Použitie 1550 nm optických zosilňovačov v prenosových zariadeniach HFC

Prečo je 1550 nm dominantnou vlnovou dĺžkou pre HFC optický prenos

Hybridné optické koaxiálne (HFC) siete tvoria chrbticu distribúcie káblovej televízie a širokopásmového internetu pre stovky miliónov účastníkov na celom svete. V týchto sieťach optické vlákno prenáša širokopásmové signály z káblovej koncovej stanice do optických uzlov distribuovaných v oblastiach služieb, kde je optický signál konvertovaný na RF a distribuovaný cez koaxiálny kábel do jednotlivých domácností a podnikov. Voľba 1550 nm ako prevádzkovej vlnovej dĺžky pre tento segment optického prenosu nie je ľubovoľná – je to produkt dvoch rozhodujúcich fyzikálnych výhod, ktoré definujú ekonomiku a výkon optického prenosu na veľké vzdialenosti. Štandardné jednovidové vlákno vykazuje svoj absolútny minimálny útlm pri približne 1550 nm, s typickými stratami 0,18–0,20 dB/km v porovnaní s 0,35 dB/km v okne 1310 nm používanom v aplikáciách s kratším dosahom. Toto zníženie straty vlákna sa priamo premieta do dlhších rozsahov zosilňovačov, menšieho počtu stupňov optického zosilnenia a nižších nákladov na infraštruktúru na kilometer závodu.

Druhou rozhodujúcou výhodou je dostupnosť erbiom dopovaných vláknových zosilňovačov (EDFA) – praktických, spoľahlivých a nákladovo efektívnych optických zosilňovačov, ktoré pracujú presne v pásme C 1530–1570 nm a L-pásme 1570–1620 nm, pričom oba sú sústredené v prenosovom okne 1550 nm. EDFA transformovali optický prenos na dlhé vzdialenosti tým, že umožnili priame optické zosilnenie bez nákladnej a oneskorenia zavádzajúcej opticko-elektricko-optickej (OEO) konverzie, ktorú vyžaduje skoršia technológia regeneračného opakovača. Konkrétne pre siete HFC kombinácia nízkej straty vlákna a zosilnenia EDFA umožňuje optické prenosové rozpätia 40–100 km medzi jednotlivými stupňami zosilnenia, čo umožňuje káblovým operátorom obsluhovať veľké geografické oblasti služieb z centralizovaných zariadení koncovej stanice s výrazne zníženou infraštruktúrou uzlov v porovnaní s alternatívami s kratšou vlnovou dĺžkou.

Ako fungujú 1550 nm optické zosilňovače v systémoch HFC

A 1550 nm optický zosilňovač v prenosovom systéme HFC funguje priamym zosilnením optického signálu prenášaného na vlákne bez jeho konverzie na elektrický signál. Dominantnou technológiou je vláknový zosilňovač dopovaný erbiom, ktorý využíva krátke optické vlákno, ktorého jadro bolo dopované iónmi erbia (Er³⁺). Keď je vlákno dopované erbiom čerpané vysokovýkonným laserovým svetlom buď pri 980 nm alebo 1480 nm, ióny erbia sú excitované do stavu s vyššou energiou. Keď 1550 nm signálny fotón prechádza cez dopované vlákno, stimuluje excitované ióny erbia, aby emitovali ďalšie fotóny s presne rovnakou vlnovou dĺžkou a fázou - proces nazývaný stimulovaná emisia, ktorý vytvára koherentný optický zisk. Tento mechanizmus zosilnenia zosilňuje signál v šírke pásma pokrývajúceho celé pásmo C, vďaka čomu sú EDFA kompatibilné s prenosom HFC s jednou vlnovou dĺžkou, ako aj s multiplexovanými systémami s delením vlnovej dĺžky (WDM), ktoré prenášajú viacero kanálov súčasne na jednom vlákne.

V typickom HFC optickom závode vysielač koncovej stanice konvertuje kombinované spektrum RF signálu - ktoré môže presahovať 5 MHz až 1,2 GHz pre systémy DOCSIS 3.1 - na optický signál pomocou priamo modulovaného alebo externe modulovaného lasera pracujúceho pri 1550 nm. Tento signál je potom vysielaný do závodu na distribúciu vlákien. Tam, kde sa výkon signálu zoslabol na úroveň, ktorá by znížila pomer nosnej k šumu (CNR) v uzle vlákna, sa do linky vloží optický zosilňovač, aby sa obnovil výkon signálu na požadovanú úroveň. Zosilnený signál pokračuje cez ďalšie rozpätia vlákien, až kým nedosiahne uzol vlákna, kde ho fotodetektor konvertuje späť na RF elektrický signál na distribúciu cez koaxiálnu časť siete.

Typy 1550 nm optických zosilňovačov používaných pri prenose HFC

Produktová skupina optických zosilňovačov 1550 nm používaná v sieťach HFC zahŕňa niekoľko odlišných konfigurácií zosilňovačov optimalizovaných pre rôzne pozície v architektúre optického prenosu. Pochopenie toho, kde sa jednotlivé typy používajú a aké výkonnostné charakteristiky definujú každý z nich, je nevyhnutné pre sieťových inžinierov, ktorí navrhujú alebo modernizujú továreň na HFC optické zariadenia.

Booster Amplifiers (Pozosilňovače)

Booster zosilňovače sú umiestnené bezprostredne za vysielačom koncovej stanice, aby sa zvýšil štartovací výkon do závodu na distribúciu vlákien. Pretože vstupný signál je už na relatívne vysokej úrovni výkonu z vysielača, zosilňovače sú navrhnuté pre vysoký výstupný výkon, a nie pre nízke šumové číslo – typické špecifikácie výstupného výkonu pre zosilňovače HFC sa pohybujú od 17 dBm do 23 dBm alebo viac pre nasadenia architektúr s vysokým delením alebo distribuovaným prístupom (DAA). Primárnou funkciou zosilňovača je kompenzovať stratu vloženia optických rozdeľovačov, ktoré rozdeľujú signál do viacerých vláknových trás obsluhujúcich rôzne segmenty obsluhovanej oblasti, ako aj útlm prvého rozpätia vlákna. Zosilňovač koncovej stanice s výstupným výkonom 20 dBm poháňajúci optický rozbočovač 1:8 (približne 9 dB strata rozdelenia) spustí približne 11 dBm do každej z ôsmich výstupných vláknových trás, čo je dostatočné na to, aby zvládlo rozpätie 25–40 km, kým je potrebné ďalšie zosilnenie.

In-line zosilňovače

In-line zosilňovače sú rozmiestnené v medziľahlých bodoch v dlhých rozpätiach vlákien, kde výkon signálu klesol pod minimálnu úroveň potrebnú na udržanie prijateľného CNR v nasledujúcom uzle alebo zosilňovači. Tieto zosilňovače musia vyvážiť zosilnenie, výstupný výkon a šumové číslo – šumové číslo je obzvlášť kritické, pretože každý in-line zosilňovač pridáva šum zosilnenej spontánnej emisie (ASE), ktorý sa hromadí pozdĺž optickej dráhy a v konečnom dôsledku obmedzuje dosiahnuteľný CNR v uzle vlákna. In-line zosilňovače pre prenos HFC zvyčajne poskytujú zisk 15–25 dB s výstupným výkonom 13 až 17 dBm a šumovými číslami 5–7 dB. Viacstupňové in-line zosilňovače so stredným prístupom – umožňujúce vloženie optických atenuátorov alebo filtrov na vyrovnávanie zisku medzi zosilňovacími stupňami – dosahujú nižšie efektívne hodnoty šumu ako jednostupňové konštrukcie pri ekvivalentnom výstupnom výkone.

Zosilňovače na riadenie uzlov (predzosilňovače)

Zosilňovače na riadenie uzla, niekedy nazývané distribučné zosilňovače alebo zosilňovače optického vedenia (OLA), sú umiestnené tesne pred uzlom vlákna alebo optickým rozdeľovacím bodom, aby zosilnili signál na úroveň potrebnú na súčasné riadenie viacerých výstupov uzla v smere toku. Tieto zosilňovače sa vyznačujú vysokou schopnosťou výstupného výkonu v kombinácii s dostatočným ziskom na to, aby fungovali pri nízkych úrovniach vstupného výkonu – musia poskytovať primeraný výstup, aj keď vstupný výkon klesne na -3 až -10 dBm po dlhom rozpätí vlákna. Špecifikácie výstupného výkonu zosilňovačov s riadením uzla sa pohybujú od 17 do 27 dBm vo vysokovýkonných konfiguráciách, pričom niektoré prémiové produkty radu 1550 nm optických zosilňovačov dosahujú 30 dBm na riadenie veľkých optických deliacich pomerov slúžiacich na nasadenie hustých uzlov.

Kľúčové špecifikácie výkonu a ich vplyv na dizajn siete HFC

Výber správneho 1550 nm optického zosilňovača pre aplikáciu HFC vyžaduje jasné pochopenie výkonnostných špecifikácií zverejnených v dátových listoch výrobcu a toho, ako sa každý parameter premieta do skutočného správania siete. Nasledujúca tabuľka sumarizuje kritické špecifikácie zosilňovačov a ich dôsledky pre návrh siete:

Šumové číslo si zasluhuje osobitnú pozornosť, pretože jeho vplyv sa skladá cez kaskádové reťazce zosilňovačov. Každý zosilňovací stupeň pridáva šum ASE a celková akumulácia optického šumu určuje CNR v uzle vlákna - parameter, ktorý v konečnom dôsledku nastavuje kvalitu RF signálov distribuovaných cez koaxiálnu časť závodu HFC. CNR aspoň 52 dB na vláknovom uzle sa zvyčajne vyžaduje na udržanie adekvátneho výkonu kompozitného druhého poriadku (CSO), kompozitného trojitého úderu (CTB) a magnitúdy vektora chyby (EVM) pre DOCSIS 3.1 OFDM kanály. Sieťoví inžinieri musia vykonať kaskádové výpočty šumového čísla vo všetkých stupňoch zosilňovača od koncovej stanice po uzol, aby overili súlad s CNR pred dokončením umiestnenia a špecifikácie zosilňovača.

Umiestnenie optického zosilňovača v architektúre uzla HFC

Architektúra moderných sietí HFC sa výrazne vyvinula so zavedením uzla 0 (hĺbkové vlákno), architektúry s distribuovaným prístupom (DAA) a vzdialeného nasadenia PHY/remote MACPHY, ktoré všetky menia, kde sú umiestnené optické zosilňovače a aký výkon musia poskytovať. Pochopenie toho, ako sa umiestnenie zosilňovača mapuje na tieto vyvíjajúce sa architektúry, je nevyhnutné pre inžinierov modernizujúcich existujúci závod HFC na podporu DOCSIS 3.1 a budúcich služieb DOCSIS 4.0.

Tradičná architektúra Fiber-to-the-Node

V tradičnej architektúre HFC jeden vysokovýkonný 1550 nm optický vysielač na koncovej stanici poháňa závod na distribúciu vlákien cez sériu optických rozdeľovačov a in-line zosilňovačov, aby obsluhoval viacero uzlov vlákien, z ktorých každý obsluhuje 500 až 2 000 domácností. Optické zosilňovače sú umiestnené v intervaloch určených akumulovaným útlmom vlákna a delenými stratami, aby sa zachoval primeraný vstupný výkon v každom uzle po prúde. Typická konfigurácia používa zosilňovač koncovej stanice poháňajúci primárny rozbočovač 1:4 alebo 1:8 s in-line zosilňovačmi umiestnenými 15–30 km po prúde, aby sa kompenzoval útlm rozpätia vlákien predtým, ako sekundárne rozbočovače napájajú jednotlivé uzly vlákien. Táto topológia hviezdicového stromu je optimalizovaná pre ekonomickú výstavbu vláknitých závodov, ale koncentruje významný zisk zosilňovača v dlhých kaskádach, ktoré spochybňujú výkon CNR.

Fiber Deep a Distributed Access Architectures

Architektúra s hlbokými vláknami posúva vlákno bližšie k zákazníkovi, čím sa zmenšuje počet obsluhovaných uzlových oblastí na 50 – 150 domácností a eliminuje sa väčšina kaskády koaxiálnych zosilňovačov. Vzdialené nasadenia PHY a vzdialené MACPHY DAA presúvajú spracovanie fyzickej vrstvy DOCSIS z koncovej stanice do optického uzla, ktorý teraz obsahuje aktívnu digitálnu elektroniku napájanú cez optickú infraštruktúru. Tieto architektúry výrazne menia požiadavky na optický prenos: jednotlivé vlnové dĺžky vlákna alebo kanály WDM prenášajú vyhradené digitálne signály do každého vzdialeného uzla a séria 1550 nm optických zosilňovačov musí podporovať prevádzku WDM s plochým ziskom na všetkých aktívnych kanáloch súčasne. Vysokovýkonné EDFA kompatibilné s WDM s integrovanými filtrami na vyrovnávanie zisku a automatickým riadením zisku (AGC) sú potrebné na udržanie konzistentných úrovní výkonu pre každý kanál, keď sa uzly pridávajú alebo odstraňujú zo siete bez manuálneho vyvažovania optickej sústavy.

Praktické úvahy pre nasadenie 1550 nm zosilňovačov v závode HFC

Úspešné nasadenie 1550 nm optických zosilňovačov v prenosových zariadeniach HFC si vyžaduje pozornosť niekoľkým praktickým inžinierskym a prevádzkovým faktorom, ktoré nie sú zachytené len v špecifikáciách údajového listu. Výkon v teréne sa môže výrazne líšiť od výkonu charakterizovaného v laboratóriu, keď sú zosilňovače inštalované v skutočných sieťových prostrediach s premenlivou kvalitou vlákien, problémami s čistotou konektorov a tepelnými cyklami vo vonkajších krytoch.

• Čistota a kontrola konektora: Optické konektory na vstupných a výstupných portoch zosilňovača sú jediným najbežnejším zdrojom neočakávanej straty vloženia a degradácie signálu v nasadenej HFC optickej továrni. Kontaminovaný konektor APC môže pridať 1–3 dB vložného útlmu a generovať spätné odrazy, ktoré destabilizujú prevádzku zosilňovača. Všetky konektory musia byť pred pripojením skontrolované vláknovou kontrolnou sondou a očistené vhodnými nástrojmi – vždy bez výnimky. Operátori by mali udržiavať čistotu IEC 61300-3-35 triedy B alebo lepšiu na všetkých rozhraniach konektorov zosilňovača.
• Automatické ovládanie zisku a automatické ovládanie výkonu: Optické zosilňovače HFC by mali obsahovať obvody AGC alebo automatického riadenia výkonu (APC), ktoré udržiavajú konštantný výstupný výkon, keď sa úrovne vstupného signálu menia v dôsledku zmien vo výrobe vlákien, zmien strát spôsobených teplotou alebo rekonfigurácií siete pred prúdom. Bez AGC/APC spôsobuje zníženie vstupného výkonu – spôsobené degradáciou vlákna, starnutím konektora alebo zmenami optickej dráhy – proporcionálne zníženie výstupného výkonu, ktorý sa kaskádovito prelína cez downstream zosilňovače a znižuje CNR v uzloch vlákien. Špecifikácia zosilňovačov so stabilitou výstupného výkonu ±0,5 dB v celom prevádzkovom rozsahu vstupného výkonu je štandardnou praxou pre spoľahlivé HFC optické zariadenia.
• Optická izolácia a riadenie spätného odrazu: Stimulovaný Brillouin rozptyl (SBS) a Rayleighov spätný rozptyl v dlhých rozpätiach vlákien generujú optický šum, ktorý môže znovu vstúpiť do stupňov zosilňovača a zhoršiť výkon. Vysokovýkonné zosilňovače pracujúce nad 17 dBm musia obsahovať optické izolátory na vstupných aj výstupných portoch a konštrukcia vláknitého závodu musí zahŕňať dostatočnú stratu optickej spätnej straty. APC-leštené konektory (ORL zvyčajne > 60 dB) a fúzne spoje (ORL > 60 dB) sú silne preferované pred konektormi UPC (ORL zvyčajne 45 – 50 dB) vo vysokovýkonných 1550 nm prenosových systémoch.
• Tepelný manažment vo vonkajších krytoch: Optické zosilňovače HFC nasadené vo vonkajších podstavcoch alebo vzdušných krytoch dosahujú v mnohých geografických oblastiach rozsahy teploty okolia od -40 °C do 60 °C. Laserové diódy pumpy zosilňovača – 980 nm alebo 1480 nm zdroje, ktoré riadia zisk EDFA – sú komponenty citlivé na teplotu, ktorých výstupný výkon, vlnová dĺžka a životnosť sú ovplyvnené prevádzkovou teplotou. Špecifikácia zosilňovačov s termoelektrickými chladičmi (TEC) na laserových moduloch čerpadiel a overenie menovitého výkonu v celom rozsahu prevádzkových teplôt je nevyhnutné pre spoľahlivé vonkajšie nasadenie. Rozšírené rozsahy prevádzkových teplôt od -40 °C do 65 °C teraz ponúkajú poprední výrobcovia série optických zosilňovačov HFC, aby sa táto požiadavka explicitne riešila.
• Správa siete a vzdialené monitorovanie: Moderná séria 1550 nm optických zosilňovačov pre aplikácie HFC zahŕňa SNMP kompatibilné sieťové rozhrania, monitorovanie optického výkonu na vstupných a výstupných portoch, telemetriu laserového prúdu a teploty pumpy a alarmové výstupy pre stavy mimo rozsahu. Integrácia správy zosilňovača do systému správy koncovej stanice (HMS) alebo systému správy prvkov (EMS) káblového operátora umožňuje proaktívnu identifikáciu porúch skôr, ako dôjde k poruchám ovplyvňujúcim službu, a poskytuje údaje o trendoch výkonu potrebné na plánovanie preventívnej údržby predtým, ako degradácia komponentov dosiahne prahy konca životnosti.

Výber správneho radu 1550 nm optických zosilňovačov pre vašu sieť HFC

S jasným pochopením typov zosilňovačov, výkonnostných špecifikácií a úvah o nasadení môžu sieťoví inžinieri pristupovať k výberu zosilňovača systematicky. Proces výberu by sa mal riadiť definovanou postupnosťou krokov, ktoré premietnu požiadavky na návrh siete do špecifikácií produktu:

• Určite rozpočet optického spojenia: Vypočítajte celkovú stratu z koncového vysielača k najvzdialenejšiemu optickému uzlu, vrátane útlmu rozpätia vlákien, strát spojov, strát konektorov a strát vložením optického rozdeľovača. Tento linkový rozpočet určuje celkový zisk požadovaný zo všetkých stupňov zosilňovača v kombinácii a stanovuje výstupný výkon požadovaný z každého jednotlivého zosilňovača na základe jeho pozície v reťazci.
• Vypočítajte CNR v uzle vlákna: Pomocou kaskádového šumového čísla všetkých stupňov zosilňovača od koncovej stanice po uzol vypočítajte optický SNR dostupný na vstupe fotodetektora uzla. Preveďte na RF CNR pomocou indexu modulácie, hĺbky optickej modulácie RF signálu a odozvy fotodetektora. Overte, či vypočítané CNR spĺňa minimum požadované pre moduláciu najvyššieho rádu používanú v RF zariadení – zvyčajne 256-QAM OFDM pre DOCSIS 3.1, vyžadujúce CNR nad 52–54 dB.
• Ak je to možné, overte kompatibilitu WDM: Pre siete využívajúce viacero vlnových dĺžok na jednom vlákne potvrďte, že vybraná séria zosilňovačov poskytuje plochý zisk na všetkých prevádzkových vlnových dĺžkach súčasne a že možnosti filtra vyrovnávania zisku sú dostupné pre kaskádové konfigurácie viacerých zosilňovačov, kde by akumulácia sklonu zisku inak spôsobila neprijateľnú nerovnováhu výkonu kanála.
• Potvrďte fyzické a environmentálne špecifikácie: Prispôsobte tvarový faktor zosilňovača – šasi pre montáž do stojana, samostatnú jednotku 1U alebo montáž na vonkajší podstavec – s dostupnou infraštruktúrou inštalácie. Overte rozsah prevádzkových teplôt, možnosti napájacieho napätia, stupeň ochrany proti vniknutiu pre vonkajšie nasadenie a súlad s príslušnými normami vrátane IEC 60825 pre laserovú bezpečnosť a Telcordia GR-1312 pre kvalifikáciu spoľahlivosti EDFA.