15年前，連接因特網(wǎng)最常見的方式是透過模擬調(diào)制解調(diào)器，再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電話語音信道發(fā)送數(shù)據(jù)。這種技術(shù)采用已經(jīng)部署的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)雙絞電話線，無需對(duì)「最后一哩(last mile)」技術(shù)做任何更改，因此對(duì)使用者來說這種方式非常廉價(jià)，并迅速主導(dǎo)整個(gè)通訊市場(chǎng)。不用挖路鋪線、不用改變中央機(jī)房(CO)，這種方式極具吸引力。

模擬調(diào)制解調(diào)器的峰值速度為56Kbps。為什么是56Kbps？為什么不再高一點(diǎn)？簡(jiǎn)單地說：這不是「理論上」的可能，而是這種理論極限局限了ADSL技術(shù)的發(fā)展舞臺(tái)。

模擬調(diào)制解調(diào)器使用經(jīng)ITU-T委員會(huì)嚴(yán)格規(guī)范的現(xiàn)有語音信道。該通道具有限定帶寬(4kHz，包含防護(hù)頻段)，進(jìn)入Muldex(多任務(wù)器/解多任務(wù)器，Multiplexer Demultiplexer)之前在中央機(jī)房進(jìn)行硬件濾波。Muldex是中央機(jī)房中與電話連接的設(shè)備。

透過4kHz模擬通道可傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率是多少？這個(gè)問題的關(guān)鍵是了解ADSL。

正確的答案是：「取決于信道的噪聲等級(jí)?！笴laude E Shannon早在1948年就給了我們答案，只要噪聲夠低，就能以任意比特率進(jìn)行傳輸，這一結(jié)果有時(shí)候會(huì)給我們驚喜。實(shí)際上，Claude E Shannon更精確地將最大比特率以定量方式與給定信道帶寬和噪聲等級(jí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。可以使用Shannon著名的公式：

Shannon知名公式

其中：C：最大比特率，單位：bit/s(容量)、B：帶寬，單位：H、S/N：通道的訊噪比。

ITU-T規(guī)定語音信道的帶寬和噪聲級(jí)，限定雙絞電話線的實(shí)際最大比特率——56Kbps，非常接近信道容量。

ADSL沒有使用標(biāo)準(zhǔn)語音信道，而是使用另一種信道，打破語音信道的Shannon限制。

在電話系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都透過雙絞線連接中央機(jī)房，雙絞線的使用時(shí)間很短，只在打電話時(shí)才會(huì)用到，而且僅占用低于4kHz的通道帶寬，高于4kHz的帶寬顯然未被使用。ADSL使用未被利用的帶寬，并將低于4kHz的通道帶寬預(yù)留用作標(biāo)準(zhǔn)語音信道。用戶可以在進(jìn)行電話語音通話的同時(shí)交換資料。

ADSL信道有多寬，噪聲有多大？這方面并未標(biāo)準(zhǔn)化，這也就是為什么每個(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器都會(huì)在啟動(dòng)時(shí)測(cè)量線路噪聲，然后根據(jù)用戶信道情況建立最佳比特率。

每個(gè)用戶連接中央機(jī)房的速度取決于信道本身。用戶可以在家用ADSL調(diào)制解調(diào)器的控制面板上讀出線路速率。

ADSL的確是個(gè)非常好的主意。它能更好地利用已經(jīng)埋在地下的線路，無需對(duì)最后一哩做任何修改，而原來的舊電話還能與新技術(shù)兼容。用戶只需在家里接一個(gè)濾波器(即「分離器」)，用來分離電話語音帶寬與ADSL帶寬?？傊?，這種方式簡(jiǎn)單且便宜。

中央機(jī)房中每條線路也配有類似的濾波器。該濾波器將語音信道連接到Muldex，并將線路的高帶寬部分連接到只處理數(shù)據(jù)、名為數(shù)字用戶線接入多任務(wù)器(DSLAM)的新設(shè)備上。電信運(yùn)營商只需要在每個(gè)中心局中靠近每個(gè)Muldex的位置建立一個(gè)DSLAM，就可為客戶提供ADSL服務(wù)。

DSLAM是具有模擬前端(Digital Front End)的純數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。它從一個(gè)廣泛的用戶組中收集所有ADSL數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)通常會(huì)被送到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，在這里進(jìn)行處理并匯集到以太網(wǎng)鏈路。

高速以太網(wǎng)鏈路通常連接到因特網(wǎng)或者透過同步數(shù)字階層(Synchronous Digital Hierarchy， SDH)或光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)(Optical Transport Network，OTN)傳輸。ADSL標(biāo)準(zhǔn)一直不斷演變，而用于連接因特網(wǎng)的DSLAM的后端連接，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置不同可以有多種選擇：以太網(wǎng)絡(luò)、XAUI、SDH和OTN等。

這些是使用FPGA的理想條件，因?yàn)榭山⑼耆沙绦蛟O(shè)計(jì)的后端連接，并可利用可程序設(shè)計(jì)組件達(dá)到不斷發(fā)展演變的ADSL標(biāo)準(zhǔn)要求。ADSL架構(gòu)看起來如此出色，尤其是可以自然地升級(jí)電話網(wǎng)絡(luò)，很難想象人們還想要什么...但是，ADSL有局限性，這就是為什么市場(chǎng)會(huì)朝著被動(dòng)光纖網(wǎng)絡(luò)(PON)技術(shù)發(fā)展。

ADSL的局限性依然由Shannon理論決定。使用雙絞線難以使ADSL速率超過15Mbps。這并非ADSL技術(shù)本身的限制，而是從用戶到中央機(jī)房之間平均距離產(chǎn)生的限制，如果想要更快，我們就必須改變「最后一哩」，同時(shí)還要最大程度減少改變最后一哩所需的成本。當(dāng)然，我們可以向每位客戶提供SDH(挾帶以太網(wǎng)方式)以滿足這些需求，但這種方式太貴了。PON是解決這個(gè)問題的最佳答案，因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠在升級(jí)成本、性能以及最后一哩最少返工成本之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。

服務(wù)提供商將一條光纖通到距離客戶半徑幾百公尺的「路邊」。并非為每個(gè)用戶都提供一條光纖，而是使用一條光纖替代數(shù)十條雙絞線。透過PON分配器為每個(gè)用戶提供光纖，用戶只能訪問自己的那部分來自中央機(jī)房的多播資料，并受加密算法限制。

在上行的方向(圖1所示)，來自每個(gè)用戶的光纖連接到被動(dòng)分配器，并被多任務(wù)到連接中心局的單條光纖。中心局內(nèi)負(fù)責(zé)從光纖接收數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為光纖線路終端(Optical Line Termination，OLT)。這種架構(gòu)與ADSL完全不同，PON的優(yōu)勢(shì)在于，街道上的接線盒是光學(xué)原理并且仍然是被動(dòng)的，盒子中沒有主動(dòng)組件，這是PON技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：能幫助供貨商將維護(hù)成本降至最低。

圖1 PON上行方向

這種方法的缺點(diǎn)在于服務(wù)提供商必須將原有的雙絞線換成有限數(shù)量的光纖。為降低移植成本，不得不以降低性能為代價(jià)，在很多國家PON都以混合技術(shù)的形式搭建。用戶通過ADSL連接到街邊的接線盒，但從街邊到OLT則透過光學(xué)連接。

采用這種混合方案后ADSL的速度變快了很多，原因是DSLAM距離用戶只有幾百公尺遠(yuǎn)，而不是在中央機(jī)房內(nèi)。劣勢(shì)在于街邊的混合接線盒現(xiàn)在變成主動(dòng)的，因?yàn)樗枰b載小型DSLAM。

PON體現(xiàn)了成本與性能之間的平衡。這并非像老式56Kbps調(diào)制解調(diào)器那樣是技術(shù)上的最佳解決方案，但未來該技術(shù)可持續(xù)擴(kuò)展。

OLT還有另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)部分：前端。在上行方向，所有用戶都透過被動(dòng)光纖分配器連接到同一接收器。因此，用戶必須進(jìn)行突發(fā)傳輸，一次傳輸一批，因?yàn)橛脩艄蚕硪粭lOLT的光纖。所有突發(fā)傳輸以相同頻率操作，但采用用戶獨(dú)立相位。OLT接收器在每次突發(fā)傳輸開始會(huì)重新同步其采樣相位，以正確接收數(shù)據(jù)。

每次突發(fā)在開端前導(dǎo)碼位置有一個(gè)特定模式，它能說明OLT鎖定每次突發(fā)傳輸。OLT的前端接收器稱為「突發(fā)模式頻率和數(shù)據(jù)恢復(fù)(BCDR)」單元。

增加前導(dǎo)碼時(shí)間可以更容易地設(shè)計(jì)BCDR，但較長的前導(dǎo)碼顯然會(huì)降低上行帶寬的效率。BCDR是關(guān)鍵的OLT組件。它的效率直接影響PON線路的上行效率，進(jìn)而影響PON運(yùn)營商的每位(bit)收入。

賽靈思的FPGA技術(shù)在OLT中很普遍，不僅像在DSLAM中那樣用在后端，而且還用于前端。賽靈思透過UltraScale All Programmable組件系列提供全面的BCDR解決方案。具體來說，BCDR采用32位確定鎖定時(shí)間實(shí)現(xiàn)高效上行通訊。該功能超越了ITUTG984、G987和G989規(guī)范。BCDR配有相應(yīng)說明和附件，以支持用戶解決以下問題：

對(duì)于整合商來說，首要問題是選擇產(chǎn)品。BCDR只能在PON環(huán)境中測(cè)試，也就是整合商的產(chǎn)品。不可能先開發(fā)產(chǎn)品，然后驗(yàn)證BCDR。如果在開發(fā)周期結(jié)束時(shí)我們發(fā)現(xiàn)BCDR沒有達(dá)到預(yù)期會(huì)出現(xiàn)什么情況？

這就是為什么賽靈思推出以BCDR為基礎(chǔ)的框架。連同BCDR，你可獲得一個(gè)具有數(shù)據(jù)封包生成器和數(shù)據(jù)封包校驗(yàn)器的完整模擬測(cè)試平臺(tái)，用于證明BCDR的正確運(yùn)作。

除此之外，該開發(fā)環(huán)境不僅能測(cè)試BCDR；還能對(duì)它施壓；發(fā)掘其終極性能。以下是一些實(shí)例：

• 生成多個(gè)ONU。

• 可強(qiáng)制讓ONU運(yùn)行在「錘子(hammer)」模式，即數(shù)據(jù)封包至數(shù)據(jù)封包相位跳變始終是UI的0.5%。我們想確保BCDR完全不受這種波動(dòng)的影響。

• 每次多幀數(shù)據(jù)封包重啟時(shí)，錘子模式下生成的所有數(shù)據(jù)封包移動(dòng)1微微秒，以確保BCDR的相位檢測(cè)器沒有「死」區(qū)。鎖定時(shí)間必須始終為32位——短而且確定。

• 還可以在0~8000+之間改變數(shù)據(jù)封包前導(dǎo)碼長度，這樣能同時(shí)滿足最嚴(yán)格的ITU.T PON要求和比較寬松的IEEE PON要求。

圖2顯示XAPP1277中與BCDR配套提供的模擬環(huán)境架構(gòu)。該模擬環(huán)境透過腳本運(yùn)行，無需編寫代碼便可在數(shù)分鐘后看到波形。

圖2 BCDR配套提供的模擬環(huán)境

對(duì)于硬件供貨商來說，軟件壓力測(cè)試框架是一個(gè)非常好的起點(diǎn)。然而，你可能需要看到硬件工作，而這正是第二個(gè)BCDR框架的工作；該框架使用針對(duì)Kintex UltraScale FPGA的KCU1250特性描述套件，并在硬件中不斷生成并檢查數(shù)據(jù)封包，以免看到單個(gè)bit錯(cuò)誤或丟失單個(gè)數(shù)據(jù)封包。

上行數(shù)據(jù)總是以雙倍速率合成，而且TX串行器總是每個(gè)上行bit生成兩個(gè)同樣的bit。這樣，在架構(gòu)層面，硬件框架可以仿真任意兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)封包之間0.5UI的跳變——可在PON環(huán)境中發(fā)生的最差情況。硬件框架透過插入任意兩個(gè)數(shù)據(jù)封包之間最差相位步驟，對(duì)BCDR施壓。

該框架中的有效負(fù)載是被截短的PRBS，在每個(gè)數(shù)據(jù)封包的定界符(delimiter)之后重新開始。如果BCDR跳過數(shù)據(jù)封包，你會(huì)看到一個(gè)負(fù)載錯(cuò)誤；還可在運(yùn)行中改變前導(dǎo)碼長度。整個(gè)硬件測(cè)試臺(tái)支持腳本編寫，而且嵌入Vivado硬件分析器，還具備一套控制功能。

除了錘子模式測(cè)試、錯(cuò)誤插入和累積以外，還可在運(yùn)行中更改很多串行/解串行器(SerDes)特性和BCDR本身的很多特性，例如數(shù)字帶寬。對(duì)于不熟悉FPGA技術(shù)的用戶來說，SerDes配置則是另一個(gè)會(huì)使他們感到困惑的部分，因此BCDR框架提供使用說明，分步介紹如何配置SerDes，以協(xié)助用戶設(shè)立PONOLT接口。圖3為「GT(Gigabit Transceiver)導(dǎo)向GUI」示意圖，顯示框架如何指導(dǎo)配置，以及如何避免硬件復(fù)雜性。

這些技術(shù)使用戶只需透過GUI就能選擇好BCDR這樣的復(fù)雜產(chǎn)品。原則上，你即使不了解基礎(chǔ)技術(shù)細(xì)節(jié)也能做這些工作。一旦對(duì)BCDR完成評(píng)估，硬件測(cè)試臺(tái)就會(huì)成為啟動(dòng)真實(shí)項(xiàng)目的最佳起點(diǎn)，只需刪除演示數(shù)據(jù)報(bào)生成器/檢查器并用真實(shí)的PON MAC替代這些模塊，即可嵌入BCDR。

圖3 用于設(shè)置多速率OLT接口的SerDes配置