在ONT中选择APD还是FEC技术将对成本起决定性作用。许多GPON系统制造商极为关注这一问题，为向北美乃至世界其他地区的家庭提供三路信号播放业务(视频、语音和数据)，千兆位无源光网络(GPON)成为重点考虑方案。为满足用户端的链路预算和成本目标，选择采用雪崩光电二极管(APD)接收器,还是带前向纠错(FEC)的标准接收器，目前尚存争议。采用APD的接收器可以很轻松地满足灵敏度要求，但成本较高。雪崩光电二极管价格昂贵，需要高压偏置和温度补偿。虽然FEC要实现编、解码会增加一些成本和复杂度，但普遍认为它比APD方案要便宜得多。而在设计基于FEC的GPON接收器时，将要面临的设计挑战及其所带来的复杂度使成本增加的问题可以被忽视。图1为GPON ONT接收器元件构成图。

1 前向纠错
    前向纠错(FEC)是一种降低数字通信链路误码率(BER)的技术。基本原理是：按照某种方式对发送的数据位进行编码，接收到数据位后，可检测并校正数据位错误。通常需要在数据流中加入额外的“冗余位”， 接收器已知这些冗余信息。收到数据和冗余位后(位于链路的“前向”端)，可以通过算法逆推，恢复原始数据。
2 振幅噪声及时序噪声(抖动)
    导致误码的两个主要原因是：(1)信号振幅上的假性高斯白噪声(AWGN)，(2)数据恢复和时钟信号之间时序不同步，称为抖动[1]。抖动通常分为两类：随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)。产生随机抖动的原因通常是：当限幅放大器输入信号穿越“0”和“1”之间的转换门限时，振幅噪声会转换成时序噪声[3]。确定性抖动的两种最常见类型是码型相关抖动(也称码间干扰或ISI)和脉宽失真(PWD)。ISI是系统带宽与信号带宽不匹配造成的，PWD则是因TIA的输出幅度太小，以至于和限幅放大器的灵敏度相当而造成的。需要特别注意的是，当限幅放大器的输入信号逐渐减小直至接近规定的最小值(灵敏度)时，其输出抖动急剧增加。
    对两种接收器进行比较，每种均使用互阻放大器(TIA)，后跟一个限幅放大器(LA)。两种接收器中，假定TIA和LA组合后的总增益相同。第一种接收器的TIA增益较高，LA增益较低；而第二种接收器的TIA增益较低，LA增益较高。当TIA的输入功率减小到接近接收器灵敏度时，可以考查两种接收器的性能。在第一种接收器中，由于TIA增益较高，其输出信号总是大于LA灵敏度，整个接收器灵敏度主要取决于TIA的输入参考噪声。在第二种接收器中，TIA增益较小，导致输出信号可能下降到接近LA的灵敏度，所以整个接收器的灵敏度主要由LA输入参考噪声决定，这也导致限幅放大器输出的抖动增大。这个例子说明了即使两个接收器总的接收灵敏度相同，最终限幅放大器输出信号的振幅噪声和抖动特性也可能存在较大差异。
3 抖动对时钟和数据恢复电路(CDR)的影响
    在典型的数字通信接收器中，限幅放大器后跟时钟和数据恢复(CDR)电路。CDR使用一个锁相环(PLL)来生成与输入数据信号同步的时钟信号。抖动容限是CDR的一个关键指标，它是指不会导致误码率升高并超过规定门限的条件下，CDR能够承受的输入抖动大小。不同的CDR架构(通常与其复杂度和价格相关)所具有的抖动容限也不相同。并且，某些CDR对随机抖动的承受度要优于对确定性抖动的承受度。反之亦然。
    根据定义，当CDR输入抖动开始接近规定的抖动容限时，误码将会增加。与采用FEC编码技术相关的一个重要问题是，CDR输入抖动造成的误码是随机间隔的，还是突发形式。这个问题的确切答案取决于许多因素，如CDR的电路结构，但一般来说，CDR输入抖动导致的误码主要是由数据和恢复时钟之间的短暂同步错误引起的，许多次同步错误就会导致突发误码。
4 测试数据
    为了说明抖动和突发误码对千兆位FEC数字接收器的影响，在接与不接CDR的情况下，分别对两种接收器的各种参数进行测试。第一个接收器是常规的2.5 Gbps接收器，包括一个PIN二极管、一个低增益TIA和一个限幅放大器。第二个接收器采用增益较高、但噪声也较大的TIA。两种接收器的BER与输入功率(归一化至给定灵敏度等级，BER = 10-10)之间的关系如图2所示。假设FEC修正可以补偿10-5～10-4的BER，可以预见，采用FEC的低增益(LG)接收器需要1.9 dB～2.8 dB的编码增益，而高增益(HG)接收器需要约3.3 dB～4.3 dB的编码增益。在每个接收器输出串接低成本CDR (MAX3872)后，图2同样给出了相应的误码率。以此作为参考，可以得出以下结论：无论连接CDR与否，两种接收器的FEC编码增益近似相同(LG和HG接收器分别为1.9 dB～2.8 dB和3.3 dB～4.3 dB)。由于接收器抖动特性的影响，实际获得的FEC编码增益远低于预计值。

    对于LG接收器，CDR的输出信号在BER为10-8时出现失锁(LOL)，此时的输入信号强度约比典型灵敏度低0.5 dB (图2)。当CDR与HG接收器配合使用时，当输入信号强度比典型灵敏度低2 dB时开始出现失锁。虽然出现失锁并不能说明一定出现了误码或突发误码，但此时CDR输入的抖动已经接近或达到了最大抖动容限。用误码分析仪对两种接收器的突发误码发生概率进行观察发现，在图2所示的LOL点处，偶尔会出现较长的突发误码(>20位)。图3给出了连接CDR和不接CDR时HG接收器的突发误码概率分布，此时误码率约为10-5。不串接CDR时，可以预见突发误码是由随机事件引起的。串接CDR时，出现的突发误码延长到30个连续位以上，并会导致编码增益大为降低。对于这类突发误码，LG接收器CDR输出的FEC编码增益近似为0.5 dB，HG接收器约为2 dB。

    通过测量整个链路(发送器->光电二极管->TIA->LA)的抖动特性，并将测试结果与CDR的额定抖动容限相比较，可以进一步确定失锁和突发误码发生的位置。图4标出了LG和HG接收器的链路抖动超过MAX3872 CDR抖动容限的大概位置。由图4可知，输入功率高于归一化灵敏度时，LG接收器比HG接收器的抖动小，但随着输入功率接近并低于此灵敏度时，抖动将迅速增大。主要原因是与TIA输出信号相比，限幅放大器的灵敏度很高。换句话说，TIA增益太低，从而导致输出无法达到LA的最小输入电平要求。假设已最大限度地降低了发送器的抖动，通过以上分析可知，当在GPON系统采用FEC技术时，应根据以下原则选取器件。

    (1)选择高性能TIA。选择合适的TIA是成功实现FEC方案的关键要素。假设使用常规的数千兆位限幅放大器，如MAX3747(灵敏度为2 mV～4 mV)，则TIA应具备低噪声(<≈250 nA)、高增益(>≈7 kΩ)以及足够的带宽(约2 GHz)。TIA/LA在输入功率为-27 dBm或更低的情况下应具有10-10的BER，而且TIA的增益应该足够大，这样一来，当输入信号比BER为10-10时的输入电平又小2 dB～3 dB时，仍可保证其输出信号相对于LA灵敏度来说足够大。假设TIA/LA的典型灵敏度是-27 dBm～-28 dBm，则FEC编码增益为3 dB～4 dB时，就可以提供足够的裕量，以应对温度变化和器件之间的性能差异，同时满足GPON的要求。
    (2)选择带外部参考时钟的CDR。可采用抖动容限较高的CDR来提高FEC编码增益。虽然MAX3872的抖动容限相当好，但带外部参考时钟的CDR通常具有更高的抖动容限。由于OLT包含主系统时钟，参考时钟仅仅用于控制时钟恢复至OLT频率，因此必须慎重选择CDR，这样才可以提供高的抖动容限。采用这一方案的缺点是所需参考时钟和/或具有足够抖动容限的低成本CDR会使成本较高。
参考文献
[1] Maxim应用笔记.Jitter in Digital Communication Systems，Part 2.
[2] SKLAR B.Digital Communications：Fundamentals and  Applications，Englewood Cliffs，New Jersey：Prentice Hall，1988：733-743.