Použití 1550 nm optických zesilovačů v HFC přenosových zařízeních

Proč je 1550 nm dominantní vlnová délka pro HFC optický přenos

Hybridní optické koaxiální (HFC) sítě tvoří páteř kabelové televize a širokopásmové internetové distribuce pro stovky milionů předplatitelů po celém světě. V těchto sítích přenáší optické vlákno širokopásmové signály z kabelové koncové stanice do optických uzlů distribuovaných po servisních oblastech, kde je optický signál převeden na RF a distribuován přes koaxiální kabel do jednotlivých domácností a podniků. Volba 1550 nm jako provozní vlnové délky pro tento segment optického přenosu není libovolná – je výsledkem dvou rozhodujících fyzikálních výhod, které definují ekonomiku a výkon optického přenosu na dlouhé vzdálenosti. Standardní jednovidové vlákno vykazuje svůj absolutní minimální útlum při přibližně 1550 nm, s typickými ztrátami 0,18–0,20 dB/km ve srovnání s 0,35 dB/km v okně 1310 nm používaném v aplikacích s kratším dosahem. Toto snížení ztráty vláken se přímo promítá do delších rozpětí zesilovačů, menšího počtu optických zesilovacích stupňů a nižších nákladů na infrastrukturu na kilometr závodu.

Druhou rozhodující výhodou je dostupnost erbiem dopovaných vláknových zesilovačů (EDFA) – praktických, spolehlivých a nákladově efektivních optických zesilovačů, které pracují přesně v pásmu C 1530–1570 nm a L-pásmu 1570–1620 nm, přičemž oba se soustředí na přenosové okno 1550 nm. EDFA transformovaly optický přenos na dlouhé vzdálenosti tím, že umožnily přímé optické zesílení bez nákladné a zpoždění zavádějící opticko-elektricko-optické (OEO) konverze, kterou vyžadovala dřívější technologie regenerativního opakovače. Konkrétně u sítí HFC umožňuje kombinace nízké ztráty vlákna a zesílení EDFA optické přenosové rozpětí 40–100 km mezi fázemi zesílení, což umožňuje kabelovým operátorům obsluhovat velké geografické oblasti služeb z centralizovaných zařízení hlavní stanice s výrazně sníženou infrastrukturou uzlů ve srovnání s alternativami s kratší vlnovou délkou.

Jak fungují 1550 nm optické zesilovače v systémech HFC

A 1550 nm optický zesilovač v přenosovém systému HFC funguje přímým zesilováním optického signálu přenášeného na vláknu bez jeho přeměny na elektrický signál. Dominantní technologií je erbiem dopovaný vláknový zesilovač, který využívá krátké optické vlákno, jehož jádro bylo dotováno erbiovými ionty (Er³⁺). Když je vlákno dopované erbiem čerpáno vysoce výkonným laserovým světlem buď 980 nm nebo 1480 nm, ionty erbia jsou excitovány do stavu s vyšší energií. Když 1550 nm signální foton projde dopovaným vláknem, stimuluje excitované ionty erbia, aby emitovaly další fotony na přesně stejné vlnové délce a fázi – proces zvaný stimulovaná emise, který vytváří koherentní optický zisk. Tento mechanismus zesílení zesiluje signál v šířce pásma pokrývajícího celé pásmo C, díky čemuž jsou EDFA kompatibilní s přenosem HFC s jednou vlnovou délkou a systémy s multiplexovaným vlnovou délkou (WDM), které přenášejí více kanálů současně na jednom vlákně.

V typickém HFC optickém zařízení převádí koncový vysílač kombinované spektrum RF signálu – které může dosahovat 5 MHz až 1,2 GHz pro systémy DOCSIS 3.1 – na optický signál pomocí přímo modulovaného nebo externě modulovaného laseru pracujícího na 1550 nm. Tento signál je poté vysílán do závodu na distribuci vláken. Tam, kde se výkon signálu zeslabil na úroveň, která by snížila poměr nosné k šumu (CNR) v uzlu vlákna, je do linky vložen optický zesilovač, aby se obnovil výkon signálu na požadovanou úroveň. Zesílený signál pokračuje přes další rozpětí vláken, dokud nedosáhne uzlu vlákna, kde jej fotodetektor převede zpět na RF elektrický signál pro distribuci přes koaxiální část sítě.

Typy 1550 nm optických zesilovačů používaných v HFC přenosu

Produktová řada optických zesilovačů 1550 nm používaná v sítích HFC zahrnuje několik různých konfigurací zesilovačů optimalizovaných pro různé pozice v architektuře optického přenosu. Pochopení toho, kde se jednotlivé typy používají a jaké výkonnostní charakteristiky definují každý z nich, je zásadní pro síťové inženýry, kteří navrhují nebo modernizují továrnu na HFC optické zařízení.

Booster Amplifiers (post-amplifikátory)

Booster zesilovače jsou umístěny bezprostředně za vysílačem koncové stanice, aby se zvýšil startovací výkon do závodu na distribuci vláken. Vzhledem k tomu, že vstupní signál je již na relativně vysoké úrovni výkonu z vysílače, jsou zesilovače zesilovače navrženy pro vysoký výstupní výkon spíše než pro nízké šumové číslo – typické specifikace výstupního výkonu pro zesilovače HFC se pohybují od 17 dBm do 23 dBm nebo vyšší pro nasazení architektur s vysokým rozdělením nebo distribuovaným přístupem (DAA). Primární funkcí zesilovače zesilovače je kompenzovat vložný útlum optických rozbočovačů, které rozdělují signál do více vláknových tras obsluhujících různé segmenty servisní oblasti, a také útlum prvního rozpětí vlákna. Zesilovač koncové stanice s výstupním výkonem 20 dBm pohánějící optický rozbočovač 1:8 (ztráta přibližně 9 dB rozdělení) spustí přibližně 11 dBm do každé z osmi výstupních vláknových tras – dostačující k řízení rozpětí 25–40 km, než je nutné další zesílení.

In-line zesilovače

Řadové zesilovače jsou rozmístěny v mezilehlých bodech v dlouhých rozpětích vláken, kde výkon signálu klesl pod minimální úroveň potřebnou k udržení přijatelného CNR na dalším uzlu nebo zesilovači. Tyto zesilovače musí vyvážit zisk, výstupní výkon a šumové číslo – šumové číslo je obzvláště kritické, protože každý in-line zesilovací stupeň přidává šum zesílené spontánní emise (ASE), který se hromadí podél optické cesty a nakonec omezuje dosažitelný CNR v uzlu vlákna. In-line zesilovače pro přenos HFC obvykle poskytují zisk 15–25 dB s výstupním výkonem 13 až 17 dBm a šumovými hodnotami 5–7 dB. Vícestupňové řadové zesilovače s přístupem ve střední fázi – umožňující vložení optických atenuátorů nebo filtrů pro zploštění zisku mezi stupně zesílení – dosahují nižších efektivních hodnot šumu než jednostupňové konstrukce při ekvivalentním výstupním výkonu.

Node-driving Amplifiers (předzesilovače)

Zesilovače řízení uzlů, někdy nazývané distribuční zesilovače nebo zesilovače optického vedení (OLA), jsou umístěny těsně před optickým uzlovým bodem nebo bodem optického rozdělovače, aby zesílily signál na úroveň potřebnou k současnému řízení více výstupů uzlů po proudu. Tyto zesilovače se vyznačují schopností vysokého výstupního výkonu v kombinaci s dostatečným ziskem pro provoz z nízkých úrovní vstupního výkonu – musí poskytovat adekvátní výstup, i když vstupní výkon poklesne na -3 až -10 dBm po dlouhém rozpětí vlákna. Specifikace výstupního výkonu pro zesilovače s řízením uzlu se pohybují od 17 do 27 dBm ve vysoce výkonných konfiguracích, přičemž některé prémiové produkty v řadě optických zesilovačů 1550 nm dosahují 30 dBm pro řízení velkých optických rozdělovacích poměrů, které slouží k nasazení uzlů.

Klíčové specifikace výkonu a jak ovlivňují návrh sítě HFC

Výběr správného 1550 nm optického zesilovače pro aplikaci HFC vyžaduje jasné pochopení výkonnostních specifikací zveřejněných v datových listech výrobce a toho, jak se jednotlivé parametry promítají do skutečného chování sítě. Následující tabulka shrnuje kritické specifikace zesilovačů a jejich důsledky pro návrh sítě:

Šumové číslo si zaslouží zvláštní pozornost, protože jeho dopad se skládá prostřednictvím kaskádových řetězců zesilovačů. Každý zesilovací stupeň přidává šum ASE a celková akumulace optického šumu určuje CNR v uzlu vlákna – parametr, který nakonec nastavuje kvalitu RF signálů distribuovaných přes koaxiální část elektrárny HFC. K udržení adekvátního výkonu kompozitního druhého řádu (CSO), kompozitního trojitého úderu (CTB) a velikosti chybového vektoru (EVM) pro kanály DOCSIS 3.1 OFDM je typicky vyžadován CNR alespoň 52 dB v uzlu vlákna. Síťoví inženýři musí provést kaskádové výpočty šumového čísla ve všech zesilovacích stupních od koncové stanice po uzel, aby ověřili shodu s CNR před dokončením umístění zesilovače a jeho specifikace.

Umístění optického zesilovače v architektuře uzlu HFC

Architektura moderních HFC sítí se výrazně vyvinula se zavedením uzlu 0 (fiber deep), distribuované přístupové architektury (DAA) a vzdáleného nasazení PHY/vzdáleného MACPHY, které všechny mění, kde jsou umístěny optické zesilovače a jaký výkon musí poskytovat. Pochopení toho, jak se umístění zesilovače mapuje na tyto vyvíjející se architektury, je nezbytné pro inženýry upgradující stávající závod HFC na podporu DOCSIS 3.1 a budoucích služeb DOCSIS 4.0.

Tradiční architektura Fiber-to-the-Node

V tradiční architektuře HFC jeden vysoce výkonný 1550 nm optický vysílač na koncové stanici pohání závod na distribuci vláken prostřednictvím řady optických rozbočovačů a in-line zesilovačů, které obsluhují více vláknových uzlů, z nichž každý obsluhuje 500–2 000 projetých domácností. Optické zesilovače jsou umístěny v intervalech určených akumulovaným útlumem vlákna a dělenými ztrátami, aby byl zachován adekvátní vstupní výkon v každém downstream uzlu. Typická konfigurace používá koncový zesilovač napájející primární rozbočovač 1:4 nebo 1:8 s řadovými zesilovači umístěnými 15–30 km po proudu pro kompenzaci útlumu rozpětí vláken před sekundárními rozbočovači napájejícími jednotlivé uzly vláken. Tato topologie hvězdicového stromu je optimalizována pro ekonomickou výstavbu vláknitých závodů, ale koncentruje významný zisk zesilovače do dlouhých kaskád, které zpochybňují výkon CNR.

Fiber Deep a distribuované přístupové architektury

Architektura s hloubkou vláken posouvá vlákno blíže k zákazníkovi, snižuje obslužné oblasti uzlů na 50–150 projetých domácností a eliminuje většinu kaskády koaxiálních zesilovačů. Vzdálená nasazení PHY a vzdálená MACPHY DAA přesouvají zpracování fyzické vrstvy DOCSIS z koncové stanice do optického uzlu, který nyní obsahuje aktivní digitální elektroniku napájenou přes optickou infrastrukturu. Tyto architektury výrazně mění požadavky na optický přenos: jednotlivé vlnové délky vláken nebo kanály WDM přenášejí vyhrazené digitální signály do každého vzdáleného uzlu a řada optických zesilovačů 1550 nm musí podporovat provoz WDM s plochým ziskem napříč všemi aktivními kanály současně. Vysoce výkonné EDFA kompatibilní s WDM s integrovanými filtry pro zploštění zisku a automatickým řízením zisku (AGC) jsou vyžadovány k udržení konzistentních úrovní výkonu na kanál, když jsou uzly přidávány nebo odebírány ze sítě bez ručního vyvažování optického zařízení.

Praktické úvahy pro nasazení 1550 nm zesilovačů v HFC závodě

Úspěšné nasazení 1550 nm optických zesilovačů v přenosových zařízeních HFC vyžaduje pozornost několika praktických inženýrských a provozních faktorů, které nejsou zachyceny pouze ve specifikacích datasheetu. Výkon v terénu se může výrazně lišit od výkonu charakterizovaného laboratoří, když jsou zesilovače instalovány v reálném síťovém prostředí s proměnlivou kvalitou vláken, problémy s čistotou konektorů a tepelnými cykly ve venkovních krytech.

• Čistota a kontrola konektoru: Optické konektory na vstupních a výstupních portech zesilovače jsou jediným nejběžnějším zdrojem neočekávaných ztrát vložení a degradace signálu v nasazených HFC optických závodech. Znečištěný konektor APC může přidat 1–3 dB vložného útlumu a generovat zpětné odrazy, které destabilizují provoz zesilovače. Všechny konektory musí být před připojením zkontrolovány vláknovou kontrolní sondou a vyčištěny vhodnými nástroji – vždy bez výjimky. Operátoři by měli udržovat čistotu IEC 61300-3-35 třídy B nebo lepší na všech rozhraních konektorů zesilovače.
• Automatické řízení zisku a automatické řízení výkonu: Optické zesilovače HFC by měly zahrnovat AGC nebo obvody automatického řízení výkonu (APC), které udržují konstantní výstupní výkon, když se úrovně vstupního signálu mění v důsledku změn ve výrobě vláken, změn teplot vyvolaných ztrát nebo rekonfigurací předřazené sítě. Bez AGC/APC způsobí snížení vstupního výkonu – způsobené degradací vláken, stárnutím konektoru nebo změnami optické cesty – proporcionální snížení výstupního výkonu, který se kaskádovitě šíří přes downstream zesilovače a snižuje CNR v uzlech vláken. Specifikace zesilovačů se stabilitou výstupního výkonu ±0,5 dB v celém provozním rozsahu vstupního výkonu je standardní praxí pro spolehlivou HFC optickou zařízení.
• Optická izolace a řízení zpětného odrazu: Stimulovaný Brillouinův rozptyl (SBS) a Rayleighův zpětný rozptyl v dlouhých rozpětích vláken generují optický šum, který může znovu vstoupit do zesilovacích stupňů a snížit výkon. Vysoce výkonné zesilovače pracující nad 17 dBm musí obsahovat optické izolátory na vstupních i výstupních portech a konstrukce vláknové elektrárny musí zahrnovat dostatečnou rezervu ztráty optického zpětného toku. APC-leštěné konektory (ORL typicky >60 dB) a fúzní spoje (ORL >60 dB) jsou silně preferovány před UPC konektory (ORL typicky 45–50 dB) ve vysoce výkonných 1550 nm přenosových systémech.
• Tepelný management ve venkovních krytech: Optické zesilovače HFC nasazené ve venkovních podstavcích nebo krytech antény dosahují v mnoha geografických oblastech teplotní rozsahy od -40 °C do 60 °C. Laserové diody pumpy zesilovače – 980 nm nebo 1480 nm zdroje, které řídí zisk EDFA – jsou komponenty citlivé na teplotu, jejichž výstupní výkon, vlnová délka a životnost jsou ovlivněny provozní teplotou. Specifikace zesilovačů s termoelektrickými chladiči (TEC) na laserových modulech čerpadel a ověření jmenovitého výkonu v celém rozsahu provozních teplot je zásadní pro spolehlivé venkovní nasazení. Přední výrobci sérií optických zesilovačů HFC nyní nabízejí rozšířené rozsahy provozních teplot od -40 °C do 65 °C, aby tento požadavek výslovně řešili.
• Správa sítě a vzdálené monitorování: Moderní řada 1550 nm optických zesilovačů pro aplikace HFC zahrnuje rozhraní pro správu sítě kompatibilní se SNMP, monitorování optického výkonu na vstupních a výstupních portech, telemetrii proudu a teploty pumpy a výstupy alarmů pro stavy mimo rozsah. Integrace správy zesilovače do systému správy koncové stanice (HMS) nebo systému správy prvků (EMS) kabelového operátora umožňuje proaktivní identifikaci chyb dříve, než dojde k poruchám ovlivňujícím službu, a poskytuje údaje o trendech výkonu potřebné k naplánování preventivní údržby předtím, než degradace komponent dosáhne prahu konce životnosti.

Výběr správné řady 1550 nm optických zesilovačů pro vaši síť HFC

S jasnou znalostí typů zesilovačů, výkonových specifikací a úvah o nasazení mohou síťoví inženýři přistupovat k výběru zesilovačů systematicky. Proces výběru by se měl řídit definovanou posloupností kroků, které převádějí požadavky na návrh sítě do produktových specifikací:

• Určete rozpočet optického spoje: Vypočítejte celkovou ztrátu od koncového vysílače k nejvzdálenějšímu optickému uzlu, včetně útlumu rozpětí vláken, ztrát ve spojích, ztrát konektorů a ztrát vložením optického rozdělovače. Tento linkový rozpočet určuje celkový zisk požadovaný ze všech zesilovacích stupňů dohromady a stanoví výstupní výkon požadovaný z každého jednotlivého zesilovače na základě jeho pozice v řetězci.
• Vypočítejte CNR v uzlu vlákna: Pomocí kaskádového šumového čísla všech stupňů zesilovače od koncové stanice po uzel vypočítejte optický SNR dostupný na vstupu fotodetektoru uzlu. Převeďte na RF CNR pomocí indexu modulace, hloubky optické modulace RF signálu a citlivosti fotodetektoru. Ověřte, že vypočtený CNR splňuje minimum požadované pro modulaci nejvyššího řádu používanou v RF zařízení – obvykle 256-QAM OFDM pro DOCSIS 3.1, vyžadující CNR nad 52–54 dB.
• Ověřte kompatibilitu WDM, pokud je to možné: U sítí využívajících více vlnových délek na jednom vláknu ověřte, že vybraná řada zesilovačů poskytuje plochý zisk na všech provozních vlnových délkách současně a že možnosti filtru zploštění zisku jsou dostupné pro kaskádové konfigurace s více zesilovači, kde by akumulace sklonu zisku jinak způsobila nepřijatelnou nerovnováhu výkonu kanálu.
• Potvrďte fyzické a environmentální specifikace: Přizpůsobte tvarový faktor zesilovače – šasi pro montáž do racku, samostatnou jednotku 1U nebo venkovní montáž na podstavec – s dostupnou instalační infrastrukturou. Ověřte rozsah provozních teplot, možnosti napájecího napětí, stupeň ochrany proti vniknutí pro venkovní použití a shodu s příslušnými normami včetně IEC 60825 pro bezpečnost laseru a Telcordia GR-1312 pro kvalifikaci spolehlivosti EDFA.