Använder 1550 nm optiska förstärkare i HFC-överföringsutrustning

Varför 1550 nm är den dominerande våglängden för HFC-optisk överföring

Hybrid fiber-koaxial (HFC) nätverk utgör ryggraden i kabel-tv och bredbandsdistribution på internet för hundratals miljoner abonnenter världen över. I dessa nätverk bär optisk fiber bredbandssignaler från kabelhuvudänden till fibernoder fördelade över tjänsteområden, där den optiska signalen omvandlas till RF och distribueras över koaxialkabel till enskilda hem och företag. Valet av 1550 nm som arbetsvåglängd för detta optiska transportsegment är inte godtyckligt – det är produkten av två avgörande fysiska fördelar som definierar ekonomin och prestandan för optisk överföring på långa avstånd. Standard singelmodsfiber uppvisar sin absoluta lägsta dämpning vid cirka 1550 nm, med typiska förluster på 0,18–0,20 dB/km jämfört med 0,35 dB/km vid 1310 nm-fönstret som används i applikationer med kortare räckvidd. Denna minskning av fiberförluster leder direkt till längre förstärkarspann, färre optiska förstärkningssteg och lägre infrastrukturkostnad per kilometer anläggning.

Den andra avgörande fördelen är tillgången på erbiumdopade fiberförstärkare (EDFA) – praktiska, tillförlitliga och kostnadseffektiva optiska förstärkare som fungerar exakt i 1530–1570 nm C-bandet och 1570–1620 nm L-bandet, båda centrerade på nm-transmissionsfönstret 1550. EDFA:er omvandlade optisk långdistansöverföring genom att möjliggöra direkt optisk förstärkning utan den kostsamma och latensinförande optisk-elektrisk-optisk (OEO)-omvandling som krävs av tidigare regenerativ repeaterteknologi. Specifikt för HFC-nätverk möjliggör kombinationen av låg fiberförlust och EDFA-förstärkning optiska överföringsspann på 40–100 km mellan förstärkningssteg, vilket gör att kabeloperatörer kan betjäna stora geografiska serviceområden från centraliserade headend-anläggningar med dramatiskt reducerad nodinfrastruktur jämfört med alternativ med kortare våglängd.

Hur 1550 nm optiska förstärkare fungerar i HFC-system

A 1550 nm optisk förstärkare i ett HFC-transmissionssystem fungerar genom att direkt förstärka den optiska signalen som bärs på fibern utan att omvandla den till en elektrisk signal. Den dominerande tekniken är den erbiumdopade fiberförstärkaren, som använder en kort längd av optisk fiber vars kärna har dopats med erbiumjoner (Er³⁺). När den erbiumdopade fibern pumpas med högeffektlaserljus vid antingen 980 nm eller 1480 nm, exciteras erbiumjonerna till ett högre energitillstånd. När en 1550 nm signalfoton passerar genom den dopade fibern, stimulerar den de exciterade erbiumjonerna att avge ytterligare fotoner med exakt samma våglängd och fas - en process som kallas stimulerad emission som producerar koherent optisk förstärkning. Denna förstärkningsmekanism förstärker signalen över en bandbredd som spänner över hela C-bandet, vilket gör EDFA:er kompatibla med både enkelvåglängds HFC-överföring och våglängdsmultiplexerade (WDM) system som bär flera kanaler samtidigt på en enda fiber.

I en typisk optisk HFC-anläggning omvandlar headend-sändaren det kombinerade RF-signalspektrumet – som kan sträcka sig över 5 MHz till 1,2 GHz för DOCSIS 3.1-system – till en optisk signal med en direktmodulerad eller externt modulerad laser som arbetar vid 1550 nm. Denna signal skickas sedan till fiberdistributionsanläggningen. Där signaleffekten har dämpats till en nivå som skulle försämra bärvåg-brusförhållandet (CNR) vid fibernoden, sätts en optisk förstärkare in i ledningen för att återställa signaleffekten till den erforderliga nivån. Den förstärkta signalen fortsätter genom ytterligare fiberspann tills den når fibernoden, där en fotodetektor omvandlar den tillbaka till en elektrisk RF-signal för distribution över den koaxiala delen av nätverket.

Typer av 1550 nm optiska förstärkare som används vid HFC-överföring

Produktfamiljen för 1550 nm optiska förstärkare som används i HFC-nätverk omfattar flera distinkta förstärkarkonfigurationer optimerade för olika positioner i den optiska transmissionsarkitekturen. Att förstå var varje typ används och vilka prestandaegenskaper som definierar var och en är avgörande för nätverksingenjörer som designar eller uppgraderar optisk HFC-anläggning.

Boosterförstärkare (postförstärkare)

Boosterförstärkare placeras omedelbart efter headend-sändaren för att öka lanseringseffekten in i fiberdistributionsanläggningen. Eftersom ingångssignalen redan är på en relativt hög effektnivå från sändaren, är boosterförstärkare konstruerade för hög uteffekt snarare än låg brusvärde – typiska specifikationer för uteffekt för HFC-förstärkare sträcker sig från 17 dBm till 23 dBm eller högre för högsplit eller distribuerad åtkomstarkitektur (DAA). Boosterförstärkarens primära funktion är att kompensera för insättningsförlusten av optiska splitters som delar upp signalen till flera fibervägar som betjänar olika serviceområdessegment, såväl som dämpningen av det första fiberspannet. En headend boosterförstärkare med 20 dBm uteffekt som driver en 1:8 optisk splitter (ungefär 9 dB splitförlust) lanserar cirka 11 dBm i var och en av de åtta utgående fibervägarna – tillräckligt för att driva spännvidder på 25–40 km innan ytterligare förstärkning krävs.

In-line förstärkare

In-line-förstärkare är utplacerade vid mellanliggande punkter i långdistansfiberspann där signaleffekten har sjunkit under den miniminivå som krävs för att upprätthålla acceptabel CNR vid nästa nod eller förstärkare. Dessa förstärkare måste balansera förstärkning, uteffekt och brusvärde – brustalet är särskilt kritiskt eftersom varje in-line förstärkarsteg lägger till förstärkt spontanemission (ASE) brus som ackumuleras längs den optiska vägen och i slutändan begränsar den uppnåbara CNR vid fibernoden. In-line-förstärkare för HFC-överföring ger vanligtvis en förstärkning på 15–25 dB med en uteffekt på 13 till 17 dBm och brussiffror på 5–7 dB. Flerstegs in-line-förstärkare med åtkomst i mitten – som tillåter införande av optiska dämpare eller förstärkningsutjämnande filter mellan förstärkningssteg – uppnår lägre effektiva brusvärden än enstegskonstruktioner vid motsvarande uteffekt.

Noddrivande förstärkare (förförstärkare)

Noddrivande förstärkare, ibland kallade distributionsförstärkare eller optiska linjeförstärkare (OLA), är placerade precis före en fibernod eller optisk splitterpunkt för att förstärka signalen till den nivå som krävs för att driva flera nedströms nodutgångar samtidigt. Dessa förstärkare kännetecknas av hög uteffekt i kombination med tillräcklig förstärkning för att fungera från låga ineffektnivåer – de måste ge tillräcklig uteffekt även när ineffekten har sjunkit till -3 till -10 dBm efter en lång fiberspann. Uteffektspecifikationerna för noddrivande förstärkare sträcker sig från 17 till 27 dBm i högeffektskonfigurationer, med vissa premiumprodukter i 1550 nm optiska förstärkarserier som når 30 dBm för att driva stora optiska delningsförhållanden som tjänar täta nodplaceringar.

Nyckelprestandaspecifikationer och hur de påverkar HFC-nätverksdesign

Att välja rätt 1550 nm optisk förstärkare för en HFC-applikation kräver en tydlig förståelse av prestandaspecifikationerna som publiceras i tillverkarens datablad och hur varje parameter översätts till verkligt nätverksbeteende. Följande tabell sammanfattar de kritiska förstärkarspecifikationerna och deras nätverksdesignimplikationer:

Brussiffran förtjänar särskild uppmärksamhet eftersom dess påverkan förenas genom kaskadförstärkarkedjor. Varje förstärkarsteg lägger till ASE-brus, och den totala optiska brusackumuleringen bestämmer CNR vid fibernoden – parametern som slutligen ställer in kvaliteten på RF-signalerna fördelade över den koaxiala delen av HFC-anläggningen. En CNR på minst 52 dB vid fibernoden krävs typiskt för att upprätthålla adekvat prestanda för sammansatt andra ordningen (CSO), sammansatt trippelslag (CTB) och felvektormagnitud (EVM) för DOCSIS 3.1 OFDM-kanaler. Nätverksingenjörer måste utföra kaskadberäkningar av brussiffror över alla förstärkarsteg från headend till nod för att verifiera CNR-kompatibilitet innan de slutför förstärkarens placering och specifikation.

Placering av optisk förstärkare i HFC-nodarkitektur

Arkitekturen för moderna HFC-nätverk har utvecklats avsevärt med introduktionen av nod 0 (fiberdjup), distribuerad åtkomstarkitektur (DAA) och fjärrinstallationer av PHY/fjärr MACPHY, som alla ändrar var optiska förstärkare placeras och vilken prestanda de måste leverera. Att förstå hur förstärkarens placering mappas till dessa utvecklande arkitekturer är avgörande för ingenjörer som uppgraderar befintliga HFC-anläggningar för att stödja DOCSIS 3.1 och framtida DOCSIS 4.0-tjänster.

Traditionell Fiber-to-the-Node-arkitektur

I traditionell HFC-arkitektur driver en enda högeffekts 1550 nm optisk sändare vid huvudänden en fiberdistributionsanläggning genom en serie optiska splitters och in-line-förstärkare för att betjäna flera fibernoder, som var och en betjänar 500–2 000 hem passerade. Optiska förstärkare placeras med intervall som bestäms av den ackumulerade fiberdämpningen och delade förlusterna för att bibehålla tillräcklig ineffekt vid varje nedströms nod. En typisk konfiguration använder en headend boosterförstärkare som driver en 1:4 eller 1:8 primär splitter, med in-line förstärkare placerade 15–30 km nedströms för att kompensera för fiberspännviddsdämpning innan sekundära splitters matar individuella fibernoder. Denna stjärnträdstopologi är optimerad för ekonomisk fiberanläggningskonstruktion men koncentrerar betydande förstärkarförstärkning i långa kaskader som utmanar CNR-prestanda.

Fiberdjupa och distribuerade åtkomstarkitekturer

Fiberdjupa arkitekturer driver fiber närmare kunden, vilket reducerar nodbetjäningsområden till 50–150 hem som passerat och eliminerar det mesta av koaxialförstärkarkaskaden. Fjärrinstallationer av PHY och MACPHY DAA på distans flyttar DOCSIS fysiska lagerbearbetning från huvudänden till fibernoden, som nu innehåller aktiv digital elektronik som drivs över fiberinfrastrukturen. Dessa arkitekturer förändrar de optiska överföringskraven avsevärt: individuella fibervåglängder eller WDM-kanaler bär dedikerade digitala signaler till varje fjärrnod, och 1550 nm optiska förstärkarserien måste stödja WDM-drift med platt förstärkning över alla aktiva kanaler samtidigt. Högeffekts WDM-kompatibla EDFA:er med integrerade förstärkningsutjämnande filter och automatisk förstärkningskontroll (AGC) krävs för att upprätthålla konsekventa effektnivåer per kanal när noder läggs till eller tas bort från nätverket utan manuell ombalansering av den optiska anläggningen.

Praktiska överväganden för att installera 1550 nm-förstärkare i HFC-anläggning

Framgångsrik distribution av 1550 nm optiska förstärkare i HFC-överföringsutrustning kräver uppmärksamhet på flera praktiska tekniska och driftsmässiga faktorer som inte enbart fångas i databladsspecifikationer. Fältprestanda kan avvika avsevärt från laboratoriekaraktäriserad prestanda när förstärkare installeras i verkliga nätverksmiljöer med variabel fiberkvalitet, problem med kontakternas renhet och termisk cykling i utomhuskapslingar.

• Kontaktens renhet och inspektion: Optiska kontakter vid förstärkarens in- och utgångsportar är den enskilt vanligaste källan till oväntad insättningsförlust och signalförsämring i den utplacerade optiska HFC-anläggningen. En kontaminerad APC-kontakt kan lägga till 1–3 dB av insättningsförlust och generera bakåtreflektioner som destabiliserar förstärkarens funktion. Alla kontakter måste inspekteras med en fiberinspektionssond och rengöras med lämpliga verktyg före anslutning – varje gång, utan undantag. Operatörer bör bibehålla IEC 61300-3-35 klass B renhet eller bättre vid alla förstärkarkontakter.
• Automatisk förstärkningskontroll och automatisk effektkontroll: Optiska HFC-förstärkare bör ha AGC- eller APC-kretsar som bibehåller konstant uteffekt eftersom insignalnivåerna varierar beroende på fiberanläggningsändringar, temperaturinducerade förlustvariationer eller uppströmsnätverksomkonfigureringar. Utan AGC/APC orsakar en minskning av ineffekt – orsakad av fiberförsämring, anslutningsåldrande eller optiska vägförändringar – en proportionell minskning av uteffekt som kaskader genom nedströmsförstärkare och minskar CNR vid fibernoder. Att specificera förstärkare med ±0,5 dB uteffektstabilitet över hela driftområdet för ineffekt är standardpraxis för en pålitlig optisk HFC-anläggning.
• Optisk isolering och hantering av ryggreflektion: Stimulerad Brillouin-spridning (SBS) och Rayleigh-bakspridning i långa fiberspänn genererar optiskt brus som kan återinträda i förstärkarstegen och försämra prestandan. Högeffektsförstärkare som arbetar över 17 dBm måste inkludera optiska isolatorer vid både ingångs- och utgångsportar, och fiberanläggningens design måste innehålla tillräcklig optisk returförlustmarginal. APC-polerade kontakter (ORL typiskt >60 dB) och fusionsskarvar (ORL >60 dB) är starkt att föredra framför UPC-kontakter (ORL typiskt 45–50 dB) i högeffekts 1550 nm transmissionssystem.
• Värmehantering i utomhuskapslingar: Optiska HFC-förstärkare som används i piedestaler utomhus eller antennhöljen upplever omgivningstemperaturer på -40°C till 60°C i många geografiska regioner. Förstärkarpumplaserdioder – källorna på 980 nm eller 1480 nm som driver EDFA-förstärkning – är temperaturkänsliga komponenter vars uteffekt, våglängd och livslängd alla påverkas av driftstemperaturen. Att specificera förstärkare med termoelektriska kylare (TEC) på pumplasermoduler och verifiera nominell prestanda över hela driftstemperaturområdet är avgörande för tillförlitlig användning utomhus. Utökade driftstemperaturintervall på −40°C till 65°C erbjuds nu av ledande tillverkare av optiska HFC-förstärkare för att uttryckligen ta itu med detta krav.
• Nätverkshantering och fjärrövervakning: Moderna 1550 nm optiska förstärkarserier för HFC-applikationer inkluderar SNMP-kompatibla nätverkshanteringsgränssnitt, optisk effektövervakning vid in- och utgångsportar, pumplaserström- och temperaturtelemetri och larmutgångar för förhållanden utanför räckvidden. Att integrera förstärkarhantering i kabeloperatörens headend-hanteringssystem (HMS) eller elementhanteringssystem (EMS) möjliggör proaktiv felidentifiering innan tjänstepåverkande fel inträffar, och tillhandahåller prestandatrenddata som behövs för att schemalägga förebyggande underhåll innan komponentförsämring når tröskelvärdena för slutet av livslängden.

Välja rätt 1550 nm optisk förstärkarserie för ditt HFC-nätverk

Med en tydlig förståelse av förstärkartyper, prestandaspecifikationer och användningsöverväganden, kan nätverksingenjörer närma sig förstärkarval systematiskt. Urvalsprocessen bör följa en definierad sekvens av steg som översätter krav på nätverksdesign till produktspecifikationer:

• Bestäm budgeten för optisk länk: Beräkna den totala förlusten från huvudändssändaren till den mest avlägsna fibernoden, inklusive fiberdämpning, skarvförluster, anslutningsförluster och förluster av insättning av optisk splitter. Denna länkbudget bestämmer den totala förstärkningen som krävs från alla förstärkarsteg kombinerade och fastställer den uteffekt som krävs från varje enskild förstärkare baserat på dess position i kedjan.
• Beräkna CNR vid fibernoden: Använd den kaskadkopplade brussiffran för alla förstärkarsteg från headend till nod, beräkna den optiska SNR som är tillgänglig vid nodens fotodetektoringång. Konvertera till RF CNR med hjälp av moduleringsindex, RF-signalens optiska moduleringsdjup och fotodetektorns responsivitet. Verifiera att beräknad CNR uppfyller det minimum som krävs för den högsta ordningens modulering som används i RF-anläggningen – vanligtvis 256-QAM OFDM för DOCSIS 3.1, vilket kräver CNR över 52–54 dB.
• Verifiera WDM-kompatibilitet om tillämpligt: För nätverk som använder flera våglängder på en enda fiber, bekräfta att den valda förstärkarserien ger platt förstärkning över alla driftvåglängder samtidigt och att förstärkningsutjämnande filteralternativ är tillgängliga för kaskadkopplade flerförstärkarkonfigurationer där ackumulering av förstärkningslutning annars skulle orsaka oacceptabel kanaleffektobalans.
• Bekräfta fysiska och miljömässiga specifikationer: Matcha förstärkarens formfaktor – rackmonterat chassikort, fristående 1U-enhet eller utomhussockelmontering – till den tillgängliga installationsinfrastrukturen. Verifiera driftstemperaturintervall, strömförsörjningsspänningsalternativ, inträngningsskyddsklassning för användning utomhus och överensstämmelse med relevanta standarder inklusive IEC 60825 för lasersäkerhet och Telcordia GR-1312 för EDFA-tillförlitlighetskvalificering.