Brug af 1550 nm optiske forstærkere i HFC-transmissionsudstyr

Hvorfor 1550 nm er den dominerende bølgelængde for HFC optisk transmission

Hybrid fiber-koaksiale (HFC) netværk udgør rygraden i kabel-tv og bredbåndsinternetdistribution for hundreder af millioner af abonnenter verden over. I disse netværk fører optisk fiber bredbåndssignaler fra kabelhovedenden til fiberknudepunkter fordelt på hele serviceområder, hvor det optiske signal konverteres til RF og distribueres over koaksialkabel til de enkelte hjem og virksomheder. Valget af 1550 nm som driftsbølgelængde for dette optiske transportsegment er ikke vilkårligt - det er produktet af to afgørende fysiske fordele, der definerer økonomien og ydeevnen ved optisk langdistancetransmission. Standard single-mode fiber udviser sin absolutte minimumsdæmpning ved ca. 1550 nm, med typiske tab på 0,18-0,20 dB/km sammenlignet med 0,35 dB/km ved 1310 nm vinduet, der bruges i applikationer med kortere rækkevidde. Denne reduktion i fibertab oversættes direkte til længere forstærkerspænd, færre optiske forstærkningstrin og lavere infrastrukturomkostninger pr. kilometer anlæg.

Den anden afgørende fordel er tilgængeligheden af ​​erbium-doterede fiberforstærkere (EDFA'er) - praktiske, pålidelige og omkostningseffektive optiske forstærkere, der fungerer præcist i 1530-1570 nm C-båndet og 1570-1620 nm L-båndet, begge centreret om nm transmissionsvinduet 1550. EDFA'er transformerede langdistance optisk transmission ved at muliggøre direkte optisk forstærkning uden den dyre og latens-introducerende optisk-elektrisk-optisk (OEO) konvertering, der kræves af tidligere regenerativ repeater-teknologi. Specifikt for HFC-netværk muliggør kombinationen af ​​lavt fibertab og EDFA-forstærkning optiske transmissionsspænd på 40-100 km mellem forstærkningsfaserne, hvilket giver kabeloperatører mulighed for at betjene store geografiske serviceområder fra centraliserede headend-faciliteter med dramatisk reduceret nodeinfrastruktur sammenlignet med kortere bølgelængdealternativer.

Sådan fungerer 1550 nm optiske forstærkere i HFC-systemer

A 1550 nm optisk forstærker i et HFC-transmissionssystem fungerer ved direkte at forstærke det optiske signal, der bæres på fiberen uden at konvertere det til et elektrisk signal. Den dominerende teknologi er den erbium-doterede fiberforstærker, som bruger en kort længde af optisk fiber, hvis kerne er blevet dopet med erbium-ioner (Er³⁺). Når den erbium-doterede fiber pumpes med høj-effekt laserlys ved enten 980 nm eller 1480 nm, exciteres erbium-ionerne til en højere energitilstand. Når en 1550 nm signalfoton passerer gennem den dopede fiber, stimulerer den de exciterede erbiumioner til at udsende yderligere fotoner ved nøjagtig samme bølgelængde og fase - en proces kaldet stimuleret emission, der producerer kohærent optisk forstærkning. Denne forstærkningsmekanisme forstærker signalet over en båndbredde, der spænder over hele C-båndet, hvilket gør EDFA'er kompatible med både enkelt-bølgelængde HFC-transmission og bølgelængde-division multiplexed (WDM) systemer, der bærer flere kanaler samtidigt på en enkelt fiber.

I et typisk HFC-optisk anlæg konverterer headend-senderen det kombinerede RF-signalspektrum – som kan spænde over 5 MHz til 1,2 GHz for DOCSIS 3.1-systemer – til et optisk signal ved hjælp af en direkte moduleret eller eksternt moduleret laser, der arbejder ved 1550 nm. Dette signal sendes derefter ind i fiberdistributionsanlægget. Hvor signaleffekten er dæmpet til et niveau, der ville forringe carrier-to-noise ratio (CNR) ved fiberknudepunktet, indsættes en optisk forstærker in-line for at genoprette signaleffekten til det krævede niveau. Det forstærkede signal fortsætter gennem yderligere fiberspænd, indtil det når fiberknudepunktet, hvor en fotodetektor konverterer det tilbage til et RF elektrisk signal til distribution over den koaksiale del af netværket.

Typer af 1550 nm optiske forstærkere, der bruges i HFC-transmission

Den 1550 nm optiske forstærkerproduktfamilie, der anvendes i HFC-netværk, omfatter flere forskellige forstærkerkonfigurationer, der er optimeret til forskellige positioner i den optiske transmissionsarkitektur. At forstå, hvor hver type anvendes, og hvilke ydeevneegenskaber, der definerer hver enkelt, er afgørende for netværksingeniører, der designer eller opgraderer HFC-optisk anlæg.

Booster forstærkere (postforstærkere)

Booster-forstærkere er placeret umiddelbart efter headend-senderen for at øge starteffekten ind i fiberdistributionsanlægget. Fordi indgangssignalet allerede er på et relativt højt effektniveau fra senderen, er boosterforstærkere designet til høj udgangseffekt snarere end lavt støjtal - typiske udgangseffektspecifikationer for HFC-boosterforstærkere spænder fra 17 dBm til 23 dBm eller højere for høj-split eller distribueret adgangsarkitektur (DAA) implementeringer. Boosterforstærkerens primære funktion er at kompensere for indsættelsestabet af optiske splittere, der deler signalet til flere fiberveje, der betjener forskellige serviceområdesegmenter, samt dæmpningen af ​​det første fiberspænd. En headend booster-forstærker med 20 dBm udgangseffekt, der driver en 1:8 optisk splitter (ca. 9 dB split-tab) sender ca. 11 dBm ind i hver af de otte outputfiberstier - tilstrækkeligt til at køre spændvidder på 25-40 km, før yderligere forstærkning er påkrævet.

In-line forstærkere

In-line forstærkere er indsat på mellemliggende punkter i langdistancefiberspænd, hvor signaleffekten er faldet til under det minimumsniveau, der kræves for at opretholde acceptabel CNR ved den næste knude eller forstærker. Disse forstærkere skal balancere forstærkning, udgangseffekt og støjtal - støjtallet er særligt kritisk, fordi hvert in-line forstærkertrin tilføjer forstærket spontan emission (ASE) støj, der akkumuleres langs den optiske vej og i sidste ende begrænser den opnåelige CNR ved fiberknudepunktet. In-line forstærkere til HFC-transmission giver typisk forstærkning på 15–25 dB med udgangseffekt på 13 til 17 dBm og støjtal på 5–7 dB. Flertrins in-line forstærkere med mellemtrinsadgang – der tillader indsættelse af optiske dæmpere eller forstærkningsudjævningsfiltre mellem forstærkningstrin – opnår lavere effektive støjtal end enkelttrinsdesign ved tilsvarende udgangseffekt.

Node-drivende forstærkere (forforstærkere)

Node-drivende forstærkere, nogle gange kaldet distributionsforstærkere eller optiske linjeforstærkere (OLA), er placeret lige før en fiberknude eller et optisk splitterpunkt for at forstærke signalet til det niveau, der kræves for at drive flere nedstrøms nodeudgange samtidigt. Disse forstærkere er kendetegnet ved høj udgangseffekt kombineret med tilstrækkelig forstærkning til at fungere fra lave inputeffektniveauer - de skal levere tilstrækkeligt output, selv når inputeffekten er faldet til -3 til -10 dBm efter et langt fiberspænd. Udgangseffektspecifikationer for node-drivende forstærkere spænder fra 17 til 27 dBm i højeffektkonfigurationer, hvor nogle premium-produkter i 1550 nm optiske forstærker-serien når 30 dBm til at drive store optiske opdelingsforhold, der betjener tætte node-implementeringer.

Nøgleydelsesspecifikationer og hvordan de påvirker HFC-netværksdesign

At vælge den rigtige 1550 nm optiske forstærker til en HFC-applikation kræver en klar forståelse af ydeevnespecifikationerne offentliggjort i producentens datablade, og hvordan hver parameter omsættes til reel netværksadfærd. Følgende tabel opsummerer de kritiske forstærkerspecifikationer og deres netværksdesignimplikationer:

Støjfiguren fortjener særlig opmærksomhed, fordi dens effekt forstærkes gennem kaskadeformede forstærkerkæder. Hvert forstærkertrin tilføjer ASE-støj, og den totale optiske støjakkumulering bestemmer CNR ved fiberknudepunktet - parameteren, der i sidste ende indstiller kvaliteten af ​​RF-signalerne fordelt over den koaksiale del af HFC-anlægget. En CNR på mindst 52 dB ved fiberknudepunktet er typisk påkrævet for at opretholde tilstrækkelig sammensat anden orden (CSO), sammensat triple beat (CTB) og fejlvektorstørrelse (EVM) ydeevne for DOCSIS 3.1 OFDM-kanaler. Netværksingeniører skal udføre cascaded støjtalsberegninger på tværs af alle forstærkertrin fra hovedenden til node for at verificere CNR-overensstemmelsen, før de afslutter forstærkerens placering og specifikation.

Optisk forstærkerplacering i HFC Node Architecture

Arkitekturen af moderne HFC-netværk har udviklet sig markant med introduktionen af node 0 (fiberdyb), distribueret adgangsarkitektur (DAA) og remote PHY/remote MACPHY-implementeringer, som alle ændrer, hvor optiske forstærkere er placeret, og hvilken ydeevne de skal levere. At forstå, hvordan forstærkerplacering kortlægger disse udviklende arkitekturer, er afgørende for ingeniører, der opgraderer eksisterende HFC-anlæg til at understøtte DOCSIS 3.1 og fremtidige DOCSIS 4.0-tjenester.

Traditionel Fiber-to-the-Node-arkitektur

I traditionel HFC-arkitektur driver en enkelt højeffekts 1550 nm optisk transmitter ved hovedenden et fiberdistributionsanlæg gennem en række optiske splittere og in-line forstærkere til at betjene flere fiberknudepunkter, der hver betjener 500-2.000 forbipasserede hjem. Optiske forstærkere placeres med intervaller bestemt af den akkumulerede fiberdæmpning og splittab for at opretholde tilstrækkelig indgangseffekt ved hver nedstrømsknude. En typisk konfiguration bruger en headend booster-forstærker, der driver en 1:4 eller 1:8 primær splitter, med in-line forstærkere placeret 15-30 km nedstrøms for at kompensere for fiberspændviddedæmpning, før sekundære splittere føder individuelle fiberknuder. Denne stjernetræ-topologi er optimeret til økonomisk fiberanlægskonstruktion, men koncentrerer betydelig forstærkerforstærkning i lange kaskader, der udfordrer CNR-ydeevnen.

Fiber Deep og Distributed Access Architectures

Fiberdybe arkitekturer skubber fiber tættere på kunden, hvilket reducerer nodeserviceområder til 50-150 hjem, der passerer og eliminerer det meste af koaksialforstærkerkaskaden. Fjern-PHY- og MACPHY DAA-fjerninstallationer flytter DOCSIS fysiske lagbehandlingen fra hovedenden til fiberknuden, som nu indeholder aktiv digital elektronik, der drives over fiberinfrastrukturen. Disse arkitekturer ændrer de optiske transmissionskrav væsentligt: ​​individuelle fiberbølgelængder eller WDM-kanaler bærer dedikerede digitale signaler til hver fjernknude, og 1550 nm optiske forstærker-serien skal understøtte WDM-drift med flad forstærkning på tværs af alle aktive kanaler samtidigt. Højeffekt WDM-kompatible EDFA'er med integrerede forstærkningsudjævningsfiltre og automatisk forstærkningskontrol (AGC) er påkrævet for at opretholde konsistente effektniveauer pr. kanal, når noder tilføjes eller fjernes fra netværket uden manuel rebalancering af det optiske anlæg.

Praktiske overvejelser ved installation af 1550 nm-forstærkere i HFC-anlæg

Succesfuld implementering af 1550 nm optiske forstærkere i HFC-transmissionsudstyr kræver opmærksomhed på adskillige praktiske tekniske og operationelle faktorer, som ikke er fanget i dataarkspecifikationer alene. Feltydelsen kan afvige betydeligt fra laboratorie-karakteriseret ydeevne, når forstærkere er installeret i rigtige netværksmiljøer med variabel fiberkvalitet, problemer med forbindelsesrenlighed og termisk cykling i udendørs kabinetter.

• Konnektorens renhed og inspektion: Optiske stik ved forstærkerens indgangs- og udgangsporte er den mest almindelige kilde til uventet indføringstab og signalforringelse i et optisk HFC-anlæg. Et kontamineret APC-stik kan tilføje 1-3 dB indsættelsestab og generere tilbagerefleksioner, der destabiliserer forstærkerens drift. Alle stik skal inspiceres med en fiberinspektionssonde og rengøres med passende værktøj før tilslutning - hver gang uden undtagelse. Operatører bør opretholde IEC 61300-3-35 klasse B renhed eller bedre ved alle forstærkerkonnektorgrænseflader.
• Automatisk forstærkningskontrol og automatisk effektkontrol: HFC-optiske forstærkere bør inkorporere AGC- eller APC-kredsløb (automatic power control), der opretholder konstant udgangseffekt, da inputsignalniveauer varierer på grund af fiberanlægsændringer, temperaturinducerede tabsvariationer eller upstream-netværksrekonfigurationer. Uden AGC/APC forårsager en reduktion i inputeffekt – forårsaget af fibernedbrydning, forbindelsesældning eller optiske vejændringer – en proportional reduktion i udgangseffekt, der kaskade gennem downstream-forstærkere og reducerer CNR ved fiberknudepunkter. Angivelse af forstærkere med ±0,5 dB udgangseffektstabilitet over hele driftsområdet for indgangseffekt er standardpraksis for pålidelige HFC-optiske anlæg.
• Optisk isolering og styring af rygreflektion: Stimuleret Brillouin-spredning (SBS) og Rayleigh-back-spredning i lange fiberspænd genererer optisk støj, der kan genindtræde i forstærkerens stadier og forringe ydeevnen. Højeffekt-booster-forstærkere, der arbejder over 17 dBm, skal omfatte optiske isolatorer ved både input- og output-porte, og fiberanlæggets design skal inkorporere tilstrækkelig optisk returtabsmargin. APC-polerede stik (ORL typisk >60 dB) og fusionssplejsninger (ORL >60 dB) foretrækkes stærkt frem for UPC-stik (ORL typisk 45-50 dB) i højeffekts 1550 nm transmissionssystemer.
• Termisk styring i udendørs indhegninger: Optiske HFC-forstærkere, der er installeret i udendørs piedestaler eller antennekabinetter, oplever omgivende temperaturområder på -40°C til 60°C i mange geografiske områder. Forstærkerpumpelaserdioder - 980 nm eller 1480 nm kilderne, der driver EDFA gain - er temperaturfølsomme komponenter, hvis udgangseffekt, bølgelængde og levetid alle påvirkes af driftstemperaturen. Specificering af forstærkere med termoelektriske kølere (TEC'er) på pumpelasermoduler og verifikation af nominel ydeevne over hele driftstemperaturområdet er afgørende for pålidelig udendørs installation. Udvidede driftstemperaturområder på -40°C til 65°C tilbydes nu af førende producenter af HFC-optiske forstærkere for at imødekomme dette krav eksplicit.
• Netværksstyring og fjernovervågning: Moderne 1550 nm optiske forstærkerserier til HFC-applikationer inkorporerer SNMP-kompatible netværksstyringsgrænseflader, optisk effektovervågning ved input- og outputporte, pumpelaserstrøm- og temperaturtelemetri og alarmudgange til forhold uden for rækkevidde. Integrering af forstærkerstyring i kabeloperatørens hovedendestyringssystem (HMS) eller elementstyringssystem (EMS) muliggør proaktiv fejlidentifikation, før servicepåvirkende fejl opstår, og leverer de præstationstrenddata, der er nødvendige for at planlægge forebyggende vedligeholdelse, før komponentnedbrydning når tærskelværdierne for slutningen af ​​levetiden.

Valg af den rigtige 1550 nm optiske forstærkerserie til dit HFC-netværk

Med en klar forståelse af forstærkertyper, ydeevnespecifikationer og implementeringsovervejelser kan netværksingeniører gå systematisk til værks for valg af forstærker. Udvælgelsesprocessen bør følge en defineret sekvens af trin, der oversætter krav til netværksdesign til produktspecifikationer:

• Bestem budgettet for optisk link: Beregn det samlede tab fra headend-sender til den fjerneste fiberknude, inklusive fiberspændviddedæmpning, splejsningstab, konnektortab og tab af optisk splitterindsættelse. Dette linkbudget bestemmer den samlede forstærkning, der kræves fra alle forstærkertrin kombineret og etablerer den udgangseffekt, der kræves fra hver enkelt forstærker baseret på dens position i kæden.
• Beregn CNR ved fiberknudepunktet: Beregn den optiske SNR, der er tilgængelig ved knudepunktets fotodetektorindgang, ved hjælp af kaskadestøjstallet for alle forstærkertrin fra hovedenden til knudepunktet. Konverter til RF CNR ved hjælp af modulationsindekset, optisk modulationsdybde af RF-signalet og fotodetektorrespons. Bekræft, at beregnet CNR opfylder det minimum, der kræves for den højeste ordens modulering, der bruges i RF-anlægget - typisk 256-QAM OFDM for DOCSIS 3.1, der kræver CNR over 52-54 dB.
• Bekræft WDM-kompatibilitet, hvis relevant: For netværk, der bruger flere bølgelængder på en enkelt fiber, skal du bekræfte, at den valgte forstærkerserie giver flad forstærkning på tværs af alle operationelle bølgelængder samtidigt, og at forstærkningsudjævningsfiltermuligheder er tilgængelige for kaskadedelte multi-forstærkerkonfigurationer, hvor forstærkningstiltakkumulering ellers ville forårsage uacceptabel kanaleffektubalance.
• Bekræft fysiske og miljømæssige specifikationer: Match forstærkerens formfaktor – rackmonteret chassiskort, selvstændig 1U-enhed eller udendørs piedestalmontering – til den tilgængelige installationsinfrastruktur. Bekræft driftstemperaturområde, strømforsyningsspændingsmuligheder, indgangsbeskyttelsesklassificering til udendørs installation og overholdelse af relevante standarder, herunder IEC 60825 for lasersikkerhed og Telcordia GR-1312 for EDFA pålidelighedskvalifikation.