最大化光纖網路頻寬利用率　爆發模式限幅後置放大器興起

資料來源：思科(01/2012) 表1 全球網際網路流量密度(包含2017年的預測)

與本世紀前10年相比，目前10年的網際網路流量成長趨勢並非因使用者基數大量增加所致，相對地，此體現出所消耗資料和使用者習慣方面已發生根本性變化。據思科(Cisco)預測，2012至2017年，消費者網際網路協議(IP)流量的複合年成長率(CAGR)為23%，但全球新使用者的成長率不超過5%。

網路資料流量大爆發　影音內容為主要增長來源

導致流量成長的因素有幾種，這些因素也解釋了這種趨勢如何對資料消耗量統計資料和網路物理層技術產生影響。其中影響最大的因素可能是，內容已不再以文字與圖形為主，相對地，以文件或串流媒體格式呈現的全動態視訊日益增多。

在2015年，視訊將占據網際網路流量的一半以上；到2017年，則將占據全部IP流量的四分之三(表2)。因為越來越多視訊內容以1,920×1,080(FHD)高解析度格式呈現，這種格式要求視訊在壓縮之後大致達到10Mbit/s的頻寬--約為標準解析度(SD)編碼的五倍多。

資料來源：思科(01/2012) 表2 按內容類型分類的IP資料流量(包含2017年的預測)

新的視訊顯示技術持續突破解析度極限和QXGA(2,038×1,536)、WQXGA(2,560×1,600或2,560×1,440)等下一代格式，而4K數位影院還須進一步提高頻寬方能實現。

高解析度的內容發展推升更高速物理層的需求，光纖連接遂肩負起提供頻寬、傳輸距離、抗串擾和電磁干擾、小體積及耐用性等任務。對於像伺服器群儲存區域網路(SAN)和存取網路的最後一英里鏈路這樣迥異的應用而言，這些都是滿足日益成長的流量需求的必要條件。

與同軸電纜相比，光纖鏈路在最後1英里應用中尤其享有顯著優勢。舉例來說，相較於同軸電纜的10dB/km，高純度玻璃纖維的衰減僅為0.15dB/km左右。

限幅後置放大器提升PON訊息接收度

被動光纖網路(PON)鏈路有許多種基於標準的方法(表3)。目前，1.25和2.5Gbit/s饋送占據著PON存取網路應用的主導地位，如光纖到鄰里(FTTN)、光纖到路邊(FTTC)、光纖到駐地(FTTP)和光纖到府(FTTH)，統稱FTTx。然而，隨著服務提供商開始採用10GEPON、XGPON.1及最近核准的XGPON.2等更新的協議，10Gbit/s技術正逐漸脫穎而出。

表3 基於標準的PON技術和資料速率

對於光線路終端(OLT)而言，典型的物理層介面接收器由光偵測器二極管、轉移阻抗放大器(TIA)和爆發模式限幅後置放大器(LPA)組成(圖1)。在許多部署中，光偵測器和TIA是做為光接收器子系統(ROSA)而組合包裝的。

圖1 交流耦合PON物理層介面接收器範例

以麥瑞(Micrel)推出的限幅後置放大器SY88149NDL和SY88349NDL為例，針對1GEPON、GPON和XGPON.1 OLT接收器，爆發模式LPA分別支援1.25和2.5Gbit/s的資料速率。針對下一代10GEPON，SY88053CL和SY88063CL限幅後置放大器還支援維持鏈路效率及最大化頻寬利用率所需的快速訊號遺失/訊號偵測(LOS/SD)偵測時間。

OLT接收器可以採用時域多路複用方法，偵測到來自不同光網路終端(ONT)或光網路單元(ONU)單元，且離中心局不同距離的爆發訊號(資料)。這些訊號以不同功率水平到達接收器，被保護時間隔開，保護時間從數十奈秒(ns)到數百奈秒不等。如此一來，如果設計師要構思一款能在短時間內處理功率轉換，並避免對有用資料造成任何損失的接收器，就會面臨巨大挑戰。

上述的LPA可提供有助於簡化PON OLT設計的一系列功能，並確保上行通道的穩健運作。LPA顯示接收到的訊號能為可靠的訊號處理提供足夠振幅的LOS/SD狀態輸出；LOS/SD電路一般提供4dB遲滯，藉此避免最小振幅臨界值附近的訊號出現抖動。對1GEPON/GPON而言，SD斷言(LOS解除斷言)時間通常為5~7奈秒，10GEPON的時間一般則為75~120奈秒。

透過驅動可返回LOS/SD輸出的JAM輸入，設計師可以部署一項輸出抑制功能。該功能支援LPA阻斷不可靠的訊號，以固定狀態控制DOUT和/DOUT，直到輸入訊號的振幅足以引起LOS/SD輸出變為切換狀態。LPA可以處理小到5mVpp和大到1,800mVpp的訊號。

PON訊號處理穩健性在新款的限幅後置放大器中獲得了進一步提升，除了可支援噪訊識別器功能，還能避免因高增益應用內的噪訊而造成錯誤LOS解除斷言或SD斷言。噪訊識別器可過濾輸入資料，在接收到有效的PON 1.244/1.250Gbit/s (SY88149NDL)或2.488Gbit/s(SY88349)前導位元流(101010)時，可僅觸發LOS/SD轉換。

以SONET/SDH、光纖通道、CPRI和1GbE為例，這些採用其他訊號速率或沒有與PON相似的前導字的應用會脫離噪訊識別器。

LPA接收器電路能以交流或直流耦合運作，然而，直流耦合電路要求TIA和LPA具備相容的共模電壓，該電壓會極大地限制設計師為這兩種重要功能選擇最佳組件的能力。交流耦合可以讓設計師免於選擇適用於最佳參數性能組合的TIA或ROSA及LPA。

交流耦合能減輕直流耦合在組件選擇方面的限制，但其本身卻會構成兩大設計挑戰：輸入非歸零碼(NRZ)訊號呈現連續相同數位(CID)長字符串時會產生第一大挑戰。一般來說，每種通訊協議都會指定一個最大CID，為耦合網路的時間常數提供保護(圖2)。

圖2 耦合網路的時間常數必須足夠長，這樣才能適應訊號協議的CID限制。

序列資料爆發呈現出顯著不同的振幅(例如，強弱資料爆發交替出現)時，會產生另一個問題。OLT接收器電路的耦合網路必須達到協議保護時間內的可接受直流工作點和前導字，才能避免資料損失(圖3)。

圖3 耦合網路的時間常數必須夠短，直流層才能在爆發間隔保護時間以內確定。

這兩大問題共同限制了耦合網路的時間常數--最大CID可建立時間常數的最小值，輸入訊號振幅的變化性可確定時間常數的最大值。

針對這個問題，採用帶可切換時間常數的耦合網路，是較為簡單實惠的解決方案(圖4)。在訊號爆發期間，耦合電容器C5和C6建立了時間常數，一對5,000歐姆(Ω)的電阻用於調節CID限制。

圖4 雙時間常數耦合網路可以為可能包含CID長字符串的資料流優化TIA/LA介面，恢復爆發間隔保護時間期間的共模工作點。

電阻器還可為輸入緩衝器建立共模工作點。在訊號爆發之間，複位訊號會關閉DPST固態開關，該開關連接著與原始5,000歐姆電阻對平行的5.1歐姆電阻對，關閉開關能將耦合時間常數減小到千分之一，將輸入緩衝器快速複位到其原始的共模工作點。

限幅後置放大器可最大化通道利用率

美國是全球最大的資料消耗市場之一，在其歷史上，DOCSIS標準適用的同軸電纜物理媒介占據著寬頻接入網路的主導地位。2013年5月，FTTx服務市場滲透率僅為8.4%，然而，在很大程度上可能並非由於消費者對FTTx興趣缺缺，而是由於其可用性有限。

展望未來，受美國聯邦通訊委員會「Gigaibit城市挑戰」、高校聯盟Gig.U及Google光纖計劃的推動，所有計劃均旨在向住宅使用者提供1Gbit/s服務，而基於光纖的寬頻連接可能更具優勢。

相比之下，當前美國平均寬頻連接可提供10Mbit/s的總頻寬，可用的DOCSIS 3.0服務與Google光纖最高達100?150 Mbit/s的服務價格相近。

針對高資料速率服務的LPA支援各種協議和應用，儘管訊號協議各不相同，但這一階段的訊號處理要求與XGPON.2 ONU、ONT，以及基於光纖或銅的共模應用(包括10GE企業資料通訊、光纖通道SAN及開放式基站架構倡議(OBSAI))類似。

資料消耗量迅速上升，很大程度上是傾向於視訊內容的強大趨勢和從低清晰度格式向HD及更高解析度格式轉變的結果。FTTx、SAN和企業資料通訊應用中的PON網路依靠接收器通道內的限幅後置放大器提供增益、偵測有效訊號及適應不斷變化的訊號振幅，藉此最小化位元錯誤率(BER)和最大化通道利用率。

(本文作者Tom Kapucija為麥瑞高速通訊業務部行銷總監；Abdennour Mezerreg為資深應用工程師)