Korištenje optičkih pojačala od 1550 nm u opremi za HFC prijenos

Zašto je 1550 nm dominantna valna duljina za HFC optički prijenos

Hibridne optičko-koaksijalne (HFC) mreže čine okosnicu distribucije kabelske televizije i širokopojasnog interneta za stotine milijuna pretplatnika širom svijeta. U tim mrežama optička vlakna prenose širokopojasne signale od glavne stanice kabela do čvorova vlakana raspoređenih po područjima usluga, gdje se optički signal pretvara u RF i distribuira preko koaksijalnog kabela do pojedinačnih domova i tvrtki. Izbor 1550 nm kao radne valne duljine za ovaj segment optičkog prijenosa nije proizvoljan - proizvod je dviju odlučujućih fizičkih prednosti koje definiraju ekonomičnost i performanse optičkog prijenosa na velike udaljenosti. Standardno jednomodno vlakno pokazuje svoje apsolutno minimalno prigušenje na približno 1550 nm, s tipičnim gubicima od 0,18–0,20 dB/km u usporedbi s 0,35 dB/km na prozoru od 1310 nm koji se koristi u aplikacijama kraćeg dometa. Ovo smanjenje gubitka vlakana izravno se prevodi u dulje raspone pojačala, manje stupnjeva optičkog pojačanja i niže troškove infrastrukture po kilometru postrojenja.

Druga odlučujuća prednost je dostupnost vlaknastih pojačala dopiranih erbijem (EDFA)—praktična, pouzdana i isplativa optička pojačala koja rade točno u C-pojasu 1530–1570 nm i L-pojasu 1570–1620 nm, oba usredotočena na prozor prijenosa od 1550 nm. EDFA transformiraju optički prijenos na velike udaljenosti omogućujući izravno optičko pojačanje bez skupe i latencije uvodne optičko-električno-optičke (OEO) pretvorbe koju je zahtijevala ranija tehnologija regenerativnih repetitora. Konkretno za HFC mreže, kombinacija niskog gubitka vlakana i EDFA pojačanja omogućuje raspone optičkog prijenosa od 40-100 km između stupnjeva pojačanja, omogućujući kabelskim operaterima da opslužuju velika geografska područja usluga iz centraliziranih glavnih objekata s dramatično smanjenom infrastrukturom čvorova u usporedbi s alternativama kraće valne duljine.

Kako 1550 nm optička pojačala rade u HFC sustavima

A 1550 nm optičko pojačalo u HFC prijenosnom sustavu funkcionira izravnim pojačavanjem optičkog signala koji se prenosi vlaknom bez pretvaranja u električni signal. Dominantna tehnologija je vlaknasto pojačalo dopirano erbijem, koje koristi kratko optičko vlakno čija je jezgra dopirana ionima erbija (Er³⁺). Kada se vlakno dopirano erbijem pumpa laserskim svjetlom velike snage na 980 nm ili 1480 nm, ioni erbija se pobuđuju u više energetsko stanje. Kada signalni foton od 1550 nm prođe kroz dopirano vlakno, stimulira pobuđene ione erbija da emitiraju dodatne fotone na potpuno istoj valnoj duljini i fazi - proces koji se naziva stimulirana emisija koji proizvodi koherentno optičko pojačanje. Ovaj mehanizam pojačanja pojačava signal preko pojasne širine koja obuhvaća cijeli C-pojas, čineći EDFA kompatibilnim s HFC prijenosom s jednom valnom duljinom i s multipleksiranim valnim duljinama (WDM) sustavima koji prenose više kanala istovremeno na jednom vlaknu.

U tipičnom HFC optičkom postrojenju, glavni odašiljač pretvara kombinirani spektar RF signala—koji se može protezati od 5 MHz do 1,2 GHz za DOCSIS 3.1 sustave—u optički signal pomoću izravno moduliranog ili eksterno moduliranog lasera koji radi na 1550 nm. Ovaj signal se zatim šalje u postrojenje za distribuciju vlakana. Tamo gdje je snaga signala prigušena na razinu koja bi degradirala omjer nosioca i šuma (CNR) u čvoru vlakana, optičko pojačalo se umeće u liniju kako bi se snaga signala vratila na potrebnu razinu. Pojačani signal se nastavlja kroz dodatne raspone vlakana dok ne dođe do čvora vlakana, gdje ga fotodetektor pretvara natrag u RF električni signal za distribuciju preko koaksijalnog dijela mreže.

Vrste 1550 nm optičkih pojačala koja se koriste u HFC prijenosu

Obitelj proizvoda optičkog pojačala od 1550 nm koja se koristi u HFC mrežama obuhvaća nekoliko različitih konfiguracija pojačala optimiziranih za različite pozicije u arhitekturi optičkog prijenosa. Razumijevanje gdje se koja vrsta primjenjuje i koje karakteristike izvedbe definiraju svaku ključnu su za mrežne inženjere koji projektiraju ili nadograđuju HFC optičko postrojenje.

Booster pojačala (naknadna pojačala)

Pojačivači za pojačavanje postavljeni su odmah iza glavnog odašiljača kako bi se povećala snaga lansiranja u postrojenje za distribuciju vlakana. Budući da je ulazni signal već na relativno visokoj razini snage od odašiljača, dodatna pojačala su dizajnirana za visoku izlaznu snagu, a ne za nisku vrijednost buke—tipične specifikacije izlazne snage za HFC pojačala za pojačanje kreću se od 17 dBm do 23 dBm ili više za visoko podijeljene ili distribuirane pristupne arhitekture (DAA). Primarna funkcija dodatnog pojačala je kompenzacija unesenog gubitka optičkih razdjelnika koji dijele signal na više staza vlakana koji opslužuju različite segmente područja usluge, kao i prigušenje prvog raspona vlakana. Pojačalo na glavnoj stanici s izlaznom snagom od 20 dBm koje pokreće optički razdjelnik 1:8 (približno 9 dB gubitak u razdjeljku) lansira približno 11 dBm u svaki od osam izlaznih vlakana – dovoljno za pogon raspona od 25–40 km prije nego što bude potrebno dodatno pojačanje.

In-Line pojačala

In-line pojačala postavljaju se na srednjim točkama u rasponima dugotrajnih vlakana gdje je snaga signala pala ispod minimalne razine potrebne za održavanje prihvatljivog CNR-a na sljedećem čvoru ili pojačalu. Ova pojačala moraju uravnotežiti pojačanje, izlaznu snagu i broj šuma - broj šuma je posebno kritičan jer svaki stupanj pojačala u liniji dodaje šum pojačane spontane emisije (ASE) koji se akumulira duž optičke putanje i na kraju ograničava ostvarivi CNR na čvoru vlakna. In-line pojačala za HFC prijenos obično daju pojačanje od 15-25 dB s izlaznom snagom od 13 do 17 dBm i vrijednostima šuma od 5-7 dB. Višestupanjska linijska pojačala s pristupom srednjem stupnju—omogućujući umetanje optičkih prigušivača ili filtara za izravnavanje pojačanja između stupnjeva pojačanja—postižu niže efektivne vrijednosti šuma od jednostupanjskih dizajna pri ekvivalentnoj izlaznoj snazi.

Pojačala koja pokreću čvorove (pretpojačala)

Pojačala koja upravljaju čvorovima, ponekad se nazivaju distribucijskim pojačalima ili optičkim linijskim pojačalima (OLA), postavljena su neposredno ispred optičkog čvora ili točke optičkog razdjelnika kako bi se pojačao signal do razine potrebne za istovremeno pokretanje više izlaza nizvodnog čvora. Ova pojačala karakterizira visoka sposobnost izlazne snage u kombinaciji s dovoljnim pojačanjem za rad s niskim razinama ulazne snage—oni moraju osigurati odgovarajući izlaz čak i kada je ulazna snaga pala na -3 do -10 dBm nakon dugog raspona vlakana. Specifikacije izlazne snage za pojačala koja pokreću čvorove kreću se od 17 do 27 dBm u konfiguracijama velike snage, s nekim vrhunskim proizvodima u seriji optičkih pojačala od 1550 nm koji dosežu 30 dBm za pokretanje velikih omjera optičkog dijeljenja koji služe gustim postavama čvorova.

Ključne specifikacije performansi i kako one utječu na dizajn HFC mreže

Odabir pravog 1550 nm optičkog pojačala za HFC aplikaciju zahtijeva jasno razumijevanje specifikacija performansi objavljenih u podatkovnim tablicama proizvođača i kako se svaki parametar pretvara u stvarno ponašanje mreže. Sljedeća tablica sažima kritične specifikacije pojačala i njihove implikacije na mrežni dizajn:

Brojka šuma zaslužuje posebnu pozornost jer se njegov utjecaj spaja kroz kaskadne lance pojačala. Svaki stupanj pojačala dodaje ASE šum, a ukupna akumulacija optičkog šuma određuje CNR na vlaknastom čvoru—parametar koji u konačnici postavlja kvalitetu RF signala distribuiranih preko koaksijalnog dijela HFC postrojenja. Tipično je potreban CNR od najmanje 52 dB na optičkom čvoru za održavanje odgovarajuće performanse kompozitnog drugog reda (CSO), kompozitnog trostrukog otkucaja (CTB) i veličine vektora greške (EVM) za DOCSIS 3.1 OFDM kanale. Mrežni inženjeri moraju izvršiti kaskadne proračune vrijednosti buke na svim stupnjevima pojačala od glavnog čvora do čvora kako bi provjerili usklađenost s CNR-om prije dovršetka postavljanja i specifikacije pojačala.

Položaj optičkog pojačala u arhitekturi HFC čvora

Arhitektura modernih HFC mreža značajno je evoluirala uvođenjem čvora 0 (fiber deep), arhitekture distribuiranog pristupa (DAA) i udaljenih PHY/daljinskih MACPHY implementacija, a sve to mijenja mjesto na kojem se postavljaju optička pojačala i kakve performanse moraju isporučiti. Razumijevanje načina na koji se položaj pojačala preslikava na ove arhitekture koje se razvijaju bitno je za inženjere koji nadograđuju postojeće HFC postrojenje za podršku DOCSIS 3.1 i budućim DOCSIS 4.0 uslugama.

Tradicionalna arhitektura od vlakana do čvora

U tradicionalnoj HFC arhitekturi, jedan optički odašiljač velike snage od 1550 nm na glavnoj stanici pokreće postrojenje za distribuciju vlakana kroz niz optičkih razdjelnika i in-line pojačala za opsluživanje više čvorova vlakana, od kojih svaki opslužuje 500-2000 domova. Optička pojačala postavljaju se u intervalima određenim akumuliranim prigušenjem vlakana i razdvojenim gubicima kako bi se održala odgovarajuća ulazna snaga na svakom nizvodnom čvoru. Tipična konfiguracija koristi pojačalo na glavnoj stanici koje pokreće primarni razdjelnik 1:4 ili 1:8, s linijskim pojačalima postavljenim 15-30 km nizvodno kako bi se kompenziralo slabljenje raspona vlakana prije nego što sekundarni razdjelnici napajaju pojedinačne čvorove vlakana. Ova topologija zvjezdanog stabla optimizirana je za ekonomičnu izgradnju postrojenja za vlakna, ali koncentrira značajan dobitak pojačala u dugim kaskadama koje izazivaju CNR performanse.

Fiber Deep i arhitekture distribuiranog pristupa

Arhitekture s dubinom vlakana guraju vlakna bliže kupcu, smanjujući područja opsluživanja čvorova na 50–150 domova i eliminirajući većinu kaskade koaksijalnih pojačala. Udaljene PHY i udaljene MACPHY DAA implementacije premještaju obradu fizičkog sloja DOCSIS s glavnog čvora na optički čvor, koji sada sadrži aktivnu digitalnu elektroniku koja se napaja preko optičke infrastrukture. Ove arhitekture značajno mijenjaju zahtjeve optičkog prijenosa: pojedinačne valne duljine vlakana ili WDM kanali prenose namjenske digitalne signale do svakog udaljenog čvora, a serija optičkih pojačala od 1550 nm mora podržavati WDM rad s ravnim pojačanjem na svim aktivnim kanalima istovremeno. EDFA-i velike snage kompatibilni s WDM-om s integriranim filtrima za izravnavanje pojačanja i automatskom kontrolom pojačanja (AGC) potrebni su za održavanje konzistentnih razina snage po kanalu kako se čvorovi dodaju ili uklanjaju iz mreže bez ručnog ponovnog balansiranja optičkog postrojenja.

Praktična razmatranja za postavljanje 1550 nm pojačala u HFC postrojenju

Uspješna implementacija 1550 nm optičkih pojačala u HFC prijenosnoj opremi zahtijeva pozornost na nekoliko praktičnih inženjerskih i operativnih čimbenika koji nisu obuhvaćeni samo specifikacijama podatkovne tablice. Terenske performanse mogu značajno odstupati od laboratorijski karakteriziranih performansi kada su pojačala instalirana u stvarnim mrežnim okruženjima s promjenjivom kvalitetom vlakana, problemima s čistoćom konektora i toplinskim ciklusima u vanjskim kućištima.

• Čistoća konektora i pregled: Optički konektori na ulaznim i izlaznim portovima pojačala najčešći su izvor neočekivanog unesenog gubitka i degradacije signala u postavljenom HFC optičkom postrojenju. Kontaminirani APC konektor može dodati 1-3 dB insercionog gubitka i generirati povratne refleksije koje destabiliziraju rad pojačala. Svi konektori moraju biti pregledani sondom za inspekciju vlakana i očišćeni odgovarajućim alatima prije spajanja—svaki put, bez iznimke. Operateri bi trebali održavati IEC 61300-3-35 stupanj B čistoće ili bolji na svim sučeljima konektora pojačala.
• Automatska kontrola pojačanja i automatska kontrola snage: HFC optička pojačala trebaju uključivati AGC ili sklop za automatsku kontrolu snage (APC) koji održava konstantnu izlaznu snagu dok razine ulaznog signala variraju zbog promjena u pogonu vlakana, varijacija gubitaka izazvanih temperaturom ili rekonfiguracija uzvodne mreže. Bez AGC/APC-a, smanjenje ulazne snage—uzrokovano degradacijom vlakana, starenjem konektora ili promjenama optičkog puta—uzrokuje proporcionalno smanjenje izlazne snage koja kaskadno prolazi kroz nizvodna pojačala i smanjuje CNR u čvorovima vlakana. Određivanje pojačala sa stabilnošću izlazne snage od ±0,5 dB u punom radnom rasponu ulazne snage standardna je praksa za pouzdana HFC optička postrojenja.
• Optička izolacija i upravljanje povratnom refleksijom: Stimulirano Brillouinovo raspršenje (SBS) i Rayleighovo raspršenje unatrag u dugim rasponima vlakana stvaraju optički šum koji može ponovno ući u stupnjeve pojačala i pogoršati performanse. Pojačivači visoke snage koji rade iznad 17 dBm moraju uključivati ​​optičke izolatore i na ulaznim i na izlaznim priključcima, a dizajn postrojenja s vlaknima mora uključivati ​​dovoljnu marginu optičkog povratnog gubitka. APC-polirani konektori (ORL obično >60 dB) i fuzijski spojevi (ORL >60 dB) imaju veliku prednost nad UPC konektorima (ORL obično 45-50 dB) u prijenosnim sustavima velike snage 1550 nm.
• Upravljanje toplinom u vanjskim kućištima: HFC optička pojačala postavljena na vanjskim postoljima ili zračnim kućištima imaju raspon temperature okoline od -40°C do 60°C u mnogim geografskim regijama. Laserske diode za pumpu pojačala—izvori od 980 nm ili 1480 nm koji pokreću pojačanje EDFA—komponente su osjetljive na temperaturu na čiju izlaznu snagu, valnu duljinu i vijek trajanja utječe radna temperatura. Određivanje pojačala s termoelektričnim hladnjacima (TEC) na laserskim modulima pumpe i provjera nazivne izvedbe u cijelom rasponu radnih temperatura ključna je za pouzdanu vanjsku primjenu. Proširene radne temperaturne raspone od -40°C do 65°C sada nude vodeći proizvođači serije HFC optičkih pojačala kako bi se eksplicitno riješio ovaj zahtjev.
• Upravljanje mrežom i daljinski nadzor: Moderna serija optičkih pojačala od 1550 nm za HFC aplikacije uključuje sučelja za upravljanje mrežom kompatibilna sa SNMP-om, nadzor optičke snage na ulaznim i izlaznim portovima, telemetriju struje i temperature lasera pumpe i alarmne izlaze za uvjete izvan raspona. Integracija upravljanja pojačalom u sustav upravljanja glavnom stanicom kabelskog operatera (HMS) ili sustav upravljanja elementima (EMS) omogućuje proaktivnu identifikaciju grešaka prije nego što dođe do kvarova koji utječu na uslugu i pruža podatke o trendu performansi koji su potrebni za planiranje preventivnog održavanja prije nego što degradacija komponente dosegne pragove na kraju životnog vijeka.

Odabir odgovarajuće serije optičkog pojačala od 1550 nm za vašu HFC mrežu

S jasnim razumijevanjem tipova pojačala, specifikacija performansi i razmatranja postavljanja, mrežni inženjeri mogu sustavno pristupiti izboru pojačala. Proces odabira trebao bi slijediti definirani slijed koraka koji prevode zahtjeve dizajna mreže u specifikacije proizvoda:

• Odredite proračun optičke veze: Izračunajte ukupni gubitak od glavnog odašiljača do najudaljenijeg optičkog čvora, uključujući prigušenje raspona vlakana, gubitke spojeva, gubitke konektora i gubitke umetanja optičkog razdjelnika. Ovaj proračun veze određuje ukupno pojačanje potrebno od svih stupnjeva pojačala zajedno i uspostavlja izlaznu snagu potrebnu za svako pojedinačno pojačalo na temelju njegove pozicije u lancu.
• Izračunajte CNR na vlaknastom čvoru: Koristeći kaskadni broj šuma svih stupnjeva pojačala od glavnog čvora do čvora, izračunajte optički SNR dostupan na ulazu fotodetektora čvora. Pretvorite u RF CNR pomoću indeksa modulacije, dubine optičke modulacije RF signala i odziva fotodetektora. Provjerite zadovoljava li izračunati CNR minimum potreban za modulaciju najvišeg reda koja se koristi u RF postrojenju—obično 256-QAM OFDM za DOCSIS 3.1, zahtijevajući CNR iznad 52–54 dB.
• Provjerite WDM kompatibilnost ako je primjenjivo: Za mreže koje koriste više valnih duljina na jednom vlaknu, potvrdite da odabrana serija pojačala pruža ravno pojačanje na svim radnim valnim duljinama istovremeno i da su opcije filtra izravnavanja pojačanja dostupne za kaskadne konfiguracije s više pojačala gdje bi nakupljanje nagiba pojačanja inače uzrokovalo neprihvatljivu neravnotežu snage kanala.
• Potvrdite fizičke i ekološke specifikacije: Uskladite faktor forme pojačala—kartica kućišta za montažu u stalak, samostalna 1U jedinica ili vanjska montaža na postolje—dostupnoj instalacijskoj infrastrukturi. Provjerite raspon radne temperature, opcije napona napajanja, ocjenu zaštite od prodora za vanjsku primjenu i usklađenost s relevantnim standardima uključujući IEC 60825 za sigurnost lasera i Telcordia GR-1312 za EDFA kvalifikaciju pouzdanosti.