該用戶端光收發模塊將處理后的電信號轉換成光信號送至用戶端端口。同樣，用戶端傳送過來的光信號以反方式轉換，將處理完善的光電信號發送至遠端的CWDM/DWDM光模塊。
??? (2)信息狀態電路通過I2C總線的形式向網管提供OTU狀態信息，同時光傳輸檢測電路和MCU結合通過相關接口電路向網管提供模塊的相關工作狀態及控制信號。
??? (3)開關設置電路是對光傳輸控制電路進行相應的設置，以控制相關器件及模塊傳輸的工作狀態。
(4)CWDM/DWDM光收發模塊、用戶端的光收發模塊、接口主信號、接收光檢測信號SD等，主要是作為檢測信號提供給OPM作為光監控模塊來監控光功率和光復用段的保護等。
??? (5)網管接口電路與接口的主要信號是16位數據總線、讀寫信號總線、片選總線以及控制總線。主要是通過片選信號選通相應的通道，通過16位數據總線讀取相應的通道信息，由控制信號控制16位數據總線進行設置通道的功能。
??? (6)信息狀態電路與接口是通過I2C總線實現，通過I2C總線可以寫入及讀取模塊信息，同時SFP模塊的光收發模塊的單元可以讀取SFP模塊的接收光功率，發送光功率、工作電壓、工作溫度及偏置電流。
??? (7)指示電路指示相應模塊及部分電路的工作狀態。
1.2 設計波長范圍
??? CWDM波長范圍：1 310 nm～1 610 nm選用11個波。
??? DWDM波長范圍：1 528.77 nm～1 534.25 nm選用8個波。
??? 它們排列組合后DWDM的8個波長插入CWDM，1 530 nm作混合波，1 310 nm和1 550 nm作為雙窗口波，系統總共是由18個波長組成。
1.3 關鍵元器件選定
??? OTU主要是整個系統的傳輸部分，所以選定元器件的原則是需要保證傳輸部分可靠、連續運行、長時穩定；高可靠光收發模塊芯片、時鐘芯片、數據恢復芯片。
??? OTU模塊采用的光模塊主要考慮2種封裝：
(1)SFP封裝(小型可插拔的)，主要考慮替換模塊和使用操作都要方便，可以隨時更換所需的波長及速率；
??? (2)1×9的固定式光收發模塊，此類型模塊應用較廣，采購方便。
??? OTU模塊的時鐘，數據恢復芯片選取美國的ADI公司的CDR(ADN2819)，此芯片主要的功能是將信號放大、處理、整形、再生，將信號進行再處理，以確保數據在傳輸過程的穩定性及可靠性。
1.4 接口要求
??? OTU與背板的接口采用歐式的96針插座， OTU采用公式插座，背板采用母式插座。接口部分采用16位數據信號線、網管信號線、片選信號線I2C數據總線以及讀寫控制總線。
1.5 器件安全性設計
??? 所采用的時鐘數據恢復芯片ADN2819的典型低功耗值為540 mW，減少了板上發熱現象，保證了信號的傳輸穩定性。
??? 在OTU板上，4 A過載保險起到過載保護作用，確保在過載情況下保護板上的主要器件不受損壞。加上2 kV防雷電容，可以同時應對雷擊問題。
1.6 OTU PCB板設計指導思想
??? 在PCB設計中，布線是完成產品設計的重要步驟，由于考慮OTU模塊作為設備的主要傳輸部分模塊，對可靠性、穩定性要求較高，同時4個光模塊共板，加上4個時鐘數據恢復芯片、網管電路及開關設置鎖存電路等芯片較多，故而應特別重視PCB布線的高頻特性。
??? 布線規則可以預先設定，OTU模塊布線主要是微帶線(差分信號)的布線設計，需先保證微帶線的布局合理，保證高頻信號的可靠、正常傳輸，因此，應優先考慮布微帶線，之后再布其他信號線。
??? OTU模塊在設計過程中需考慮其安全性問題，因此OTU模塊增加了防雷措施，同時考慮大面積鋪地，也考慮在PCB模塊的上下外邊框加裝金屬地線導電條，將干擾和靜電導入機殼。
2 系統OPMS模塊方案設計
2.1 性能指標
??? 光功率監測范圍：-30～+20 dBm；
??? 光功率測量精度：1 dB；
??? 光保護倒換時間：<50 ms。
2.2 模塊設計框架
??? 模塊框架如圖2所示。
??? 圖2中OPM功能塊部分原理如圖3所示。
2.3 新器件選用和認證
??? 選用光電對數轉換器芯片ADL53102，它有2個獨立的光接口通道，可同時對2路光路測量。PIN管的響應電流和輸入光功率具有如圖4所示特性：光電流-光功率曲線近似線性關系，由此可以推斷出PIN管輸入光功率(單位dBm)和對數放大器輸出電壓之間近似線性關系。測試結果如圖5所示，可以證明以上器件的轉換關系可以采用。
??? 利用光功率計計量輸入到模塊PIN管之光強，再測量對數放大器的輸出電壓，得到1張光功率/輸出電壓表。再根據這張表擬合出1條輸出電壓/光功率直線。當進行光功率測量時，每測量到1個對數放大器輸出電壓，則可利用已知直線計算出光功率來。
2.4 關鍵技術及其實現
??? (1)單片機控制。利用P89C668實現，內含64 KB程序存儲器(Flash)、8 KB數據存儲器(RAM)，支持ISP編程，控制程序采用KEIL C51編寫，并采用KEIL C51的RTXTINY51實現多任務處理。
??? (2)光電流放大。利用ADL5310實現。
??? (3)A/D轉換。利用MAX127實現。
2.5 單元接口
??? (1)光電流/電壓轉換和放大：利用ADL5310構成。
??? (2)低通濾波：利用TL082構成低通Butterworth濾波器。
??? (3)A/D轉換：采用12位AD轉換器芯片MAX127，利用其I2C協議接口和MCU模擬的I2C接口通信。信號有SDAMAX128和SCLMAX128。
??? (4)MCU(P89C668)控制及與網管卡的接口：利用P89C668本身的I2C接口的中斷機制和網管卡通信，將采集到的光功率信息傳遞給網管卡，并接收網管卡發來的命令信息，控制光功率信息的采集。
2.6 PCB及安全措施
??? PCB板周圍布1圈接大地線，螺絲孔也接大地。
3 MCU硬件設計
??? 模塊原理框圖如圖6所示。
3.1 框圖中單元之間主要信號關系
??? MPC850對Flash、SDRAM、NVRAM送出片選信號和地址信號，開始是從Flash執行引導程序(經由數據總線)，將寫入Flash的操作系統以及應用程序加載到SDRAM，引導程序隨后將控制權交給系統入口程序，然后執行應用程序。
??? 對于I2C總線上的器件，由于是處在一塊板卡上，沒有做片選的必要，對2個EEPROM和溫度傳感器的地址做編碼即可。送出地址信號，選擇唯一的I2C器件。
??? 對ATF1504送出各個板卡的片選信號，同時通過數據控制芯片對指定板卡的數據信息進行讀寫。對各個板卡的讀寫可以通過I2C總線進行。
??? IP175A的基本功能是各個端口的交換(對各個端口的初始配置已由前圖給出)需要說明的是，在AT89C2051對OSC相關的EEPROM進行讀寫的時候，將屏蔽MPC850對這個EEPROM進行讀寫(在AT89C2051的輸出端電路上實現)。
??? MPC850與IP175A的聯系，主要是MPC850通過網口與IP175A完成數據交換的功能。另外，MPC850通過ATF1504的數據鎖存部分完成對IP175A的工作狀態的讀取與寫入控制。
3.2 接口要求及其信號定義
??? 由于MCU與OSC處于同一塊板卡上，所以2個模塊之間的接口融為一體，并設置特別接口。而整個板卡的接口定義如下：
??? (1)數據線：D0～D15；bus_rev2～bus_rev15，預留的信號線。
??? (2)片選線：CS0~CS12網管通過地址線，再經過譯碼器，則可譯出多個片選。CS_rev1、CS_rev2為預留的片選。
??? (3)控制線：OE1、OE2、OE3、RD、WR、SWR。
??? (4)I2C時鐘/數據線：SCLK、SDAT。
??? (5)電源：±12 V、+5 V，每針可通過電流1.5 A。
??? (6)電源狀態檢測信號：VCCA1(電源1，交流)，VCCD1(電源1，直流)；VCCA2(電源2，交流)，VCCD2(電源2，直流)。
??? (7)±12V地 GND_C；大地S_GND；信號地GND。
3.3 關鍵硬件選擇
??? 本設計中關鍵元器件有門陣列、交換芯片。門陣列涉及到軟件的應用，在保證穩定可靠的前提下，選用軟件操作所熟悉的芯片，本設計選用為ATF1504；交換芯片在市面上已經成熟，可根據功能需要選用合適價位的芯片，本設計選型為IP175A。
3.4 模塊安全性設計
??? 對TP port的輸出，考慮了防雷的措施。對于電源的輸入，采用限流的保險絲防止電網峰值電流的影響。重要的防雷電路采用接大地的措施。
3.5 原理設計中監測點說明
??? 各個電源電壓均有測試點；SFP封裝的光收發合一模塊的SD信號具有測試點。
4 系統背板方案設計
??? 系統背板設計為插卡式；系統供電采用集中式供電，要求1+1熱備份，且可熱插拔。
4.1 功能
??? 背板提供各功能模塊卡(OTU、MCU、OPM/OPS、網管)信號的連接接口、功能卡供電的電源接口及電源模塊的接口。此外背板還要提供機箱管理信號(電源、風扇運行狀態)給網管卡。
??? 背板為個卡提供±12 V、+5 V工作電壓。
4.2 背板單元設計
??? 背板總線圖如圖7所示。
??? 原理：從網管卡引出若干控制、數據線到各功能卡，從各OTU將SD/LOS信號引到OPM/OPS卡；背板提供各功能卡的電源。
4.3 性能指標
??? 背板支持AC/DC和DC/DC電源模塊插入。
??? 背板上連接器機械壽命：5 000次。
4.4 單元技術及其接口定義
??? (1)數據線：D0～D15； bus_rev2～9(保留的總線位)
??? (2)片選線：CS0～CS12網管通過地址線，再經過譯碼器，則可譯出多個片選。
??? cs_rev1，cs_rev2：片選保留位
??? (3)控制線：OE1、OE2、OE3、RD、WR、SWR。
??? (4)I2C時鐘/數據線：SCLK、SDAT。
??? (5)電源狀態檢測信號：VCCA1、VCCD1；VCCA2、VCCD2。
??? (6)OTU模塊上光收發模塊的SD/LOS(信號檢測)信號：OTU1～15SD1，OTU1～15SD2
??? (7)電源：±12 V、+5 V。
??? (8)±12 V地 GND_C；大地S_GND；信號地GND。
4.5 關鍵元器件選定
??? 因為系統的背板上不走特別高速的數據(<50 MHz)，而歐式連接器接觸可靠，易于采購，廣泛應用于低速背板系統，因此，選定歐式連接器(母座96針)作為卡連接器。
??? 背板上電源連接器選用華豐HM12 mm電源連接器，此種連接器密度高，連接可靠，可滿足要求。
5 SNMP網管軟件：
??? 由委托生產廠家依該硬件設計方案加個性協議設計后灌入。
6 機箱部分概述
??? 機箱分二部分設計，即將有源和無源部分各設一個機箱，以便雙窗口透明傳輸SDH和本地分插的無源需要。機箱采用19英寸標準，有源6U，無源1U，二部分前面板光連接可以方便構成混合波分光通信的任意系統。
??? 綜上設計所述，該新型“專網混合波分通信設備”經具國家CMA資質單位測試，完全符合ITU-T G/M/V各項標準，在電力通信網OPGW和ADSS的G.652光纖上得到了推廣應用，并獲國家授權專利(ZL200520030892.6)。該設計思想新穎，具有獨創性，為專網通信創造了較好的經濟效益。
參考文獻
[1] 路盧正.通信系統[M].北京：國防工業出版社，2007.
[2] 顧畹儀.全光通信網[M].北京：北京郵電大學出版社，1999.
[3] 楊新輝，邱智亮，鮑民權，等.網絡與接口技術[M].北京：電子工業出版社，2000.