光模块调顶方法与流程

1.本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种光模块调顶方法。


背景技术：

2.调顶，就是pilot tone，利用调频或调幅技术在发射端为波长通道的主信号生成一个低速的光随路信号,把这个信号加到光的顶层，不占用业务信道。
3.伴随5g网络的规模部署加速，运营商现网光纤资源紧缺的情况不断加剧，5g前传网络的部署面临极大挑战。调研数据显示：一个5g基站需要至少12芯光纤才能有效满足其前传承载需求，若同时考虑4g网络改造，单站需要36～48芯光纤承载，且未来室分场景下的光纤需求量更高，传统方案将无法满足5g前传承载需求。
4.基于此，为了满足急迫的5g部署需求，中国移动创新提出基于mwdm光模块调顶技术的半有源前传承载方案：采用mwdm技术重用cwdm成熟频谱资源，节省90％以上的光纤资源，且可以复用现有产业链，降低光纤架设成本；充分发挥cwdm部分波长色散优势，大幅提升传输性能，从而有效解决接入层因弱光而影响业务运行稳定性的问题；采用远端无源、近端有源的架构，相比纯无源方案具有光链路故障可检测、高可靠等特性，可以有效匹配5g时代大量2b类创新应用的承载需求。
5.在25g mwdm 5g前传光模块oam处理中，最难的是不同厂商模块间互联互通，可以和不同厂商家模块对传。因为不同模块间对传，没有时钟线控制，通过光顶层加低频信号，所以很难同步。
6.有些厂商模块只能自己模块传，有的对传时间长时容易出问题，丢包，或者很难同步上，有些即使同步上了，但在中途有模块异常或者重新上电插拔后由出现很难同步上的问题，因为不同模块间上电先后顺序不一样，发包、收包处理方法不一样，你不知道对端模块何时发送，因而收数据包处理，就显得非常重要。有些厂商模块是接收一直监控有没有数据来，有数据来就去处理，这样就很消耗mcu资源，因为mcu除了处理调顶功能，还要处理其它功能。这样会造成模块整体性能不稳定，或者丢包，或者说mcu资源不够用，额外增加一个fpga或cpld或mcu处理，这样成本会增加很多，布板也非常不便，因为光模块尺寸大小是有规定的，一块板子放不下，要做成2块板子，生产也不方便。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种光模块调顶方法，以解决现有技术中光模块整体性能不稳定、丢包以及mcu资源不够用的问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供的一种光模块调顶方法，所述光模块包括mcu以及与mcu电性连接的第一运放比较器和第二运放比较器，所述第一运放比较器还与光发射组件电性连接，所述第二运放比较器还与光接收组件电性连接，所述调顶方法包括如下步骤：通过软件编程将oam调制信号进行曼彻斯特编码，并将编码后的oam调制信号经第一运放比较器后传输到光发射组件，所述光发射组件将编码后的oam调制信号转换成光信号发出；所
述光接收组件接收光信号并将光信号转换成电信号后，经第二运放比较器传输到mcu；mcu接收oam调制信号并通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码。
9.优选地，通过软件编程将oam调制信号进行曼彻斯特编码步骤包括：定义是否传输下一个bit的标志变量flag，设置flag的初始值为0；设置定时器中断时间为t；当到达定时时间时，将oam调制信号进行曼彻斯特编码；当bit位首次传输时，即if flag＝0时，发送高电平或低电平，发送后将变量flag标志位置1；当所述bit位第二次传输时，即if flag＝1时，发送相应的低电平或高电平，发送后将变量flag标志位置0，以准备传输下一个bit。
10.优选地，当到达定时时间时，将oam调制信号进行曼彻斯特编码步骤之后，还包括：将编码好的数据放到mcu内部ram缓冲区后，再从缓冲区把数据发出传输。
11.优选地，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤包括：通过mcu内部的clu0、clu1、clu2和clu3和逻辑门实现曼彻斯特解码。
12.优选地，mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤之前还包括时钟同步步骤，所述时钟同步步骤包括：启动mcu的pca功能，设置pca定时时间为t；通过pca上升沿中断，捕获数据帧头上升沿中断间隔和上升沿个数；判断所述上升沿中断间隔和上升沿个数是否等于预设值；当所述上升沿个数等于第一预设值且升沿中断间隔等于第二预设值时，启动解码时钟以使得mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码，并关闭pca功能；当所述上升沿个数不等于第一预设值或上升沿中断间隔不等于第二预设值时，继续通过pca上升沿中断捕获数据帧头上升沿中断间隔和上升沿个数。
13.具体地，oam链路层数据速率为1024bps，速率精度为
±
30bps，所述t的取值为10us，所述第一预设值为n，所述n的取值为7，所述第二预设值为t1，所述t1的取值范围为1430us《t1《1490us或940us《t1《1000us。
14.优选地，mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤之后，还包括：对解码后的数据进行帧头和帧尾的判断；当帧头为0x7e77e7e7e且帧尾为0x7e时，判断解析数据正确，mcu根据解析的内容进行相应的动作。
15.优选地，mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤之后，还包括：对解码后的数据进行帧头和帧尾的判断；当帧头不为0x7e77e7e7e或帧尾不为0x7e时，mcu对该数据不进行处理，等待一下段数据再进行解析。
16.优选地，当帧头不为0x7e77e7e7e或帧尾不为0x7e时，mcu对该数据不进行处理，等待一下段数据再进行解析步骤之后还包括：当判断帧头和帧尾连续错误三次时，关闭解码时钟，启动pca功能继续捕获上升沿中断间隔和上升沿个数。
17.优选地，通过mcu内部的clu0、clu1、clu2和clu3和逻辑门实现曼彻斯特解码步骤之后，还包括：将曼彻斯特解码后的数据传出，mcu spi产生中断并接收数据，mcu在spi中断函数中将解码后的数据放入mcu内部的ram缓冲区。
18.与现有技术相比，本发明光模块调顶方法，仅采用一颗mcu并配合软件编程，即可实现光模块调顶oam技术，有效节省了额外增加处理器的成本，节省了布板空间，模块整体性能更稳定，也有利于生产制造，便于光模块量产。
附图说明
19.图1为本发明实施例光模块调顶方法的硬件电路图。
20.图2为本发明实施例光模块调顶方法中曼彻斯特编码的流程图。
21.图3为本发明实施例光模块调顶方法中曼彻斯特解码的流程图。
22.图4为本发明实施例光模块调顶方法中时钟同步的流程图。
具体实施方式
23.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
24.如图1所示，本发明提供的一种光模块调顶方法，所述光模块包括mcu以及与mcu电性连接的第一运放比较器和第二运放比较器，所述第一运放比较器还与光发射组件电性连接，所述第二运放比较器还与光接收组件电性连接，所述调顶方法包括如下步骤：
25.s1、通过软件编程将oam调制信号进行曼彻斯特编码，并将编码后的oam调制信号经第一运放比较器后传输到光发射组件，所述光发射组件将编码后的oam调制信号转换成光信号发出；
26.s2、所述光接收组件接收光信号并将光信号转换成电信号后，经第二运放比较器传输到mcu；
27.s3、mcu接收oam调制信号并通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码。
28.具体的，如图1所示，本发明实施例包含了硬件结构，在编码阶段，调顶信号oam报文，通过mcu编码后输出encode output，并输入到第一运放比较器的in+管脚，第一运放比较器的in-脚通过电阻r1接地，当mcu的encode output输出高电平1时，in+就为高，由于in-接地，此时第一运放比较器的out脚输出为高电平1；当mcu的encode output输出低电平0时，in+就为低，此时，第一运放比较器的out脚输出为低电平0。
29.所述第一运放比较器还与nmos管电性连接，第一运放比较器的out脚输出高电平1时，nmos管导通，此时nmos管会输出电流，电流输出管脚接到tx_driver芯片的isink脚，此脚是光发射组件的电流输出管脚(laser bias sink output)，所述光发射组件包括光发射次模块(tosa)，tx_driver芯片驱动所述tosa激光器，第一运放比较器的out脚输出低电平0时，nmos管不导通，此时nmos管输出电流0。
30.本发明实施例通过调顶产生的低频电流信号，最终都接到tx_driver芯片的电信号txon脚，一起汇聚到tosa激光器，通过改变激光器本身电流大小，从而改变发射光功率大小，通过光顶层发送出去。根据移动标准，对光功率的影响要在+-0.5dbm范围内，0/1光层信号的调制幅度p
▲
＝3％-5％，计算公式为：p
▲
＝(pmax-pmin)/(pmax+pmin)，3％为调制后的最小调顶深度，5％为调制后的最大调顶深度，pmax为光模块最大发射光功率，pmin为光模块最小发射光功率。
31.在解码阶段，接收光功率rx_power经过光接收组件后，接到rx_tia芯片的rssi脚，作为光模块接收光功率监控，同时也通过电容c1，接到第二运放比较器的in-脚，所述光接收组件包括光接收次模块(rosa)，由于电容c1隔直流通交流，这样低频方波信号是一种交流信号，可以过去，然后通过电容充放电，产生的电压与第二运放比较器的in+脚电压相比，当电压比in+的1.6v电压小时，第二运放比较器的out脚输出高电平1；当电压比in+的1.6v
电压大时，第二运放比较器的out脚输出低电平0，第二运放比较器的out脚接到mcu的decode in脚，mcu通过内部自带的clu单元实现进行解码。
32.需要说明的是，本发明实施例中，mcu编码子层采用曼彻斯特编码，0是由低-高的电平跳变表示，1是高-低的电平跳变；第一运放比较器和第一运放比较器既有电流放大作用，也有电压比较功能。
33.如图2所示，本发明实施例步骤s1中，通过软件编程将oam调制信号进行曼彻斯特编码步骤包括：
34.定义是否传输下一个bit的标志变量flag，设置flag的初始值为0；设置定时器中断时间为t；当到达定时时间时，将oam调制信号进行曼彻斯特编码，并将编码好的数据放到mcu内部ram缓冲区后，再从缓冲区把数据发出传输，当bit位首次传输时，即if flag＝0时，发送高电平或低电平，发送后将变量flag标志位置1；当所述bit位第二次传输时，即if flag＝1时，发送相应的低电平或高电平，发送后将变量flag标志位置0，以准备传输下一个bit。
35.具体的，如图2所示，光模块上电开启后，对mcu进行初始化，让mcu正常工作，由于曼彻斯特编码传输一个bit要传输2次，所以要定义一个是否传输下个下一个bit的标志变量flag，初始置0，即设置flag＝0，由于中国移动定义的oam链路层数据速率为1024bps，所以要定义一个定时器中断，在中断函数内部，进行编码输出，定时器中断时间t为500/1024ms，当定时时间到的时候(yes)，会进行曼彻斯特编码(manchester encode)，将编码好的数据放到mcu内部ram缓冲区，然后从缓冲区把数据发出。
36.数据是以字节byte为单位输出(send by byte)，而每个字节byte由bit组成，所以要以bit为单位发送，由于是曼彻斯特编码，传输一个bit要2个时钟周期。
37.如果要输出高电平1，即if bit＝1时，当该bit位首次传输时，即if flag＝0时，发送高电平1，并将变量flag标志位置1(发送1并设置flag＝1)；当该bit位第二次传输时，即if flag＝1时，发送低电平0，并将变量flag标志位置0(发送0并设置flag＝0)；下次传输就发送下个bit，如此循环中断。
38.如果要输出低电平0，即if bit＝0时，当该bit位首次传输时，即if flag＝0时，发送低电平0，并将变量flag标志位置1(发送0并设置flag＝1)；当该bit位第二次传输时，即if flag＝1时，发送高电平1，并将变量flag标志位置0(发送1并设置flag＝0)；下次传输就发送下个bit，如此循环中断。
39.如图3所示，本发明实施例中，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤包括：通过mcu内部的clu0、clu1、clu2和clu3和逻辑门实现曼彻斯特解码。将曼彻斯特解码后的数据传出，mcu spi产生中断，mcu在spi中断函数中将解码后的数据放入mcu内部的ram缓冲区。
40.具体的，如图3所示，接收到的信号rx receive，经过clu0-clu3触发器和逻辑门解码后，成功把曼彻斯特编码的数据解析出来，解析完的数据会传出，只要有数据传出，就会引起mcu spi产生中断，mcu在spi中断函数里面，把解析好的数据，放入mcu内部ram缓冲区，mcu会对数据进行解析(mcu解析),然后根据oam帧头和信息内容，处理这些信息(mcu处理)，从而控制光模块产生相应动作，mcu根据oam信息，如果是需要向外传输信息时，又要进行曼彻斯特编码(manchester编码)，从而把信息传输出去。这样解码过程就结束，又返回到编
码，如此循环。
41.需要说明的是，由于曼彻斯特编码良好的抗噪声特性和自定时能力，因此在局域网中仍被广泛应用，所以会应用于此种光模块。
42.如图4所示，本发明实施例中，mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码步骤之前还包括时钟同步步骤，所述时钟同步步骤包括：启动mcu的pca功能，设置pca定时时间为t；通过pca上升沿中断，捕获数据帧头上升沿中断间隔和上升沿个数；判断所述上升沿中断间隔和上升沿个数是否等于预设值；当所述上升沿个数等于第一预设值且升沿中断间隔等于第二预设值时，启动解码时钟以使得mcu接收oam调制信号，通过mcu内部自带的clu单元实现曼彻斯特解码，并关闭pca功能；当所述上升沿个数不等于第一预设值或上升沿中断间隔不等于第二预设值时，继续通过pca上升沿中断，捕获数据帧头上升沿中断间隔和上升沿个数。
43.本发明实施例中，oam链路层数据速率为1024bps，速率精度为
±
30bps，采用曼彻斯特编码，0是由低-高的电平跳变表示，1是高-低的电平跳变，那么发送一个bit的时间为：1s/1024＝0.976ms，发送包头标志是0x7e，根据曼彻斯特编码规则，第一个字节需依次发送0,1；1,0；1,0；1,0；1,0；1,0；1,0；0,1，第二个字节也是这个，检测到第一个上升沿后开始计时，共有7个上升沿，则有6个时间间隔，有2个时间间隔是1.5bit，有4个时间间隔是1bit，所以标准时间间隔分别是1.464ms和0.976ms，但允许有在允许范围内的偏差，由于设定的pca定时t的取值为10us，所以1430us《t1《1490us，或者940us《t2《1000us为检测正确标志，所述第一预设值为n，所述n的取值为7，所述第二预设值为t1，所述t1的取值范围为1430us《t1《1490us或940us《t1《1000us。
44.本发明实施例中，如图4所示，当所述上升沿个数等于第一预设值且升沿中断间隔等于第二预设值时，启动解码时钟进行解码并关闭pca功能步骤之后，还包括：
45.对解码后的数据进行帧头和帧尾的判断；当帧头为0x7e77e7e7e且帧尾为0x7e时，判断解析数据正确，mcu根据解析的内容进行相应的动作；当帧头不为0x7e77e7e7e或帧尾不为0x7e时，mcu对该数据不进行处理，等待一下段数据再进行解析；当判断帧头和帧尾连续错误三次时，关闭解码时钟，启动pca功能继续捕获上升沿中断间隔和上升沿个数。
46.具体的，如图4所示，根据中国移动标准，oam链路层数据速率为1024bps，速率精度为
±
30bps，误码率ber为1e-8，数据传输中帧头标志是0x7e7e7e7e，帧尾标志是0x7e，因为数据发送速率是固定的，所以发送时间间隔是固定的，所以解码可以用一个固定时钟周期去处理，不用一直处理，这样一个mcu就能搞定，也节省了这个mcu的资源开支，可以让mcu有更多时间，去处理其它功能，让模块整体运行性能更加。但是这个方法何时开启时钟解码就很关键，开启不对就跟对端模块同步不上。本发明实施例中，由于中国移动规定，采用曼彻斯特编码，0是由低-高的电平跳变表示，1是高-低的电平跳变，这样传输一个bit要传2次，比如要传0，先传0再传1，一个字节byte有8个bit，所以传输一个字节byte要16次。
47.如果解码时钟开启时间不对，跟对端模块发码时钟错过了n个bit，或者说错过了n次传输，那组成的数据永远错过n给bit或n次传输。因为数据都是字节byte表示，这样8个bit组成的数据byte都是错的，因此，解码时钟的开启，一定要在对端某个完整的byte数据传输完后立即开启时钟，此时字节的解析才是对的。开启后立即解析数据，如果解析到的数据帧头不对，此段数据不处理就行，待下段完整的数据来时，就可以侦测到完整的数据包，
从而根据数据包内容，mcu控制光模块进行相应的动作或回传数据给对端，但如何知道对端模块一个完整的byte数据已经传输完毕很关键，本发明实施例在解码时钟开启前，先启动mcu的pca功能，通过pca上升沿中断，捕获数据帧头0x7e上升沿的个数和时间间隔，判断正确后开启解码时钟，关闭pca功能。如果模块传输中途有异常时，例如，判断帧头和帧尾连续错误3次，则关闭解码时钟，启动pca检测，捕获上升沿中断间隔，如此循环。根据移动标准，模块对传握手成功前，除了帧头帧尾的0x7e，其它数据值都不为0x7e，所以可以用此值侦测、解码。
48.需要说明的是：pca是mcu可以编程计数器阵列，programmable counter array，既可以中断，也可以计时。
49.本发明实施例光模块调顶方法统，调顶采用调幅方案，加载轻量级oam：aau和du光模块发送oam报文，实现open-wdm系统光模块和光路端到端管控；系统性定义物理层、数据链路层oam调制方案和交互协议，满足5g前传网络需求。
50.本发明实施例通过分立元器件搭建的原始电路，整个光模块采用1个c8051核低成本mcu，通过硬件和软件的配合，实现了调顶oam技术，能满足中国移动oam链路层数据速率为1024bps，速率精度为
±
30bps，误码率ber为1e-8的要求。
51.本发明25g mwdm光模块调顶方法，仅在25g cwdm光模块成本基础上，硬件增加少量成本，软件采用轻量级oam，用自己原创的方法及算法，实现了光模块的监控与管理等信息的传输。突破了技术封锁，满足中国移动调顶技术调顶代价小于0.5db，调顶深度p
▲
＝3％-5％的要求，有效节省了额外增加处理器的成本，节省了布板空间，也有利于生产制造，便于光模块量产，处理方法不用一直占用mcu资源，让mcu有时间处理其它功能，模块整体性能更稳定，通过自主创新的方法和算法，完美的解决了调顶功能。
52.以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。