1550 nm:n optisten vahvistimien käyttäminen HFC-lähetyslaitteissa

Miksi 1550 nm on HFC-optisen lähetyksen hallitseva aallonpituus?

Hybridikuitu-koaksiaaliverkot (HFC) muodostavat kaapelitelevision ja laajakaistaisen Internet-jakelun selkärangan sadoille miljoonille tilaajille maailmanlaajuisesti. Näissä verkoissa optinen kuitu kuljettaa laajakaistasignaaleja kaapelin keskuspäästä kuitusolmuihin jaettuna palvelualueille, joissa optinen signaali muunnetaan RF:ksi ja jaetaan koaksiaalikaapelilla yksittäisiin koteihin ja yrityksiin. 1550 nm:n valinta toiminta-aallonpituudeksi tälle optiselle siirtosegmentille ei ole mielivaltainen – se on kahden ratkaisevan fysikaalisen edun tulos, jotka määrittävät pitkän matkan optisen lähetyksen taloudellisuuden ja suorituskyvyn. Standardin yksimuotokuidun absoluuttinen pienin vaimennus on noin 1550 nm:ssä, ja tyypilliset häviöt ovat 0,18–0,20 dB/km verrattuna 0,35 dB/km 1310 nm:n ikkunaan, jota käytetään lyhyemmän ulottuvuuden sovelluksissa. Tämä kuituhäviön väheneminen merkitsee suoraan pidempiä vahvistimen jänneväliä, vähemmän optisia vahvistusasteita ja alhaisempia infrastruktuurikustannuksia laitoskilometriä kohden.

Toinen ratkaiseva etu on erbium-seostettujen kuituvahvistimien (EDFA) saatavuus – käytännölliset, luotettavat ja kustannustehokkaat optiset vahvistimet, jotka toimivat tarkasti 1530–1570 nm:n C-kaistalla ja 1570–1620 nm L-kaistalla, molemmissa keskitetty 50 nm:n lähetysikkunaan. EDFA:t muuttivat pitkän matkan optista lähetystä mahdollistamalla suoran optisen vahvistuksen ilman kallista ja latenssia aiheuttavaa optis-sähkö-optista (OEO) muuntamista, jota aikaisempi regeneratiivisen toistinteknologian vaati. Erityisesti HFC-verkoissa alhaisen kuituhäviön ja EDFA-vahvistuksen yhdistelmä mahdollistaa 40–100 km:n optisen siirtoetäisyyden vahvistusvaiheiden välillä, jolloin kaapelioperaattorit voivat palvella suuria maantieteellisiä palvelualueita keskitetyistä keskusyksiköistä, joiden solmuinfrastruktuuri on dramaattisesti pienempi kuin lyhyemmän aallonpituuden vaihtoehdot.

Kuinka 1550 nm:n optiset vahvistimet toimivat HFC-järjestelmissä

A 1550 nm optinen vahvistin HFC-siirtojärjestelmä toimii vahvistamalla suoraan kuidussa kulkevaa optista signaalia muuttamatta sitä sähköiseksi signaaliksi. Hallitseva tekniikka on erbium-seostettu kuituvahvistin, joka käyttää lyhyttä optista kuitua, jonka ydin on seostettu erbium-ioneilla (Er³⁺). Kun erbium-seostettu kuitu pumpataan suuritehoisella laservalolla joko 980 nm tai 1480 nm, erbium-ionit virittyvät korkeampaan energiatilaan. Kun 1550 nm:n signaalifotoni kulkee seostetun kuidun läpi, se stimuloi virittyneitä erbium-ioneja lähettämään lisää fotoneja täsmälleen samalla aallonpituudella ja -faasilla – tätä prosessia kutsutaan stimuloiduksi emissioksi, joka tuottaa koherentin optisen vahvistuksen. Tämä vahvistusmekanismi vahvistaa signaalia koko C-kaistan kattavalla kaistanleveydellä tehden EDFA:ista yhteensopivia sekä yhden aallonpituuden HFC-lähetyksen että aallonpituusjakoisten multipleksoitujen (WDM) järjestelmien kanssa, jotka kuljettavat useita kanavia samanaikaisesti yhdellä kuidulla.

Tyypillisessä HFC-optisessa laitoksessa keskuspään lähetin muuntaa yhdistetyn RF-signaalin spektrin – joka voi ulottua 5 MHz:stä 1,2 GHz:iin DOCSIS 3.1 -järjestelmissä – optiseksi signaaliksi käyttämällä suoraan moduloitua tai ulkoisesti moduloitua laseria, joka toimii 1550 nm:ssä. Tämä signaali lähetetään sitten kuidunjakelulaitokseen. Kun signaalin teho on heikentynyt tasolle, joka heikentäisi kantoaalto-kohinasuhdetta (CNR) kuitusolmussa, optinen vahvistin liitetään linjaan signaalitehon palauttamiseksi vaaditulle tasolle. Vahvistettu signaali jatkuu ylimääräisten kuituvälien kautta, kunnes se saavuttaa kuitusolmun, jossa valoilmaisin muuntaa sen takaisin RF-sähkösignaaliksi jaettavaksi verkon koaksiaaliosaan.

HFC-lähetyksessä käytettyjen 1550 nm:n optisten vahvistimien tyypit

HFC-verkoissa käytettävä 1550 nm:n optisten vahvistinten tuoteperhe sisältää useita erillisiä vahvistinkonfiguraatioita, jotka on optimoitu optisen lähetysarkkitehtuurin eri kohtiin. HFC-optisia laitteita suunnitteleville tai päivittäville verkkoinsinööreille on tärkeää ymmärtää, missä kutakin tyyppiä käytetään ja mitkä suorituskykyominaisuudet määrittelevät.

Tehostevahvistimet (jälkivahvistimet)

Booster-vahvistimet sijoitetaan välittömästi päätelaitteen lähettimen jälkeen lisäämään kuitujakelulaitoksen laukaisutehoa. Koska tulosignaali on jo suhteellisen korkealla tehotasolla lähettimestä, tehostinvahvistimet on suunniteltu korkealle lähtöteholle alhaisen kohinaluvun sijaan – tyypilliset HFC-tehostinvahvistimien lähtötehovaatimukset vaihtelevat 17 dBm:stä 23 dBm:iin tai enemmän korkean jaon tai hajautetun pääsyn arkkitehtuurien (DAA) käyttöön. Tehostevahvistimen ensisijainen tehtävä on kompensoida optisten jakajien liitoshäviöitä, jotka jakavat signaalin useille kuitureiteille, jotka palvelevat eri palvelualueen segmenttejä, sekä ensimmäisen kuituvälin vaimennusta. 20 dBm:n lähtöteholla varustettu päätevahvistin, joka käyttää 1:8-optista jakajaa (noin 9 dB:n jakohäviö), laukaisee noin 11 dBm jokaiselle kahdeksasta lähtökuitureitistä, mikä riittää ajamaan 25–40 km:n jännevälit ennen kuin lisävahvistusta tarvitaan.

In-Line vahvistimet

Linjavahvistimia käytetään välipisteissä pitkän matkan kuituvälillä, jossa signaalin teho on laskenut alle vähimmäistason, joka vaaditaan hyväksyttävän CNR:n ylläpitämiseksi seuraavassa solmussa tai vahvistimessa. Näiden vahvistimien on tasapainotettava vahvistus, lähtöteho ja kohinaluku – kohinaluku on erityisen kriittinen, koska jokainen in-line-vahvistinaste lisää vahvistetun spontaanien emission (ASE) kohinaa, joka kerääntyy optiselle polulle ja viime kädessä rajoittaa saavutettavissa olevaa CNR:ää kuitusolmussa. In-line-vahvistimet HFC-lähetyksiä varten tarjoavat tyypillisesti 15–25 dB:n vahvistuksen lähtöteholla 13–17 dBm ja kohinaluvuilla 5–7 dB. Monivaiheiset in-line-vahvistimet, joissa on keskivaiheinen pääsy – mahdollistavat optisten vaimentimien tai vahvistusta tasoittavien suodattimien lisäämisen vahvistusasteiden väliin – saavuttavat alhaisemmat teholliset kohinaluvut kuin yksivaiheiset rakenteet vastaavalla lähtöteholla.

Node-driving vahvistimet (esivahvistimet)

Solmua ohjaavat vahvistimet, joita joskus kutsutaan jakeluvahvistimiksi tai optisiksi linjavahvistimiksi (OLA), sijoitetaan juuri ennen kuitusolmua tai optista jakopistettä signaalin vahvistamiseksi tasolle, joka vaaditaan useiden alavirran solmun lähtöjen ohjaamiseen samanaikaisesti. Näille vahvistimille on tunnusomaista korkea lähtöteho yhdistettynä riittävään vahvistukseen toimiakseen alhaisilla tulotehotasoilla – niiden on tarjottava riittävä lähtö, vaikka tuloteho on pudonnut -3 - -10 dBm pitkän kuituvälin jälkeen. Solmua ohjaavien vahvistimien lähtötehovaatimukset vaihtelevat 17–27 dBm suuritehoisissa kokoonpanoissa, ja jotkin 1550 nm:n optisten vahvistinten sarjan premium-tuotteet saavuttavat 30 dBm:n suuria optisia jakosuhteita, jotka palvelevat tiheää solmukäyttöä.

Tärkeimmät suorituskykyvaatimukset ja niiden vaikutus HFC-verkon suunnitteluun

Oikean 1550 nm:n optisen vahvistimen valitseminen HFC-sovellukselle edellyttää selkeää ymmärrystä valmistajan teknisissä tiedoissa julkaistuista suorituskykyvaatimuksista ja siitä, kuinka kukin parametri muuttuu todelliseksi verkon toiminnaksi. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto kriittisistä vahvistimien teknisistä tiedoista ja niiden verkkosuunnittelun vaikutuksista:

Melukuvio ansaitsee erityistä huomiota, koska se sekoittuu kaskadoitujen vahvistinketjujen kautta. Jokainen vahvistinaste lisää ASE-kohinaa, ja optisen kohinan kokonaiskertymä määrittää kuitusolmun CNR:n – parametrin, joka lopulta määrittää HFC-laitoksen koaksiaaliosaan jaettujen RF-signaalien laadun. Vähintään 52 dB:n CNR kuitusolmussa vaaditaan tyypillisesti riittävän komposiittisen toisen asteen (CSO), yhdistetyn kolminkertaisen sykkeen (CTB) ja virhevektorin suuruuden (EVM) suorituskyvyn ylläpitämiseksi DOCSIS 3.1 OFDM -kanaville. Verkkoinsinöörien on suoritettava peräkkäiset kohinalukulaskelmat kaikissa vahvistinvaiheissa headend-solmuun varmistaakseen CNR-yhteensopivuuden ennen vahvistimen sijoittelun ja määrittelyn viimeistelemistä.

Optisen vahvistimen sijoitus HFC-solmuarkkitehtuurissa

Nykyaikaisten HFC-verkkojen arkkitehtuuri on kehittynyt merkittävästi solmun 0 (kuitu syvä), hajautetun pääsyn arkkitehtuurin (DAA) ja etäkäyttöisten PHY-/etä-MACPHY-asennusten myötä, jotka kaikki muuttavat optisten vahvistimien sijoituspaikkaa ja suorituskykyä niiden tulee tuottaa. Sen ymmärtäminen, kuinka vahvistimen sijoittelu sovitetaan näihin kehittyviin arkkitehtuureihin, on välttämätöntä insinööreille, jotka päivittävät nykyistä HFC-laitosta tukemaan DOCSIS 3.1:tä ja tulevia DOCSIS 4.0 -palveluita.

Perinteinen Fiber-to-the-Node -arkkitehtuuri

Perinteisessä HFC-arkkitehtuurissa yksi suuritehoinen 1550 nm:n optinen lähetin keskuspäässä ohjaa kuitujakelulaitosta optisten jakajien ja in-line-vahvistimien kautta palvelemaan useita kuitusolmuja, joista kukin palvelee 500–2 000 kotia. Optiset vahvistimet sijoitetaan aikavälein, jotka määräytyvät kertyneen kuidun vaimennuksen ja jakohäviöiden mukaan riittävän tulotehon ylläpitämiseksi jokaisessa alavirran solmussa. Tyypillisessä konfiguraatiossa käytetään headend-tehostinvahvistinta, joka käyttää 1:4- tai 1:8-ensisijaista jakajaa, ja in-line-vahvistimet on sijoitettu 15–30 km alavirtaan kompensoimaan kuituvälin vaimennusta, ennen kuin toissijaiset jakajat syöttävät yksittäisiä kuitusolmuja. Tämä tähtipuutopologia on optimoitu taloudelliseen kuitutehtaan rakentamiseen, mutta se keskittää merkittävän vahvistimen vahvistuksen pitkiin kaskadeihin, jotka haastavat CNR:n suorituskyvyn.

Fibre Deep ja Distributed Access -arkkitehtuurit

Kuitupohjaiset arkkitehtuurit työntävät kuitua lähemmäs asiakasta, vähentäen solmujen palvelualueita 50–150 kotitalouteen ja eliminoivat suurimman osan koaksiaalivahvistimen kaskadista. Etä-PHY- ja etä-MACPHY DAA -asennukset siirtävät DOCSIS-fyysisen kerroksen käsittelyn pääkeskuksesta kuitusolmuun, joka sisältää nyt aktiivisen digitaalisen elektroniikan, joka saa virtansa kuituinfrastruktuurista. Nämä arkkitehtuurit muuttavat optisen lähetyksen vaatimuksia merkittävästi: yksittäiset kuituaallonpituudet tai WDM-kanavat kuljettavat omistettuja digitaalisia signaaleja jokaiseen etäsolmuun, ja 1550 nm:n optisten vahvistinsarjan on tuettava WDM-toimintaa tasaisella vahvistuksella kaikilla aktiivisilla kanavilla samanaikaisesti. Tehokkaat WDM-yhteensopivat EDFA:t, joissa on integroidut vahvistuksen tasaussuodattimet ja automaattinen vahvistuksen säätö (AGC), ovat tarpeen tasaisen kanavakohtaisen tehotason ylläpitämiseksi, kun solmuja lisätään tai poistetaan verkosta ilman optisen laitoksen manuaalista tasapainottamista.

Käytännön huomioita 1550 nm:n vahvistimien käyttöönotossa HFC-laitoksessa

1550 nm:n optisten vahvistimien onnistunut käyttöönotto HFC-lähetyslaitteissa vaatii huomiota useisiin käytännön suunnittelu- ja toimintatekijöihin, joita ei ole otettu huomioon pelkästään tietolomakkeen teknisissä tiedoissa. Kenttäsuorituskyky voi poiketa merkittävästi laboratorioiden suorituskyvystä, kun vahvistimet asennetaan todellisiin verkkoympäristöihin, joissa kuidun laatu vaihtelee, liittimien puhtausongelmat ja lämpökierto ulkona olevissa koteloissa.

• Liittimen puhtaus ja tarkastus: Optiset liittimet vahvistimen tulo- ja lähtöporteissa ovat yleisin odottamattomien liitäntöjen katoamisen ja signaalin heikkenemisen lähde käytössä olevassa HFC-optisessa laitoksessa. Likaantunut APC-liitin voi lisätä 1–3 dB lisäyshäviötä ja aiheuttaa takaisinheijastuksia, jotka horjuttavat vahvistimen toimintaa. Kaikki liittimet on tarkastettava kuitutarkastelupäällä ja puhdistettava sopivilla työkaluilla ennen liittämistä – aina poikkeuksetta. Operaattoreiden tulee ylläpitää IEC 61300-3-35 -luokan B puhtautta tai parempaa kaikissa vahvistinliitännöissä.
• Automaattinen vahvistuksen säätö ja automaattinen tehonsäätö: HFC-optisissa vahvistimissa tulee olla AGC- tai automaattinen tehonsäätöpiiri (APC), joka ylläpitää vakiolähtötehon, kun tulosignaalitasot vaihtelevat kuitulaitoksen muutosten, lämpötilan aiheuttamien häviövaihteluiden tai ylävirran verkon uudelleenkonfigurointien vuoksi. Ilman AGC/APC:tä tulotehon aleneminen, joka johtuu kuidun huonontumisesta, liittimen ikääntymisestä tai optisen polun muutoksista, aiheuttaa suhteellista vähennystä lähtötehossa, joka kulkee alavirran vahvistimien läpi ja vähentää CNR:ää kuitusolmuissa. Luotettavien HFC-optisten laitosten vakiokäytäntö on määrittää vahvistimet, joiden lähtötehon vakaus on ±0,5 dB koko tulotehon toiminta-alueella.
• Optinen eristys ja takaheijastuksen hallinta: Stimuloitu Brillouin-sironta (SBS) ja Rayleighin takaisinsironta pitkillä kuituvälillä synnyttävät optista kohinaa, joka voi palata vahvistimen vaiheisiin ja heikentää suorituskykyä. Yli 17 dBm toimivissa suuritehoisissa tehostinvahvistimissa on oltava optiset isolaattorit sekä tulo- että lähtöporteissa, ja kuitulaitoksen suunnittelussa on oltava riittävä optinen paluuhäviömarginaali. APC-kiillotetut liittimet (ORL tyypillisesti > 60 dB) ja fuusioliitokset (ORL > 60 dB) ovat UPC-liittimiin verrattuna (ORL tyypillisesti 45–50 dB) suositumpia suuritehoisissa 1550 nm:n siirtojärjestelmissä.
• Lämmönhallinta ulkotiloissa: HFC-optiset vahvistimet, joita käytetään ulkona jalustoissa tai antennikoteloissa, kokevat ympäristön lämpötilan -40 °C - 60 °C monilla maantieteellisillä alueilla. Vahvistinpumpun laserdiodit – 980 nm:n tai 1480 nm:n lähteet, jotka käyttävät EDFA-vahvistusta – ovat lämpötilaherkkiä komponentteja, joiden lähtötehoon, aallonpituuteen ja käyttöikään vaikuttaa käyttölämpötila. Termosähköisillä jäähdyttimillä (TEC) varustettujen vahvistimien määrittäminen pumppulasermoduuleissa ja nimellissuorituskyvyn tarkistaminen koko käyttölämpötila-alueella on välttämätöntä luotettavan ulkokäyttöönoton kannalta. Johtavat HFC-optisten vahvistinsarjan valmistajat tarjoavat nyt laajennettuja käyttölämpötila-alueita -40 °C:sta 65 °C:seen vastatakseen tähän tarpeeseen.
• Verkonhallinta ja etävalvonta: Nykyaikaiset 1550 nm:n optiset vahvistinsarjat HFC-sovelluksiin sisältävät SNMP-yhteensopivat verkonhallintaliitännät, optisen tehonvalvonnan tulo- ja lähtöporteissa, pumpun laservirran ja lämpötilan telemetrian sekä hälytyslähdöt kantaman ulkopuolella. Vahvistimen hallinnan integrointi kaapelioperaattorin headend-hallintajärjestelmään (HMS) tai elementinhallintajärjestelmään (EMS) mahdollistaa ennakoivan vian tunnistamisen ennen huoltoon vaikuttavien vikojen ilmenemistä ja tarjoaa suorituskykytrenditiedot, joita tarvitaan ennaltaehkäisevän huollon ajoittamiseen ennen kuin komponenttien huonontuminen saavuttaa käyttöiän lopun kynnyksen.

Oikean 1550 nm:n optisen vahvistinsarjan valitseminen HFC-verkkoosi

Verkkoinsinöörit voivat lähestyä vahvistimen valintaa systemaattisesti, koska he ymmärtävät selkeästi vahvistintyypit, suorituskykyvaatimukset ja käyttöönottonäkökohdat. Valintaprosessin tulee noudattaa määriteltyä vaihesarjaa, joka muuttaa verkon suunnitteluvaatimukset tuotespesifikaatioiksi:

• Määritä optisen linkin budjetti: Laske kokonaishäviö headend-lähettimestä kaukaisimpaan kuitusolmuun, mukaan lukien kuituvälin vaimennus, liitoshäviöt, liitinhäviöt ja optisen jakajan lisäyshäviöt. Tämä linkkibudjetti määrittää kaikista vahvistimen vaiheista vaaditun kokonaisvahvistuksen ja määrittää kustakin yksittäisestä vahvistimesta vaaditun lähtötehon sen sijainnin perusteella ketjussa.
• Laske CNR kuitusolmussa: Laske solmun valotunnistimen sisääntulossa käytettävissä oleva optinen SNR käyttämällä kaikkien vahvistinasteiden peräkkäistä kohinalukua pääkeskuksesta solmuun. Muunna RF CNR:ksi käyttämällä modulaatioindeksiä, RF-signaalin optista modulaatiosyvyyttä ja valotunnistimen vastetta. Varmista, että laskettu CNR täyttää vähimmäisvaatimukset, jotka vaaditaan RF-laitoksessa käytetylle korkeimman asteen modulaatiolle – tyypillisesti 256-QAM OFDM DOCSIS 3.1:lle, joka vaatii yli 52–54 dB:n CNR:n.
• Tarkista WDM-yhteensopivuus tarvittaessa: Verkoissa, jotka käyttävät useita aallonpituuksia yhdellä kuidulla, varmista, että valitut vahvistinsarjat tarjoavat tasaisen vahvistuksen kaikilla toiminta-aallonpituuksilla samanaikaisesti ja että vahvistusta tasoittavia suodatinvaihtoehtoja on saatavana peräkkäisissä monivahvistinkokoonpanoissa, joissa vahvistuksen kallistuminen aiheuttaisi muuten ei-hyväksyttävää kanavan tehon epätasapainoa.
• Vahvista fyysiset ja ympäristötiedot: Yhdistä vahvistimen muoto – telineeseen asennettava runkokortti, erillinen 1U-yksikkö tai ulkona jalustalle asennettava – käytettävissä olevaan asennusinfrastruktuuriin. Tarkista käyttölämpötila-alue, virtalähteen jännitevaihtoehdot, tunkeutumissuojausluokitus ulkokäyttöön ja asiaankuuluvien standardien noudattaminen, mukaan lukien IEC 60825 laserturvallisuutta varten ja Telcordia GR-1312 EDFA-luotettavuusvaatimukset.