Utilizarea amplificatoarelor optice de 1550 nm în echipamentele de transmisie HFC

De ce 1550 nm este lungimea de undă dominantă pentru transmisia optică HFC

Rețelele hibride de fibră coaxială (HFC) formează coloana vertebrală a televiziunii prin cablu și a distribuției de internet în bandă largă pentru sute de milioane de abonați din întreaga lume. În aceste rețele, fibra optică transportă semnale în bandă largă de la capătul cablului către nodurile de fibră distribuite în zonele de serviciu, unde semnalul optic este convertit în RF și distribuit prin cablu coaxial către case și întreprinderi individuale. Alegerea de 1550 nm ca lungime de undă de operare pentru acest segment de transport optic nu este arbitrară - este produsul a două avantaje fizice decisive care definesc economia și performanța transmisiei optice pe distanțe lungi. Fibra monomod standard își prezintă atenuarea minimă absolută la aproximativ 1550 nm, cu pierderi tipice de 0,18–0,20 dB/km comparativ cu 0,35 dB/km la fereastra de 1310 nm utilizată în aplicațiile cu rază mai scurtă. Această reducere a pierderilor de fibre se traduce direct în intervale mai lungi de amplificare, mai puține etape de amplificare optică și costuri mai mici ale infrastructurii pe kilometru de instalație.

Al doilea avantaj decisiv este disponibilitatea amplificatoarelor cu fibră dopată cu erbiu (EDFA) — amplificatoare optice practice, fiabile și rentabile care funcționează precis în banda C de 1530–1570 nm și banda L de 1570–1620 nm, ambele centrate pe fereastra de transmisie de 1550 nm. EDFA-urile au transformat transmisia optică pe distanțe lungi, permițând amplificarea optică directă, fără conversia optică-electrică-optică (OEO) costisitoare și care introduce latență cerută de tehnologia anterioară a repetitorului regenerativ. În special pentru rețelele HFC, combinația dintre pierderea redusă a fibrelor și amplificarea EDFA permite intervale de transmisie optică de 40-100 km între etapele de amplificare, permițând operatorilor de cablu să deservească zone geografice mari de servicii din instalații de captură centralizate cu infrastructură de noduri redusă dramatic în comparație cu alternativele cu lungime de undă mai scurtă.

Cum funcționează amplificatoarele optice de 1550 nm în sistemele HFC

A amplificator optic de 1550 nm într-un sistem de transmisie HFC funcționează prin amplificarea directă a semnalului optic transportat pe fibră fără a-l converti într-un semnal electric. Tehnologia dominantă este amplificatorul cu fibră dopată cu erbiu, care utilizează o lungime scurtă de fibră optică al cărei miez a fost dopat cu ioni de erbiu (Er³⁺). Când fibra dopată cu erbiu este pompată cu lumină laser de mare putere, fie la 980 nm, fie la 1480 nm, ionii de erbiu sunt excitați la o stare de energie mai mare. Când un foton de semnal de 1550 nm trece prin fibra dopată, stimulează ionii de erbiu excitați să emită fotoni suplimentari la exact aceeași lungime de undă și fază - un proces numit emisie stimulată care produce un câștig optic coerent. Acest mecanism de câștig amplifică semnalul pe o lățime de bandă care se întinde pe întreaga bandă C, făcând EDFA-urile compatibile atât cu sistemele de transmisie HFC cu o singură lungime de undă, cât și cu sistemele multiplexate cu diviziune în lungime de undă (WDM) care transportă mai multe canale simultan pe o singură fibră.

Într-o instalație optică tipică HFC, transmițătorul headend convertește spectrul de semnal RF combinat – care poate cuprinde 5 MHz până la 1,2 GHz pentru sistemele DOCSIS 3.1 – într-un semnal optic folosind un laser modulat direct sau modulat extern care funcționează la 1550 nm. Acest semnal este apoi lansat în instalația de distribuție a fibrelor. Acolo unde puterea semnalului s-a atenuat la un nivel care ar degrada raportul purtător-zgomot (CNR) la nodul de fibră, un amplificator optic este introdus în linie pentru a restabili puterea semnalului la nivelul necesar. Semnalul amplificat continuă prin porțiuni suplimentare de fibră până când ajunge la nodul de fibră, unde un fotodetector îl convertește înapoi într-un semnal electric RF pentru distribuție pe porțiunea coaxială a rețelei.

Tipuri de amplificatoare optice de 1550 nm utilizate în transmisia HFC

Familia de produse amplificatoare optice de 1550 nm utilizată în rețelele HFC cuprinde mai multe configurații distincte de amplificator optimizate pentru diferite poziții în arhitectura de transmisie optică. Înțelegerea unde se aplică fiecare tip și ce caracteristici de performanță definesc fiecare este esențială pentru inginerii de rețea care proiectează sau modernizează instalația optică HFC.

Amplificatoare de amplificare (post-amplificatoare)

Amplificatoarele booster sunt poziționate imediat după transmițătorul headend pentru a crește puterea de lansare în instalația de distribuție a fibrelor. Deoarece semnalul de intrare este deja la un nivel de putere relativ ridicat de la transmițător, amplificatoarele de amplificare sunt proiectate pentru o putere mare de ieșire, mai degrabă decât pentru o cifră redusă de zgomot - specificațiile tipice pentru puterea de ieșire pentru amplificatoarele de amplificare HFC variază de la 17 dBm la 23 dBm sau mai mare pentru implementările de arhitecturi cu acces distribuit sau cu divizare mare (DAA). Funcția principală a amplificatorului de amplificare este de a compensa pierderea de inserție a splitterelor optice care împart semnalul în mai multe căi de fibre care deservesc diferite segmente de zonă de serviciu, precum și atenuarea primei intervale de fibre. Un amplificator de tip headend cu o putere de ieșire de 20 dBm care conduce un splitter optic 1:8 (aproximativ 9 dB de pierdere divizată) lansează aproximativ 11 dBm în fiecare dintre cele opt căi de ieșire a fibrei - suficient pentru a conduce distanțe de 25-40 km înainte de a fi necesară o amplificare suplimentară.

Amplificatoare în linie

Amplificatoarele în linie sunt desfășurate în punctele intermediare ale fibrelor pe distanțe lungi, unde puterea semnalului a scăzut sub nivelul minim necesar pentru a menține CNR acceptabil la următorul nod sau amplificator. Aceste amplificatoare trebuie să echilibreze câștigul, puterea de ieșire și cifra de zgomot - cifra de zgomot fiind deosebit de critică, deoarece fiecare treaptă de amplificator în linie adaugă zgomot de emisie spontană amplificată (ASE) care se acumulează de-a lungul căii optice și în cele din urmă limitează CNR-ul realizabil la nodul de fibră. Amplificatoarele în linie pentru transmisia HFC oferă de obicei un câștig de 15-25 dB cu o putere de ieșire de 13 până la 17 dBm și cifre de zgomot de 5-7 dB. Amplificatoarele în linie cu mai multe trepte cu acces la mijlocul treptei — care permit inserarea atenuatoarelor optice sau a filtrelor de aplatizare a câștigului între treptele de câștig — obțin valori efective de zgomot mai mici decât modelele cu o singură treaptă la o putere de ieșire echivalentă.

Amplificatoare care conduc nodul (preamplificatoare)

Amplificatoarele de conducere a nodurilor, numite uneori amplificatoare de distribuție sau amplificatoare de linie optică (OLA), sunt poziționate chiar înaintea unui nod de fibră sau a unui punct de despărțire optic pentru a amplifica semnalul la nivelul necesar pentru a conduce simultan mai multe ieșiri ale nodurilor din aval. Aceste amplificatoare sunt caracterizate de o capacitate mare de putere de ieșire, combinată cu un câștig suficient pentru a funcționa de la niveluri scăzute de putere de intrare - trebuie să ofere o ieșire adecvată chiar și atunci când puterea de intrare a scăzut la -3 până la -10 dBm după o durată lungă de fibră. Specificațiile puterii de ieșire pentru amplificatoarele care conduc nodul variază de la 17 la 27 dBm în configurații de mare putere, unele produse premium din seria de amplificatoare optice de 1550 nm atingând 30 dBm pentru a conduce rapoarte mari de divizare optică care servesc implementări de noduri dense.

Specificații cheie de performanță și modul în care acestea afectează proiectarea rețelei HFC

Selectarea amplificatorului optic de 1550 nm potrivit pentru o aplicație HFC necesită o înțelegere clară a specificațiilor de performanță publicate în fișele tehnice ale producătorului și modul în care fiecare parametru se traduce în comportamentul real al rețelei. Următorul tabel rezumă specificațiile critice ale amplificatorului și implicațiile lor pentru proiectarea rețelei:

Cifra de zgomot merită o atenție deosebită deoarece impactul său se combină prin lanțuri de amplificatoare în cascadă. Fiecare treaptă a amplificatorului adaugă zgomot ASE, iar acumularea totală de zgomot optic determină CNR-ul la nodul de fibră - parametrul care stabilește în cele din urmă calitatea semnalelor RF distribuite pe porțiunea coaxială a instalației HFC. Un CNR de cel puțin 52 dB la nodul de fibră este de obicei necesar pentru a menține o performanță adecvată de ordinul doi compozit (CSO), triple bataie compusă (CTB) și magnitudinea vectorului de eroare (EVM) pentru canalele DOCSIS 3.1 OFDM. Inginerii de rețea trebuie să efectueze calcule în cascadă a cifrei de zgomot în toate etapele amplificatorului, de la headend la nod, pentru a verifica conformitatea CNR înainte de a finaliza plasarea și specificațiile amplificatorului.

Plasarea amplificatorului optic în arhitectura nodului HFC

Arhitectura rețelelor moderne HFC a evoluat semnificativ odată cu introducerea nodului 0 (adânc de fibră), a arhitecturii de acces distribuit (DAA) și a implementărilor de la distanță PHY/la distanță MACPHY, toate modificând locul în care sunt amplasate amplificatoarele optice și ce performanță trebuie să ofere. Înțelegerea modului în care plasarea amplificatoarelor se adaptează la aceste arhitecturi în evoluție este esențială pentru inginerii care modernizează instalația HFC existentă pentru a sprijini DOCSIS 3.1 și viitoarele servicii DOCSIS 4.0.

Arhitectură tradițională Fiber-to-the-Node

În arhitectura tradițională HFC, un singur transmițător optic de mare putere de 1550 nm de la capăt conduce o instalație de distribuție a fibrelor printr-o serie de splitere optice și amplificatoare în linie pentru a deservi mai multe noduri de fibră, fiecare deservind 500-2.000 de case trecute. Amplificatoarele optice sunt plasate la intervale determinate de atenuarea acumulată a fibrei și de pierderile împărțite pentru a menține puterea de intrare adecvată la fiecare nod din aval. O configurație obișnuită folosește un amplificator de amplificare headend care conduce un splitter primar 1:4 sau 1:8, cu amplificatoare în linie poziționate la 15-30 km în aval pentru a compensa atenuarea intervalului de fibre înainte ca splittoarele secundare să alimenteze nodurile individuale de fibră. Această topologie stea-arbore este optimizată pentru construcția economică a instalațiilor de fibră, dar concentrează câștigul semnificativ al amplificatorului în cascade lungi care provoacă performanța CNR.

Fibre Deep și Arhitecturi de acces distribuit

Arhitecturile fibre deep împing fibra mai aproape de client, reducând zonele de deservire a nodurilor la 50-150 de case trecute și eliminând cea mai mare parte a cascadei de amplificatoare coaxiale. Implementările de la distanță PHY și MACPHY DAA mută procesarea stratului fizic DOCSIS de la headend la nodul de fibră, care conține acum electronice digitale active alimentate prin infrastructura de fibră. Aceste arhitecturi modifică în mod semnificativ cerințele de transmisie optică: lungimile de undă individuale ale fibrei sau canalele WDM transportă semnale digitale dedicate către fiecare nod la distanță, iar seria de amplificatoare optice de 1550 nm trebuie să suporte funcționarea WDM cu câștig plat pe toate canalele active simultan. EDFA de mare putere compatibile cu WDM, cu filtre integrate de aplatizare a câștigului și control automat al câștigului (AGC) sunt necesare pentru a menține niveluri constante de putere pe canal pe măsură ce nodurile sunt adăugate sau îndepărtate din rețea fără reechilibrarea manuală a instalației optice.

Considerații practice pentru implementarea amplificatoarelor de 1550 nm în instalația HFC

Implementarea cu succes a amplificatoarelor optice de 1550 nm în echipamentele de transmisie HFC necesită atenție mai multor factori de inginerie practic și operaționali care nu sunt capturați doar în specificațiile foilor de date. Performanța pe teren se poate abate semnificativ de la performanța caracterizată de laborator atunci când amplificatoarele sunt instalate în medii de rețea reale cu calitate variabilă a fibrei, probleme de curățare a conectorilor și cicluri termice în carcasele exterioare.

• Curățarea și inspecția conectorului: Conectorii optici de la porturile de intrare și de ieșire ale amplificatorului sunt cea mai comună sursă de pierderi neașteptate de inserție și de degradare a semnalului în instalația optică HFC instalată. Un conector APC contaminat poate adăuga 1–3 dB de pierdere de inserție și poate genera reflexii inverse care destabiliza funcționarea amplificatorului. Toți conectorii trebuie inspectați cu o sondă de inspecție a fibrelor și curățați cu unelte adecvate înainte de conectare - de fiecare dată, fără excepție. Operatorii trebuie să mențină curățenia IEC 61300-3-35 de grad B sau mai bine la toate interfețele conectorilor amplificatorului.
• Controlul automat al câștigului și controlul automat al puterii: Amplificatoarele optice HFC ar trebui să încorporeze circuite AGC sau de control automat al puterii (APC) care să mențină puterea de ieșire constantă pe măsură ce nivelurile semnalului de intrare variază din cauza modificărilor instalației de fibre, a variațiilor de pierdere induse de temperatură sau a reconfigurărilor rețelei din amonte. Fără AGC/APC, o reducere a puterii de intrare – cauzată de degradarea fibrei, îmbătrânirea conectorului sau modificări ale căii optice – determină o reducere proporțională a puterii de ieșire care se transmite în cascadă prin amplificatoarele din aval și reduce CNR la nodurile de fibră. Specificarea amplificatoarelor cu o stabilitate a puterii de ieșire de ± 0,5 dB pe întreaga gamă de operare a puterii de intrare este o practică standard pentru o instalație optică HFC de încredere.
• Izolarea optică și gestionarea reflexiei inverse: Imprăștirea Brillouin stimulată (SBS) și împrăștierea Rayleigh în spate lungi de fibre generează zgomot optic care poate reintra în etapele amplificatorului și poate degrada performanța. Amplificatoarele de înaltă putere care funcționează peste 17 dBm trebuie să includă izolatori optici atât la porturile de intrare, cât și la porturile de ieșire, iar designul instalației de fibră trebuie să încorporeze o marjă de pierdere de retur optică suficientă. Conectorii lustruiți APC (ORL de obicei > 60 dB) și îmbinările de fuziune (ORL > 60 dB) sunt foarte preferați față de conectorii UPC (ORL de obicei 45-50 dB) în sistemele de transmisie de mare putere de 1550 nm.
• Managementul termic în incinte exterioare: Amplificatoarele optice HFC instalate pe piedestale exterioare sau în carcase pentru antenă se confruntă cu temperaturi ambientale cuprinse între -40°C și 60°C în multe regiuni geografice. Diodele laser cu pompă de amplificare - sursele de 980 nm sau 1480 nm care conduc la creșterea EDFA - sunt componente sensibile la temperatură a căror putere de ieșire, lungime de undă și durata de viață sunt toate afectate de temperatura de funcționare. Specificarea amplificatoarelor cu răcitoare termoelectrice (TEC) pe modulele laser cu pompă și verificarea performanței nominale pe întregul interval de temperatură de funcționare este esențială pentru o implementare fiabilă în exterior. Intervalele extinse de temperatură de funcționare de la -40°C până la 65°C sunt acum oferite de producătorii de top din seria de amplificatoare optice HFC pentru a aborda această cerință în mod explicit.
• Managementul rețelei și monitorizarea de la distanță: Seria modernă de amplificatoare optice de 1550 nm pentru aplicații HFC încorporează interfețe de gestionare a rețelei compatibile cu SNMP, monitorizarea puterii optice la porturile de intrare și ieșire, telemetria de curent și temperatură laser de pompare și ieșiri de alarmă pentru condiții în afara intervalului. Integrarea managementului amplificatorului în sistemul de management al headend (HMS) al operatorului de cablu sau în sistemul de management al elementelor (EMS) permite identificarea proactivă a defecțiunilor înainte de apariția defecțiunilor care afectează serviciul și oferă datele privind tendințele de performanță necesare pentru a programa întreținerea preventivă înainte ca degradarea componentelor să atingă pragurile de sfârșit de viață.

Selectarea seriei de amplificatoare optice de 1550 nm potrivite pentru rețeaua dvs. HFC

Cu o înțelegere clară a tipurilor de amplificatoare, a specificațiilor de performanță și a considerațiilor de implementare, inginerii de rețea pot aborda selecția amplificatorului în mod sistematic. Procesul de selecție ar trebui să urmeze o secvență definită de pași care traduc cerințele de proiectare a rețelei în specificații de produs:

• Determinați bugetul legaturii optice: Calculați pierderea totală de la transmițătorul headend la cel mai îndepărtat nod de fibră, inclusiv atenuarea intervalului de fibre, pierderile prin îmbinare, pierderile conectorilor și pierderile prin inserție ale splitterului optic. Acest buget de legătură determină câștigul total necesar de la toate treptele amplificatorului combinate și stabilește puterea de ieșire necesară de la fiecare amplificator individual pe baza poziției sale în lanț.
• Calculați CNR la nodul de fibră: Folosind cifra de zgomot în cascadă a tuturor treptelor amplificatorului de la cap la nod, calculați SNR-ul optic disponibil la intrarea fotodetectorului de nod. Convertiți în RF CNR utilizând indicele de modulație, adâncimea de modulație optică a semnalului RF și sensibilitatea fotodetectorului. Verificați dacă CNR calculat îndeplinește minimul necesar pentru modulația de ordinul cel mai înalt utilizat în instalația RF - de obicei 256-QAM OFDM pentru DOCSIS 3.1, care necesită CNR peste 52–54 dB.
• Verificați compatibilitatea WDM dacă este cazul: Pentru rețelele care utilizează mai multe lungimi de undă pe o singură fibră, confirmați că seria de amplificatoare selectată oferă un câștig plat pentru toate lungimile de undă de operare simultan și că opțiunile de filtru de aplatizare a câștigului sunt disponibile pentru configurațiile cu mai multe amplificatoare în cascadă, unde acumularea de înclinare a câștigului ar cauza altfel un dezechilibru inacceptabil al puterii canalului.
• Confirmați specificațiile fizice și de mediu: Potriviți factorul de formă al amplificatorului - placa de șasiu montată în rack, unitate autonomă 1U sau montare pe piedestal în exterior - la infrastructura de instalare disponibilă. Verificați intervalul de temperatură de funcționare, opțiunile de tensiune de alimentare, gradul de protecție împotriva pătrunderii pentru instalarea în aer liber și conformitatea cu standardele relevante, inclusiv IEC 60825 pentru siguranța laserului și Telcordia GR-1312 pentru calificarea de fiabilitate EDFA.