Gebruik van optische versterkers van 1550 nm in HFC-transmissieapparatuur

Waarom 1550 nm de dominante golflengte is voor optische transmissie van HFC

Hybride glasvezel-coaxiale (HFC)-netwerken vormen de ruggengraat van kabeltelevisie en breedbandinternetdistributie voor honderden miljoenen abonnees wereldwijd. In deze netwerken transporteert optische vezel breedbandsignalen van het kabelhoofdeinde naar glasvezelknooppunten die over servicegebieden zijn verspreid, waar het optische signaal wordt omgezet in RF en via coaxkabel naar individuele huizen en bedrijven wordt gedistribueerd. De keuze van 1550 nm als bedrijfsgolflengte voor dit optische transportsegment is niet willekeurig: het is het product van twee beslissende fysieke voordelen die de economie en prestaties van optische transmissie over lange afstanden bepalen. Standaard single-mode glasvezel vertoont zijn absolute minimale verzwakking bij ongeveer 1550 nm, met typische verliezen van 0,18–0,20 dB/km vergeleken met 0,35 dB/km bij het 1310 nm-venster dat wordt gebruikt in toepassingen met een korter bereik. Deze vermindering van vezelverlies vertaalt zich direct in langere versterkerbereiken, minder optische versterkingstrappen en lagere infrastructuurkosten per kilometer installatie.

Het tweede beslissende voordeel is de beschikbaarheid van erbium-gedoteerde vezelversterkers (EDFEEN's) - praktische, betrouwbare en kosteneffectieve optische versterkers die precies werken in de 1530–1570 nm C-band en de 1570–1620 nm L-band, beide gecentreerd op het transmissievenster van 1550 nm. EDFA's transformeerden optische transmissie over lange afstanden door directe optische versterking mogelijk te maken zonder de kostbare en latentie-introducerende optisch-elektrisch-optische (OEO) conversie die vereist was door eerdere regeneratieve repeatertechnologie. Specifiek voor HFC-netwerken maakt de combinatie van laag vezelverlies en EDFA-versterking optische transmissieoverspanningen van 40-100 km tussen versterkingstrappen mogelijk, waardoor kabelexploitanten grote geografische servicegebieden kunnen bedienen vanuit gecentraliseerde kopstationfaciliteiten met een dramatisch verminderde knooppuntinfrastructuur in vergelijking met alternatieven met een kortere golflengte.

Hoe 1550 nm optische versterkers werken in HFC-systemen

A 1550 nm optische versterker in een HFC-transmissiesysteem functioneert het door het optische signaal dat op de vezel wordt overgedragen direct te versterken zonder het om te zetten in een elektrisch signaal. De dominante technologie is de met erbium gedoteerde vezelversterker, die gebruik maakt van een korte lengte optische vezels waarvan de kern is gedoteerd met erbiumionen (Er³⁺). Wanneer de met erbium gedoteerde vezel wordt gepompt met laserlicht met hoog vermogen bij 980 nm of 1480 nm, worden de erbiumionen opgewonden naar een hogere energietoestand. Wanneer een signaalfoton van 1550 nm door de gedoteerde vezel gaat, stimuleert het de aangeslagen erbiumionen om extra fotonen uit te zenden met exact dezelfde golflengte en fase - een proces dat gestimuleerde emissie wordt genoemd en dat een coherente optische versterking produceert. Dit versterkingsmechanisme versterkt het signaal over een bandbreedte die de gehele C-band bestrijkt, waardoor EDFA's compatibel zijn met zowel HFC-transmissie met enkele golflengte als WDM-systemen (golflengteverdelingsmultiplex) die meerdere kanalen tegelijkertijd op één enkele vezel transporteren.

In een typische optische HFC-installatie converteert de kopstationzender het gecombineerde RF-signaalspectrum – dat voor DOCSIS 3.1-systemen 5 MHz tot 1,2 GHz kan bestrijken – in een optisch signaal met behulp van een direct gemoduleerde of extern gemoduleerde laser die werkt op 1550 nm. Dit signaal wordt vervolgens naar de vezeldistributiefabriek gestuurd. Waar het signaalvermogen is verzwakt tot een niveau dat de draaggolf-ruisverhouding (CNR) bij het vezelknooppunt zou verslechteren, wordt een optische versterker in de lijn geplaatst om het signaalvermogen op het vereiste niveau te herstellen. Het versterkte signaal gaat verder door extra vezeloverspanningen totdat het het vezelknooppunt bereikt, waar een fotodetector het weer omzet in een elektrisch RF-signaal voor distributie over het coaxiale gedeelte van het netwerk.

Soorten 1550 nm optische versterkers die worden gebruikt bij HFC-transmissie

De productfamilie van optische versterkers van 1550 nm die in HFC-netwerken wordt gebruikt, omvat verschillende afzonderlijke versterkerconfiguraties die zijn geoptimaliseerd voor verschillende posities in de optische transmissiearchitectuur. Begrijpen waar elk type wordt toegepast en welke prestatiekenmerken elk type definiëren, is essentieel voor netwerkingenieurs die optische HFC-installaties ontwerpen of upgraden.

Boosterversterkers (postversterkers)

Boosterversterkers worden onmiddellijk na de kopstationzender geplaatst om het lanceervermogen naar de glasvezeldistributiefabriek te vergroten. Omdat het ingangssignaal zich al op een relatief hoog vermogensniveau van de zender bevindt, zijn boosterversterkers ontworpen voor een hoog uitgangsvermogen in plaats van een laag ruisgetal. Typische uitgangsvermogenspecificaties voor HFC-boosterversterkers variëren van 17 dBm tot 23 dBm of hoger voor implementaties met hoge split of gedistribueerde toegangsarchitecturen (DAA). De primaire functie van de boosterversterker is het compenseren van het invoegverlies van optische splitters die het signaal verdelen over meerdere vezelpaden die verschillende servicegebiedsegmenten bedienen, evenals de verzwakking van de eerste vezeloverspanning. Een headend-versterker met een uitgangsvermogen van 20 dBm die een 1:8 optische splitter aanstuurt (ongeveer 9 dB split-loss) lanceert ongeveer 11 dBm in elk van de acht uitgangsvezelpaden - voldoende om overspanningen van 25-40 km te overbruggen voordat extra versterking nodig is.

In-line versterkers

In-line versterkers worden ingezet op tussenliggende punten in langeafstandsvezeloverspanningen waar het signaalvermogen is gedaald tot onder het minimumniveau dat vereist is om een acceptabele CNR bij het volgende knooppunt of de volgende versterker te behouden. Deze versterkers moeten de versterking, het uitgangsvermogen en het ruisgetal in evenwicht houden. Het ruisgetal is bijzonder kritisch omdat elke in-line versterkertrap versterkte spontane emissie (ASE) ruis toevoegt die zich ophoopt langs het optische pad en uiteindelijk de haalbare CNR bij het vezelknooppunt beperkt. In-line versterkers voor HFC-transmissie bieden doorgaans een versterking van 15–25 dB met een uitgangsvermogen van 13 tot 17 dBm en ruiscijfers van 5–7 dB. Meertraps in-line versterkers met mid-stage toegang (waardoor optische verzwakkers of versterkingsafvlakkingsfilters tussen versterkingstrappen mogelijk zijn) bereiken lagere effectieve ruiscijfers dan eentraps ontwerpen bij een gelijkwaardig uitgangsvermogen.

Knooppuntaansturende versterkers (voorversterkers)

Knooppuntaansturende versterkers, ook wel distributieversterkers of optische lijnversterkers (OLA's) genoemd, worden vlak voor een vezelknooppunt of optisch splitterpunt geplaatst om het signaal te versterken tot het niveau dat nodig is om meerdere stroomafwaartse knooppuntuitgangen tegelijkertijd aan te sturen. Deze versterkers worden gekenmerkt door een hoog uitgangsvermogen gecombineerd met voldoende versterking om te werken vanaf lage ingangsvermogensniveaus - ze moeten voldoende uitgangsvermogen leveren, zelfs wanneer het ingangsvermogen is gedaald tot −3 tot −10 dBm na een lange vezeloverspanning. De uitgangsvermogenspecificaties voor knooppuntaansturende versterkers variëren van 17 tot 27 dBm in configuraties met hoog vermogen, waarbij sommige premiumproducten in de 1550 nm optische versterkerserie 30 dBm bereiken voor het aansturen van grote optische splitsingsverhoudingen voor dichte knooppuntimplementaties.

Belangrijkste prestatiespecificaties en hoe deze het HFC-netwerkontwerp beïnvloeden

Het selecteren van de juiste 1550 nm optische versterker voor een HFC-toepassing vereist een duidelijk begrip van de prestatiespecificaties die zijn gepubliceerd in de datasheets van de fabrikant en van de manier waarop elke parameter zich vertaalt in reëel netwerkgedrag. De volgende tabel geeft een overzicht van de kritische versterkerspecificaties en hun implicaties voor het netwerkontwerp:

Het ruiscijfer verdient bijzondere aandacht omdat de impact ervan wordt versterkt door gecascadeerde versterkerketens. Elke versterkertrap voegt ASE-ruis toe, en de totale accumulatie van optische ruis bepaalt de CNR bij het glasvezelknooppunt: de parameter die uiteindelijk de kwaliteit bepaalt van de RF-signalen die over het coaxiale gedeelte van de HFC-installatie worden verdeeld. Een CNR van ten minste 52 dB bij het vezelknooppunt is doorgaans vereist om adequate prestaties van samengestelde tweede orde (CSO), samengestelde triple beat (CTB) en foutvectormagnitude (EVM) voor DOCSIS 3.1 OFDM-kanalen te behouden. Netwerkingenieurs moeten gecascadeerde ruiscijferberekeningen uitvoeren over alle versterkertrappen, van kopstation tot knooppunt, om de CNR-conformiteit te verifiëren voordat de plaatsing en specificatie van de versterker worden afgerond.

Plaatsing van optische versterkers in HFC-knooppuntarchitectuur

De architectuur van moderne HFC-netwerken is aanzienlijk geëvolueerd met de introductie van knooppunt 0 (fiber deep), gedistribueerde toegangsarchitectuur (DAA) en externe PHY/remote MACPHY-implementaties, die allemaal veranderen waar optische versterkers worden geplaatst en welke prestaties ze moeten leveren. Begrijpen hoe de plaatsing van versterkers aansluit bij deze evoluerende architecturen is essentieel voor ingenieurs die bestaande HFC-installaties upgraden om DOCSIS 3.1 en toekomstige DOCSIS 4.0-services te ondersteunen.

Traditionele Fiber-to-the-Node-architectuur

In de traditionele HFC-architectuur drijft een enkele krachtige 1550 nm optische zender aan het kopeinde een glasvezeldistributiefabriek aan via een reeks optische splitters en in-line versterkers om meerdere glasvezelknooppunten te bedienen, die elk 500 tot 2.000 huizen bedienen. Optische versterkers worden geplaatst op intervallen die worden bepaald door de geaccumuleerde vezelverzwakking en gesplitste verliezen om voldoende ingangsvermogen bij elk stroomafwaarts knooppunt te behouden. Een typische configuratie maakt gebruik van een headend-boosterversterker die een 1:4 of 1:8 primaire splitter aanstuurt, met in-line versterkers die 15-30 km stroomafwaarts zijn geplaatst om de verzwakking van de vezeloverspanning te compenseren voordat secundaire splitters individuele vezelknooppunten voeden. Deze sterboomtopologie is geoptimaliseerd voor de economische constructie van vezelfabrieken, maar concentreert een aanzienlijke versterkerversterking in lange cascades die de CNR-prestaties uitdagen.

Vezeldiepe en gedistribueerde toegangsarchitecturen

Fiber-diepe architecturen brengen glasvezel dichter bij de klant, waardoor het aantal knooppunten wordt teruggebracht tot 50 à 150 gepasseerde huizen en het grootste deel van de cascade van de coaxiale versterker wordt geëlimineerd. Externe PHY- en externe MACPHY DAA-implementaties verplaatsen de DOCSIS-verwerking van de fysieke laag van het hoofdeinde naar het glasvezelknooppunt, dat nu actieve digitale elektronica bevat die via de glasvezelinfrastructuur wordt aangedreven. Deze architecturen veranderen de vereisten voor optische transmissie aanzienlijk: individuele vezelgolflengten of WDM-kanalen transporteren speciale digitale signalen naar elk extern knooppunt, en de 1550 nm optische versterkerserie moet WDM-werking ondersteunen met een vlakke versterking over alle actieve kanalen tegelijkertijd. Krachtige WDM-compatibele EDFA's met geïntegreerde versterkingsafvlakkingsfilters en automatische versterkingsregeling (AGC) zijn vereist om consistente energieniveaus per kanaal te handhaven wanneer knooppunten worden toegevoegd of verwijderd uit het netwerk zonder handmatige herbalancering van de optische installatie.

Praktische overwegingen bij het inzetten van 1550 nm-versterkers in HFC-fabrieken

Succesvolle inzet van 1550 nm optische versterkers in HFC-transmissieapparatuur vereist aandacht voor verschillende praktische technische en operationele factoren die niet alleen in de datasheetspecificaties zijn vastgelegd. De veldprestaties kunnen aanzienlijk afwijken van de laboratoriumprestaties wanneer versterkers worden geïnstalleerd in echte netwerkomgevingen met variabele vezelkwaliteit, problemen met de netheid van de connectoren en thermische cycli in buitenbehuizingen.

• Netheid en inspectie van connectoren: Optische connectoren bij de ingangs- en uitgangspoorten van de versterker zijn de meest voorkomende bron van onverwacht invoegverlies en signaalverslechtering in gebruikte optische HFC-installaties. Een vervuilde APC-connector kan 1 à 3 dB aan invoegverlies toevoegen en tegenreflecties genereren die de werking van de versterker destabiliseren. Alle connectoren moeten vóór aansluiting worden geïnspecteerd met een vezelinspectiesonde en worden gereinigd met geschikt gereedschap – elke keer, zonder uitzondering. Operators moeten bij alle versterkerconnectorinterfaces IEC 61300-3-35 klasse B reinheid of beter handhaven.
• Automatische versterkingsregeling en automatische vermogensregeling: HFC optische versterkers moeten AGC- of automatische vermogensregelingscircuits (APC) bevatten die een constant uitgangsvermogen handhaven, aangezien de ingangssignaalniveaus variëren als gevolg van veranderingen in de vezelinstallatie, temperatuurgeïnduceerde verliesvariaties of herconfiguraties van stroomopwaartse netwerken. Zonder AGC/APC veroorzaakt een vermindering van het ingangsvermogen (veroorzaakt door degradatie van vezels, veroudering van connectoren of veranderingen in het optische pad) een proportionele vermindering van het uitgangsvermogen dat door de stroomafwaartse versterkers stroomt en de CNR op vezelknooppunten vermindert. Het specificeren van versterkers met ±0,5 dB uitgangsvermogenstabiliteit over het volledige ingangsvermogensbereik is standaardpraktijk voor betrouwbare optische HFC-installaties.
• Beheer van optische isolatie en terugreflectie: Gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS) en Rayleigh-terugverstrooiing in lange vezeloverspanningen genereren optische ruis die opnieuw in versterkertrappen kan terechtkomen en de prestaties kan verslechteren. Boosterversterkers met een hoog vermogen die boven 17 dBm werken, moeten optische isolatoren bevatten bij zowel de ingangs- als de uitgangspoorten, en het ontwerp van de vezelinstallatie moet voldoende optische retourverliesmarge bevatten. APC-gepolijste connectoren (ORL typisch> 60 dB) en fusieverbindingen (ORL> 60 dB) hebben sterk de voorkeur boven UPC-connectoren (ORL typisch 45-50 dB) in krachtige 1550 nm transmissiesystemen.
• Thermisch beheer in buitenbehuizingen: Optische HFC-versterkers die worden ingezet in sokkels of antennebehuizingen buitenshuis, ervaren in veel geografische regio's omgevingstemperaturen van -40°C tot 60°C. Laserdiodes van versterkerpompen (de bronnen van 980 nm of 1480 nm die de EDFA-versterking aandrijven) zijn temperatuurgevoelige componenten waarvan het uitgangsvermogen, de golflengte en de levensduur allemaal worden beïnvloed door de bedrijfstemperatuur. Het specificeren van versterkers met thermo-elektrische koelers (TEC's) op pomplasermodules en het verifiëren van de nominale prestaties over het volledige bedrijfstemperatuurbereik is essentieel voor betrouwbare inzet buitenshuis. Grotere bedrijfstemperatuurbereiken van −40°C tot 65°C worden nu aangeboden door toonaangevende fabrikanten van HFC-optische versterkerseries om expliciet aan deze eis te voldoen.
• Netwerkbeheer en monitoring op afstand: Moderne 1550 nm optische versterkerseries voor HFC-toepassingen omvatten SNMP-compatibele netwerkbeheerinterfaces, optische stroombewaking bij ingangs- en uitgangspoorten, pomplaserstroom- en temperatuurtelemetrie, en alarmuitgangen voor omstandigheden buiten het bereik. Het integreren van versterkerbeheer in het headend management systeem (HMS) of element management systeem (EMS) van de kabelexploitant maakt proactieve foutidentificatie mogelijk voordat servicebeïnvloedende storingen optreden, en levert de prestatietrendinggegevens die nodig zijn om preventief onderhoud te plannen voordat de degradatie van componenten de drempelwaarden voor het einde van de levensduur bereikt.

De juiste 1550 nm optische versterkerserie selecteren voor uw HFC-netwerk

Met een duidelijk begrip van versterkertypen, prestatiespecificaties en implementatieoverwegingen kunnen netwerkingenieurs de versterkerselectie systematisch benaderen. Het selectieproces moet een gedefinieerde reeks stappen volgen die netwerkontwerpvereisten vertalen in productspecificaties:

• Bepaal het optische linkbudget: Bereken het totale verlies van de zender van het hoofdeind tot het meest afgelegen vezelknooppunt, inclusief verzwakking van de vezeloverspanning, splitsingsverliezen, connectorverliezen en verliezen bij het inbrengen van optische splitters. Dit verbindingsbudget bepaalt de totale vereiste versterking van alle versterkertrappen samen en bepaalt het vereiste uitgangsvermogen van elke individuele versterker op basis van zijn positie in de keten.
• Bereken CNR op het vezelknooppunt: Bereken met behulp van het gecascadeerde ruisgetal van alle versterkertrappen van kopeinde tot knooppunt de optische SNR die beschikbaar is bij de ingang van de fotodetector van het knooppunt. Converteer naar RF CNR met behulp van de modulatie-index, optische modulatiediepte van het RF-signaal en de responsiviteit van de fotodetector. Controleer of de berekende CNR voldoet aan het minimum dat vereist is voor de modulatie van de hoogste orde die in de RF-installatie wordt gebruikt, doorgaans 256-QAM OFDM voor DOCSIS 3.1, waarbij CNR boven 52-54 dB vereist is.
• Controleer WDM-compatibiliteit, indien van toepassing: Voor netwerken die gebruik maken van meerdere golflengten op een enkele vezel, bevestigt u dat de geselecteerde versterkerserie een vlakke versterking biedt over alle operationele golflengten tegelijk en dat versterkingsafvlakkingsfilteropties beschikbaar zijn voor gecascadeerde configuraties met meerdere versterkers waarbij de accumulatie van de versterkingskanteling anders een onaanvaardbare onbalans in het kanaalvermogen zou veroorzaken.
• Bevestig fysieke en omgevingsspecificaties: Zorg ervoor dat de vormfactor van de versterker (chassiskaart voor rackmontage, standalone 1U-eenheid of voetstukmontage voor buiten) past bij de beschikbare installatie-infrastructuur. Controleer het bedrijfstemperatuurbereik, de voedingsspanningsopties, de beschermingsgraad voor gebruik buitenshuis en de naleving van relevante normen, waaronder IEC 60825 voor laserveiligheid en Telcordia GR-1312 voor EDFA-betrouwbaarheidskwalificatie.