1550 nm-es optikai erősítők használata HFC átviteli berendezésekben

Miért az 1550 nm a domináns hullámhossz a HFC optikai átvitelnél?

A hibrid szálas-koaxiális (HFC) hálózatok képezik a kábeltelevíziós és szélessávú internetelosztás gerincét előfizetők százmilliói számára világszerte. Ezekben a hálózatokban az optikai szál szélessávú jeleket továbbít a kábel fejállomásától a száloptikai csomópontokig, a szolgáltatási területeken elosztva, ahol az optikai jelet RF-vé alakítják, és koaxiális kábelen továbbítják az egyéni otthonokhoz és vállalkozásokhoz. Az 1550 nm-es működési hullámhossz erre az optikai átviteli szegmensre nem önkényes – ez két döntő fizikai előny eredménye, amelyek meghatározzák a nagy távolságú optikai átvitel gazdaságosságát és teljesítményét. A szabványos egymódusú szál abszolút minimális csillapítása körülbelül 1550 nm-en érhető el, tipikus vesztesége 0,18–0,20 dB/km, szemben a rövidebb hatótávolságú alkalmazásoknál használt 1310 nm-es ablaknál alkalmazott 0,35 dB/km-es veszteséggel. Ez a szálveszteség csökkenése közvetlenül megnöveli az erősítő hatótávolságát, kevesebb optikai erősítési fokozatot és alacsonyabb infrastruktúra-költséget jelent egy kilométerenkénti üzemre vetítve.

A második döntő előny az erbiummal adalékolt szálas erősítők (EDFA) elérhetősége – praktikus, megbízható és költséghatékony optikai erősítők, amelyek pontosan az 1530–1570 nm-es C-sávban és az 1570–1620 nm-es L-sávban működnek, mindkettő az nm15-ös átviteli ablak közepén. Az EDFA-k átalakították a nagy távolságú optikai átvitelt azáltal, hogy lehetővé tették a közvetlen optikai erősítést a költséges és késleltetést okozó optikai-elektromos-optikai (OEO) átalakítás nélkül, amelyet a korábbi regeneratív ismétlő technológia igényelt. Kifejezetten a HFC-hálózatok esetében az alacsony szálveszteség és az EDFA-erősítés kombinációja 40–100 km-es optikai átviteli tartományt tesz lehetővé az erősítési fokozatok között, lehetővé téve a kábelszolgáltatók számára, hogy nagy földrajzi szolgáltatási területeket szolgáljanak ki központi fejállomási létesítményekből, drámaian csökkentett csomóponti infrastruktúrával a rövidebb hullámhosszú alternatívákhoz képest.

Hogyan működnek az 1550 nm-es optikai erősítők a HFC rendszerekben

A 1550 nm-es optikai erősítő egy HFC átviteli rendszerben úgy működik, hogy közvetlenül erősíti a szálon továbbított optikai jelet anélkül, hogy azt elektromos jellé alakítaná. A domináns technológia az erbiummal adalékolt szálas erősítő, amely egy rövid optikai szálat használ, amelynek magja erbium-ionokkal (Er³⁺) van adalékolva. Amikor az erbiummal adalékolt szálat nagy teljesítményű lézerfénnyel pumpálják 980 nm-en vagy 1480 nm-en, az erbium ionok magasabb energiájú állapotba gerjesztődnek. Amikor egy 1550 nm-es jelfoton áthalad az adalékolt szálon, az arra ösztönzi a gerjesztett erbium ionokat, hogy további fotonokat bocsátanak ki pontosan ugyanolyan hullámhosszon és fázisban – ezt a folyamatot stimulált emissziónak nevezik, amely koherens optikai erősítést eredményez. Ez az erősítési mechanizmus a teljes C-sávon átívelő sávszélességen erősíti a jelet, így az EDFA-k kompatibilisek mind az egyhullámú HFC átvitellel, mind a hullámhossz-osztásos multiplex (WDM) rendszerekkel, amelyek több csatornát hordoznak egyidejűleg egyetlen szálon.

Egy tipikus HFC optikai üzemben a fejállomási adó a kombinált rádiófrekvenciás jelspektrumot – amely 5 MHz-től 1,2 GHz-ig terjedhet DOCSIS 3.1 rendszerek esetén – optikai jellé alakítja át 1550 nm-en működő, közvetlenül modulált vagy külsőleg modulált lézer segítségével. Ezt a jelet azután elindítják a szálelosztó üzembe. Ha a jelteljesítmény olyan szintre gyengült, amely rontja a vivő-zaj viszonyt (CNR) a szál csomóponton, egy optikai erősítőt helyeznek be a sorba, hogy a jelteljesítményt a kívánt szintre állítsák vissza. Az erősített jel további szálfesztávokon keresztül folytatódik, amíg el nem éri a szálas csomópontot, ahol egy fotodetektor visszaalakítja azt RF elektromos jellé, hogy a hálózat koaxiális részén eloszlassa.

A HFC átvitelben használt 1550 nm-es optikai erősítők típusai

A HFC hálózatokban használt 1550 nm-es optikai erősítő termékcsalád több különálló erősítő konfigurációt foglal magában, amelyek az optikai átviteli architektúra különböző pozícióira vannak optimalizálva. Az egyes típusok alkalmazási helyének és teljesítményjellemzőinek megértése elengedhetetlen a HFC optikai berendezéseket tervező vagy frissítő hálózatmérnökök számára.

Booster erősítők (utóerősítők)

A booster erősítők közvetlenül a fejállomási adó után helyezkednek el, hogy növeljék a szálelosztó berendezés indítóteljesítményét. Mivel a bemeneti jel már viszonylag magas teljesítményszinten érkezik az adóból, az erősítő erősítőket nagy kimeneti teljesítményre tervezték, nem pedig alacsony zajszintre – a HFC booster erősítők tipikus kimeneti teljesítménye 17 dBm és 23 dBm vagy magasabb tartományban van a nagy felosztású vagy elosztott hozzáférésű architektúrák (DAA) telepítései esetén. A booster erősítő elsődleges funkciója az optikai elosztók beillesztési veszteségének kompenzálása, amelyek a jelet több optikai szálra osztják, amelyek különböző szolgáltatási terület szegmenseket szolgálnak ki, valamint az első szálszélesség csillapítását. A fejállomási erősítő 20 dBm kimeneti teljesítménnyel, 1:8-as optikai elosztóval (körülbelül 9 dB-es felosztási veszteséggel) körülbelül 11 dBm-t bocsát ki a nyolc kimeneti szál mindegyikére – ez elegendő 25–40 km-es tartományok meghajtásához, mielőtt további erősítésre lenne szükség.

Soron belüli erősítők

Az in-line erősítőket a hosszú távú szálak közbülső pontjain telepítik, ahol a jelteljesítmény az elfogadható CNR fenntartásához szükséges minimális szint alá esett a következő csomópontnál vagy erősítőnél. Ezeknek az erősítőknek egyensúlyban kell tartaniuk az erősítést, a kimeneti teljesítményt és a zajszintet – ez a zajszám különösen kritikus, mivel minden soron belüli erősítőfokozat erősített spontán emissziós (ASE) zajt ad hozzá, amely felhalmozódik az optikai út mentén, és végső soron korlátozza az elérhető CNR-t a szál csomópontjában. A HFC átvitelhez használt soros erősítők általában 15–25 dB erősítést biztosítanak 13–17 dBm kimenő teljesítménnyel és 5–7 dB zajszinttel. A középfokozatú hozzáféréssel rendelkező többfokozatú soros erősítők – lehetővé téve az optikai csillapítók vagy az erősítést kiegyenlítő szűrők beillesztését az erősítési fokozatok közé – alacsonyabb effektív zajszintet érnek el, mint az egyfokozatú kialakítások azonos kimeneti teljesítmény mellett.

Csomópont-meghajtó erősítők (előerősítők)

A csomópont-meghajtó erősítők, amelyeket néha elosztási erősítőknek vagy optikai vonalerősítőknek (OLA) is neveznek, közvetlenül a szálas csomópont vagy az optikai elosztópont előtt helyezkednek el, hogy a jelet arra a szintre erősítsék, amely több lefelé irányuló csomóponti kimenet egyidejű meghajtásához szükséges. Ezeket az erősítőket nagy kimenőteljesítmény jellemzi, elegendő erősítéssel kombinálva az alacsony bemeneti teljesítményszintről történő működéshez – megfelelő kimenetet kell biztosítaniuk még akkor is, ha a bemeneti teljesítmény –3 és –10 dBm közötti értékre esett le hosszú szálfesztávolság után. A csomópont-meghajtó erősítők kimeneti teljesítménye 17 és 27 dBm között van nagy teljesítményű konfigurációkban, az 1550 nm-es optikai erősítő sorozat néhány prémium terméke pedig eléri a 30 dBm-t a nagy optikai felosztási arányok meghajtásához, amelyek sűrű csomóponti telepítéseket szolgálnak.

Legfontosabb teljesítményspecifikációk és hogyan befolyásolják a HFC hálózattervezést

A megfelelő 1550 nm-es optikai erősítő kiválasztása HFC-alkalmazáshoz megköveteli a gyártói adatlapokon közzétett teljesítményspecifikációk világos megértését, valamint azt, hogy az egyes paraméterek hogyan alakulnak át a valós hálózati viselkedésben. Az alábbi táblázat összefoglalja a kritikus erősítő specifikációit és azok hálózattervezési vonatkozásait:

A zajfigura különös figyelmet érdemel, mert a kaszkádos erősítőláncokon keresztül hat. Minden egyes erősítőfokozat hozzáad ASE zajt, és a teljes optikai zaj akkumulációja határozza meg a CNR-t a szál csomópontjában – ez a paraméter, amely végső soron meghatározza a HFC erőmű koaxiális részén elosztott RF jelek minőségét. Az optikai csomóponton legalább 52 dB CNR általában szükséges a megfelelő összetett másodrendű (CSO), kompozit tripla ütem (CTB) és hibavektor magnitúdó (EVM) teljesítményének fenntartásához a DOCSIS 3.1 OFDM csatornákhoz. A hálózati mérnököknek lépcsőzetes zajszámításokat kell végezniük az összes erősítőfokozatban a fejállomástól a csomópontig, hogy ellenőrizzék a CNR-megfelelőséget az erősítő elhelyezésének és specifikációjának véglegesítése előtt.

Optikai erősítő elhelyezése a HFC csomóponti architektúrában

A modern HFC-hálózatok architektúrája jelentősen fejlődött a 0-ás csomópont (szál mélység), az elosztott hozzáférésű architektúra (DAA) és a távoli PHY/távoli MACPHY telepítések bevezetésével, amelyek mindegyike megváltoztatja az optikai erősítők elhelyezését és teljesítményét. A meglévő HFC-üzemet a DOCSIS 3.1 és a jövőbeli DOCSIS 4.0 szolgáltatások támogatására frissítő mérnökök számára elengedhetetlen annak megértése, hogy az erősítők hogyan illeszkednek ezekhez a fejlődő architektúrákhoz.

Hagyományos Fiber-to-the-Node architektúra

A hagyományos HFC architektúrában egyetlen nagy teljesítményű, 1550 nm-es optikai adó a fejállomáson egy sor optikai elosztón és soros erősítőkön keresztül hajtja meg a szálelosztó üzemet, hogy több szálas csomópontot szolgáljon ki, amelyek mindegyike 500–2000 áthaladt otthont szolgál ki. Az optikai erősítőket a felhalmozott szálcsillapítás és a felosztási veszteségek által meghatározott időközönként helyezik el a megfelelő bemeneti teljesítmény fenntartása érdekében az egyes lefelé irányuló csomópontokon. Egy tipikus konfiguráció fejállomási erősítőt használ, amely egy 1:4 vagy 1:8 arányú elsődleges elosztót hajt meg, és a soros erősítők 15–30 km-re lefelé helyezkednek el, hogy kompenzálják a szál span csillapítását, mielőtt a másodlagos osztók táplálják az egyes szálcsomópontokat. Ezt a csillagfa topológiát a gazdaságos szálas üzemek építésére optimalizálták, de jelentős erősítő-nyereséget koncentrál a hosszú kaszkádokban, amelyek megkérdőjelezik a CNR teljesítményt.

Fibre Deep és elosztott hozzáférésű architektúrák

A szálas mélységű architektúrák az üvegszálat közelebb tolják az ügyfélhez, így 50–150 átadott otthonra csökkentik a csomóponti kiszolgálási területet, és megszüntetik a koaxiális erősítő kaszkád nagy részét. A távoli PHY és távoli MACPHY DAA telepítések áthelyezik a DOCSIS fizikai réteg feldolgozását a fejállomásról az üvegszálas csomópontra, amely immár az üvegszálas infrastruktúrán keresztül táplált aktív digitális elektronikát tartalmaz. Ezek az architektúrák jelentősen megváltoztatják az optikai átviteli követelményeket: az egyes hullámhosszú szálak vagy WDM csatornák dedikált digitális jeleket továbbítanak minden távoli csomóponthoz, és az 1550 nm-es optikai erősítő sorozatnak támogatnia kell a WDM működést lapos erősítéssel az összes aktív csatornán egyszerre. A nagy teljesítményű WDM-kompatibilis EDFA-kra integrált erősítési simító szűrőkkel és automatikus erősítésszabályozással (AGC) van szükség ahhoz, hogy konzisztens csatornánkénti teljesítményszintet tartsanak fenn, amikor csomópontokat adnak hozzá vagy távolítanak el a hálózatból anélkül, hogy az optikai berendezést manuálisan kiegyensúlyoznák.

Gyakorlati szempontok az 1550 nm-es erősítők HFC üzemben történő telepítéséhez

Az 1550 nm-es optikai erősítők HFC átviteli berendezésekben történő sikeres telepítéséhez több olyan gyakorlati tervezési és működési tényezőre is oda kell figyelni, amelyek nem szerepelnek egyedül az adatlap specifikációiban. A terepi teljesítmény jelentősen eltérhet a laboratóriumban jellemző teljesítménytől, ha az erősítőket valós hálózati környezetbe telepítik, változó szálminőséggel, a csatlakozók tisztaságával és a kültéri házak termikus ciklusával.

• Csatlakozók tisztasága és ellenőrzése: Az erősítő bemeneti és kimeneti portjain található optikai csatlakozók jelentik a váratlan beillesztési veszteség és jelromlás egyetlen leggyakoribb forrását a telepített HFC optikai berendezésekben. A szennyezett APC-csatlakozó 1-3 dB-es beillesztési veszteséget okozhat, és visszaverődéseket generál, amelyek destabilizálják az erősítő működését. Minden csatlakozót szálellenőrző szondával meg kell vizsgálni, és a csatlakoztatás előtt megfelelő szerszámokkal meg kell tisztítani – kivétel nélkül minden alkalommal. A kezelőknek meg kell őrizniük az IEC 61300-3-35 B fokozatú vagy jobb tisztaságot minden erősítő csatlakozó interfészen.
• Automatikus erősítésszabályozás és automatikus teljesítményszabályozás: A HFC optikai erősítőknek AGC vagy automatikus teljesítményszabályozó (APC) áramkört kell tartalmazniuk, amely állandó kimenő teljesítményt tart fenn, mivel a bemeneti jelszintek az üvegszálas üzem változásai, a hőmérséklet okozta veszteségváltozások vagy az upstream hálózat újrakonfigurálása miatt változnak. AGC/APC nélkül a bemeneti teljesítmény csökkenése – amelyet a szálak romlása, a csatlakozó öregedése vagy az optikai út változásai okoznak – a kimeneti teljesítmény arányos csökkenését okozza, ami a downstream erősítőkön keresztül kaszkádolódik, és csökkenti a CNR-t a szál csomópontjainál. A megbízható HFC optikai berendezések szokásos gyakorlata ±0,5 dB kimeneti teljesítménystabilitású erősítők megadása a teljes bemeneti teljesítmény működési tartományában.
• Optikai leválasztás és visszaverődés kezelése: A stimulált Brillouin-szórás (SBS) és a Rayleigh-visszaszórás hosszú szálhosszúságban optikai zajt hoz létre, amely visszaléphet az erősítő fokozataiba, és ronthatja a teljesítményt. A 17 dBm felett működő nagy teljesítményű booster erősítőknek optikai leválasztókat kell tartalmazniuk mind a bemeneti, mind a kimeneti portokon, és az üvegszálas berendezés kialakításának megfelelő optikai visszatérési veszteséget kell tartalmaznia. A nagy teljesítményű, 1550 nm-es átviteli rendszerekben az APC-polírozott csatlakozókat (ORL jellemzően >60 dB) és a fúziós toldásokat (ORL >60 dB) határozottan előnyben részesítik az UPC csatlakozókkal (ORL jellemzően 45–50 dB) szemben.
• Hőkezelés kültéri házakban: A kültéri talapzatokon vagy antennaházakban elhelyezett HFC optikai erősítők számos földrajzi régióban –40 °C és 60 °C közötti környezeti hőmérséklet-tartományt tapasztalnak. Az erősítőszivattyús lézerdiódák – a 980 nm-es vagy 1480 nm-es források, amelyek az EDFA-erősítést hajtják végre – olyan hőmérséklet-érzékeny alkatrészek, amelyek kimeneti teljesítményét, hullámhosszát és élettartamát az üzemi hőmérséklet befolyásolja. A megbízható kültéri telepítéshez elengedhetetlen a termoelektromos hűtőkkel (TEC) rendelkező erősítők meghatározása a szivattyú lézermodulokon és a névleges teljesítmény ellenőrzése a teljes üzemi hőmérsékleti tartományban. A HFC optikai erősítő sorozat vezető gyártói most kiterjesztett –40°C és 65°C közötti üzemi hőmérsékleti tartományokat kínálnak, hogy kifejezetten megfeleljenek ennek a követelménynek.
• Hálózatkezelés és távfelügyelet: A modern, 1550 nm-es, HFC alkalmazásokhoz készült optikai erősítősorozatok SNMP-kompatibilis hálózatfelügyeleti interfészeket, optikai teljesítményfigyelést a bemeneti és kimeneti portokon, szivattyú lézeráram- és hőmérséklet-telemetriát, valamint riasztási kimeneteket tartalmaznak a hatótávolságon kívüli állapotokhoz. Az erősítőkezelés integrálása a kábelszolgáltató fejállomás-felügyeleti rendszerébe (HMS) vagy elemkezelő rendszerébe (EMS) lehetővé teszi a proaktív hibaazonosítást, mielőtt a szolgáltatást befolyásoló meghibásodások bekövetkeznének, és biztosítja a teljesítménytrendadatokat a megelőző karbantartás ütemezéséhez, mielőtt az alkatrészromlás eléri az élettartam végi küszöbértéket.

A megfelelő 1550 nm-es optikai erősítő sorozat kiválasztása a HFC hálózathoz

Az erősítőtípusok, a teljesítményspecifikációk és a telepítési szempontok világos megértésével a hálózati mérnökök szisztematikusan közelíthetik meg az erősítő kiválasztását. A kiválasztási folyamatnak meghatározott lépéssorozatot kell követnie, amely a hálózattervezési követelményeket termékspecifikációkká alakítja át:

• Határozza meg az optikai kapcsolat költségvetését: Számítsa ki a fejállomási adótól a legtávolabbi szálcsomópontig tartó teljes veszteséget, beleértve a szálhossz-csillapítást, az illesztési veszteségeket, a csatlakozó veszteségeket és az optikai elosztó beillesztési veszteségeit. Ez a link-költségvetés határozza meg az összes erősítőfokozathoz szükséges teljes erősítést, és meghatározza az egyes erősítők által igényelt kimeneti teljesítményt a láncban elfoglalt helyzetük alapján.
• Számítsa ki a CNR-t a szál csomópontjában: A fejállomástól a csomópontig terjedő összes erősítő fokozat kaszkádos zajadatának felhasználásával számítsa ki a csomóponti fotodetektor bemenetén elérhető optikai SNR-t. Átalakítás RF CNR-re a modulációs index, az RF jel optikai modulációs mélysége és a fotodetektor érzékenysége segítségével. Ellenőrizze, hogy a számított CNR megfelel-e az RF-berendezésben használt legmagasabb rendű modulációhoz szükséges minimumnak – jellemzően 256-QAM OFDM a DOCSIS 3.1-hez, amely 52–54 dB feletti CNR-t igényel.
• Ellenőrizze a WDM-kompatibilitást, ha van: Az egyetlen szálon több hullámhosszt használó hálózatok esetében győződjön meg arról, hogy a kiválasztott erősítősorozat egyenletes erősítést biztosít az összes működési hullámhosszon egyidejűleg, és hogy az erősítést kiegyenlítő szűrő opciók állnak rendelkezésre a lépcsőzetes, több erősítős konfigurációkhoz, ahol az erősítés dőlésszögének felhalmozódása egyébként elfogadhatatlan csatornateljesítmény-kiegyensúlyozatlanságot okozna.
• Erősítse meg a fizikai és környezeti specifikációkat: Illessze az erősítő alaktényezőjét – rackbe szerelhető házkártya, önálló 1U egység vagy kültéri talapzatra szerelhető – a rendelkezésre álló telepítési infrastruktúrához. Ellenőrizze az üzemi hőmérséklet-tartományt, a tápfeszültség-opciókat, a behatolás elleni védelem besorolását kültéri telepítéshez, valamint a vonatkozó szabványoknak való megfelelést, beleértve az IEC 60825 lézerbiztonsági szabványt és a Telcordia GR-1312 szabványt az EDFA megbízhatósági minősítéséhez.