Menggunakan Penguat Optik 1550 nm dalam Peralatan Penghantaran HFC

Mengapa 1550 nm Adalah Panjang Gelombang Dominan untuk Penghantaran Optik HFC

Rangkaian gentian sepaksi hibrid (HFC) membentuk tulang belakang televisyen kabel dan pengedaran internet jalur lebar untuk ratusan juta pelanggan di seluruh dunia. Dalam rangkaian ini, gentian optik membawa isyarat jalur lebar dari hujung kabel ke nod gentian yang diedarkan di seluruh kawasan perkhidmatan, di mana isyarat optik ditukar kepada RF dan diedarkan melalui kabel sepaksi ke rumah dan perniagaan individu. Pilihan 1550 nm sebagai panjang gelombang operasi untuk segmen pengangkutan optik ini bukanlah sewenang-wenangnya—ia adalah hasil daripada dua kelebihan fizikal yang menentukan yang mentakrifkan ekonomi dan prestasi penghantaran optik jarak jauh. Gentian mod tunggal standard mempamerkan pengecilan minimum mutlaknya pada kira-kira 1550 nm, dengan kerugian tipikal 0.18–0.20 dB/km berbanding 0.35 dB/km pada tetingkap 1310 nm yang digunakan dalam aplikasi jangkauan lebih pendek. Pengurangan kehilangan gentian ini secara langsung diterjemahkan kepada rentang penguat yang lebih panjang, tahap penguatan optik yang lebih sedikit dan kos infrastruktur yang lebih rendah bagi setiap kilometer loji.

Kelebihan penentu kedua ialah ketersediaan penguat gentian doped erbium (EDFA)—penguat optik yang praktikal, boleh dipercayai dan kos efektif yang beroperasi dengan tepat dalam jalur C 1530–1570 nm dan jalur L 1570–1620 nm, kedua-duanya berpusat pada tetingkap penghantaran 1550 nm. EDFA mengubah penghantaran optik jarak jauh dengan membolehkan penguatan optik terus tanpa penukaran optik-elektrik-optik (OEO) yang mahal dan pengenalan kependaman yang diperlukan oleh teknologi pengulang penjanaan semula yang lebih awal. Untuk rangkaian HFC khususnya, gabungan kehilangan gentian rendah dan penguatan EDFA membolehkan jarak penghantaran optik 40–100 km antara peringkat penguatan, membolehkan pengendali kabel menyediakan kawasan perkhidmatan geografi yang besar daripada kemudahan hujung kepala berpusat dengan infrastruktur nod yang berkurangan secara mendadak berbanding alternatif panjang gelombang yang lebih pendek.

Cara Penguat Optik 1550 nm Berfungsi dalam Sistem HFC

A Penguat optik 1550 nm dalam sistem penghantaran HFC berfungsi dengan secara langsung menguatkan isyarat optik yang dibawa pada gentian tanpa menukarnya kepada isyarat elektrik. Teknologi yang dominan ialah penguat gentian dop erbium, yang menggunakan gentian optik panjang pendek yang terasnya telah didop dengan ion erbium (Er³⁺). Apabila gentian dop erbium dipam dengan cahaya laser berkuasa tinggi sama ada pada 980 nm atau 1480 nm, ion erbium teruja kepada keadaan tenaga yang lebih tinggi. Apabila foton isyarat 1550 nm melalui gentian doped, ia merangsang ion erbium yang teruja untuk memancarkan foton tambahan pada panjang gelombang dan fasa yang sama—suatu proses yang dipanggil pelepasan rangsangan yang menghasilkan keuntungan optik yang koheren. Mekanisme keuntungan ini menguatkan isyarat ke atas lebar jalur yang menjangkau seluruh jalur C, menjadikan EDFA serasi dengan kedua-dua penghantaran HFC panjang gelombang tunggal dan sistem pemultipleks pembahagian panjang gelombang (WDM) yang membawa berbilang saluran secara serentak pada satu gentian.

Dalam loji optik HFC biasa, pemancar hujung kepala menukarkan gabungan spektrum isyarat RF—yang mungkin menjangkau 5 MHz hingga 1.2 GHz untuk sistem DOCSIS 3.1—ke dalam isyarat optik menggunakan laser termodulat secara langsung atau termodulat luaran yang beroperasi pada 1550 nm. Isyarat ini kemudiannya dilancarkan ke loji pengedaran gentian. Apabila kuasa isyarat telah berkurangan ke tahap yang akan merendahkan nisbah pembawa-kepada-bunyi (CNR) pada nod gentian, penguat optik dimasukkan dalam talian untuk memulihkan kuasa isyarat ke tahap yang diperlukan. Isyarat yang diperkuatkan diteruskan melalui rentang gentian tambahan sehingga ia mencapai nod gentian, di mana pengesan foto menukarkannya kembali kepada isyarat elektrik RF untuk diedarkan melalui bahagian sepaksi rangkaian.

Jenis Penguat Optik 1550 nm Digunakan dalam Penghantaran HFC

Keluarga produk penguat optik 1550 nm yang digunakan dalam rangkaian HFC merangkumi beberapa konfigurasi penguat berbeza yang dioptimumkan untuk kedudukan berbeza dalam seni bina penghantaran optik. Memahami tempat setiap jenis digunakan dan ciri prestasi yang ditentukan setiap satu adalah penting untuk jurutera rangkaian mereka bentuk atau menaik taraf loji optik HFC.

Penguat Penggalak (Penguat Pasca)

Penguat penggalak diletakkan sejurus selepas pemancar hujung kepala untuk meningkatkan kuasa pelancaran ke dalam loji pengedaran gentian. Oleh kerana isyarat input sudah berada pada tahap kuasa yang agak tinggi daripada pemancar, penguat penggalak direka bentuk untuk kuasa keluaran tinggi dan bukannya angka hingar rendah—spesifikasi kuasa keluaran tipikal untuk penguat penggalak HFC berjulat daripada 17 dBm hingga 23 dBm atau lebih tinggi untuk penempatan seni bina capaian terbahagi atau teragih (DAA). Fungsi utama penguat penggalak adalah untuk mengimbangi kehilangan pemasukan pembahagi optik yang membahagikan isyarat kepada berbilang laluan gentian yang melayani segmen kawasan perkhidmatan yang berbeza, serta pengecilan rentang gentian pertama. Penguat penggalak hujung kepala dengan kuasa keluaran 20 dBm memacu pembahagi optik 1:8 (kira-kira 9 dB kehilangan pecahan) melancarkan kira-kira 11 dBm ke dalam setiap satu daripada lapan laluan gentian keluaran—cukup untuk memandu jarak 25–40 km sebelum penguatan tambahan diperlukan.

Penguat Dalam Talian

Penguat dalam talian digunakan pada titik perantaraan dalam rentang gentian jarak jauh di mana kuasa isyarat telah menurun di bawah paras minimum yang diperlukan untuk mengekalkan CNR yang boleh diterima pada nod atau penguat seterusnya. Penguat ini mesti mengimbangi perolehan, kuasa keluaran dan angka hingar—angka hingar menjadi sangat kritikal kerana setiap peringkat penguat dalam talian menambah hingar pelepasan spontan (ASE) diperkuat yang terkumpul di sepanjang laluan optik dan akhirnya mengehadkan CNR yang boleh dicapai pada nod gentian. Penguat dalam talian untuk penghantaran HFC biasanya memberikan keuntungan 15–25 dB dengan kuasa output 13 hingga 17 dBm dan angka hingar 5–7 dB. Penguat sebaris berbilang peringkat dengan akses peringkat pertengahan—membolehkan pemasukan pengecil optik atau penapis perata keuntungan antara peringkat perolehan—mencapai angka hingar berkesan yang lebih rendah daripada reka bentuk satu peringkat pada kuasa keluaran yang setara.

Penguat Pemacu Nod (Pra-Penguat)

Penguat pemacu nod, kadangkala dipanggil penguat pengedaran atau penguat talian optik (OLA), diletakkan tepat sebelum nod gentian atau titik pemisah optik untuk menguatkan isyarat ke tahap yang diperlukan untuk memacu berbilang output nod hiliran serentak. Penguat ini dicirikan oleh keupayaan kuasa keluaran yang tinggi digabungkan dengan keuntungan yang mencukupi untuk beroperasi daripada aras kuasa input yang rendah—ia mesti memberikan output yang mencukupi walaupun apabila kuasa input telah menurun kepada −3 hingga −10 dBm selepas rentang gentian yang panjang. Spesifikasi kuasa output untuk penguat pemacu nod berjulat dari 17 hingga 27 dBm dalam konfigurasi kuasa tinggi, dengan beberapa produk premium dalam siri penguat optik 1550 nm mencapai 30 dBm untuk memacu nisbah pemisahan optik yang besar yang menyediakan penggunaan nod padat.

Spesifikasi Prestasi Utama dan Bagaimana Ia Mempengaruhi Reka Bentuk Rangkaian HFC

Memilih penguat optik 1550 nm yang betul untuk aplikasi HFC memerlukan pemahaman yang jelas tentang spesifikasi prestasi yang diterbitkan dalam lembaran data pengeluar dan cara setiap parameter diterjemahkan ke dalam tingkah laku rangkaian sebenar. Jadual berikut meringkaskan spesifikasi penguat kritikal dan implikasi reka bentuk rangkaiannya:

Angka hingar patut diberi perhatian khusus kerana impaknya sebatian melalui rantaian penguat bertingkat. Setiap peringkat penguat menambah hingar ASE, dan jumlah pengumpulan hingar optik menentukan CNR pada nod gentian—parameter yang akhirnya menetapkan kualiti isyarat RF yang diedarkan pada bahagian sepaksi loji HFC. CNR sekurang-kurangnya 52 dB pada nod gentian biasanya diperlukan untuk mengekalkan prestasi tertib kedua komposit (CSO), rentak tiga komposit (CTB) dan magnitud vektor ralat (EVM) yang mencukupi untuk saluran DOCSIS 3.1 OFDM. Jurutera rangkaian mesti melakukan pengiraan angka hingar melata merentas semua peringkat penguat dari kepala ke nod untuk mengesahkan pematuhan CNR sebelum memuktamadkan peletakan dan spesifikasi penguat.

Peletakan Penguat Optik dalam Seni Bina Nod HFC

Seni bina rangkaian HFC moden telah berkembang dengan ketara dengan pengenalan nod 0 (dalam gentian), seni bina capaian teragih (DAA) dan penempatan jauh PHY/MAPHY jauh, yang semuanya berubah di tempat penguat optik diletakkan dan prestasi yang mesti disampaikan. Memahami cara peta peletakan penguat kepada seni bina yang berkembang ini adalah penting untuk jurutera yang menaik taraf loji HFC sedia ada untuk menyokong perkhidmatan DOCSIS 3.1 dan DOCSIS 4.0 yang akan datang.

Seni Bina Gentian-ke-Nod Tradisional

Dalam seni bina HFC tradisional, satu pemancar optik berkuasa tinggi 1550 nm di hujung kepala memacu loji pengedaran gentian melalui satu siri pembahagi optik dan penguat sebaris untuk melayani berbilang nod gentian, setiap satunya melayani 500–2,000 rumah yang dilalui. Penguat optik diletakkan pada selang waktu yang ditentukan oleh pengecilan gentian terkumpul dan kehilangan pecahan untuk mengekalkan kuasa input yang mencukupi pada setiap nod hiliran. Konfigurasi biasa menggunakan penguat penggalak hujung kepala memacu pembahagi utama 1:4 atau 1:8, dengan penguat dalam talian diposisikan 15–30 km ke hilir untuk mengimbangi pengecilan rentang gentian sebelum pemisah sekunder menyuap nod gentian individu. Topologi pokok bintang ini dioptimumkan untuk pembinaan tumbuhan gentian yang menjimatkan tetapi menumpukan keuntungan penguat yang ketara dalam lata panjang yang mencabar prestasi CNR.

Fiber Deep dan Senibina Capaian Teragih

Seni bina dalam gentian menolak gentian lebih dekat kepada pelanggan, mengurangkan kawasan sajian nod kepada 50–150 rumah yang dilalui dan menghapuskan kebanyakan lata penguat sepaksi. Arahan PHY jauh dan MACPHY DAA jauh mengalihkan pemprosesan lapisan fizikal DOCSIS dari hujung kepala ke nod gentian, yang kini mengandungi elektronik digital aktif yang dikuasakan ke atas infrastruktur gentian. Seni bina ini mengubah keperluan penghantaran optik dengan ketara: panjang gelombang gentian individu atau saluran WDM membawa isyarat digital khusus kepada setiap nod jauh, dan siri penguat optik 1550 nm mesti menyokong operasi WDM dengan keuntungan rata merentas semua saluran aktif secara serentak. EDFA serasi WDM berkuasa tinggi dengan penapis perata keuntungan bersepadu dan kawalan perolehan automatik (AGC) diperlukan untuk mengekalkan tahap kuasa setiap saluran yang konsisten apabila nod ditambah atau dikeluarkan daripada rangkaian tanpa pengimbangan semula manual loji optik.

Pertimbangan Praktikal untuk Menggunakan Penguat 1550 nm di Loji HFC

Penggunaan penguat optik 1550 nm yang berjaya dalam peralatan penghantaran HFC memerlukan perhatian kepada beberapa faktor kejuruteraan dan operasi praktikal yang tidak ditangkap dalam spesifikasi lembaran data sahaja. Prestasi medan boleh menyimpang dengan ketara daripada prestasi berciri makmal apabila penguat dipasang dalam persekitaran rangkaian sebenar dengan kualiti gentian berubah-ubah, isu kebersihan penyambung dan kitaran haba dalam kepungan luar.

• Kebersihan dan pemeriksaan penyambung: Penyambung optik pada port input dan output penguat ialah satu-satunya sumber kehilangan sisipan yang tidak dijangka dan kemerosotan isyarat dalam loji optik HFC yang digunakan. Penyambung APC yang tercemar boleh menambah 1–3 dB kehilangan sisipan dan menjana pantulan belakang yang menjejaskan kestabilan operasi penguat. Semua penyambung mesti diperiksa dengan probe pemeriksaan gentian dan dibersihkan dengan alatan yang sesuai sebelum penyambungan—setiap kali, tanpa pengecualian. Operator harus mengekalkan kebersihan IEC 61300-3-35 Gred B atau lebih baik pada semua antara muka penyambung penguat.
• Kawalan perolehan automatik dan kawalan kuasa automatik: Penguat optik HFC harus menggabungkan litar AGC atau kawalan kuasa automatik (APC) yang mengekalkan kuasa keluaran malar kerana tahap isyarat input berbeza-beza disebabkan oleh perubahan loji gentian, variasi kehilangan akibat suhu atau konfigurasi semula rangkaian huluan. Tanpa AGC/APC, pengurangan kuasa input—disebabkan oleh degradasi gentian, penuaan penyambung atau perubahan laluan optik—menyebabkan pengurangan berkadar dalam kuasa output yang melata melalui penguat hiliran dan mengurangkan CNR pada nod gentian. Menentukan penguat dengan kestabilan kuasa output ±0.5 dB ke atas julat pengendalian kuasa input penuh adalah amalan standard untuk loji optik HFC yang boleh dipercayai.
• Pengasingan optik dan pengurusan pantulan belakang: Penyerakan Brillouin yang dirangsang (SBS) dan penyerakan belakang Rayleigh dalam rentang gentian panjang menjana hingar optik yang boleh memasuki semula peringkat penguat dan merendahkan prestasi. Penguat penggalak kuasa tinggi yang beroperasi melebihi 17 dBm mesti termasuk pengasing optik pada kedua-dua port input dan output, dan reka bentuk loji gentian mesti menggabungkan margin kehilangan pulangan optik yang mencukupi. Penyambung digilap APC (ORL lazimnya >60 dB) dan penyambung gabungan (ORL >60 dB) amat diutamakan berbanding penyambung UPC (ORL lazimnya 45–50 dB) dalam sistem penghantaran 1550 nm berkuasa tinggi.
• Pengurusan terma dalam kepungan luar: Penguat optik HFC yang digunakan di alas luar atau kepungan udara mengalami julat suhu ambien −40°C hingga 60°C di banyak kawasan geografi. Diod laser pam penguat—sumber 980 nm atau 1480 nm yang memacu perolehan EDFA—adalah komponen sensitif suhu yang kuasa keluaran, panjang gelombang dan seumur hidup semuanya dipengaruhi oleh suhu operasi. Menentukan penguat dengan penyejuk termoelektrik (TEC) pada modul laser pam dan mengesahkan prestasi dinilai merentas julat suhu operasi penuh adalah penting untuk penggunaan luar yang boleh dipercayai. Julat suhu operasi lanjutan daripada −40°C hingga 65°C kini ditawarkan oleh pengeluar siri penguat optik HFC terkemuka untuk menangani keperluan ini secara eksplisit.
• Pengurusan rangkaian dan pemantauan jarak jauh: Siri penguat optik 1550 nm moden untuk aplikasi HFC menggabungkan antara muka pengurusan rangkaian serasi SNMP, pemantauan kuasa optik pada port input dan output, telemetri arus dan suhu laser pam, dan output penggera untuk keadaan di luar julat. Mengintegrasikan pengurusan penguat ke dalam sistem pengurusan kepala (HMS) atau sistem pengurusan elemen (EMS) pengendali kabel membolehkan pengecaman kerosakan proaktif sebelum kegagalan yang menjejaskan perkhidmatan berlaku dan menyediakan data aliran prestasi yang diperlukan untuk menjadualkan penyelenggaraan pencegahan sebelum kemerosotan komponen mencapai ambang akhir hayat.

Memilih Siri Penguat Optik 1550 nm yang Tepat untuk Rangkaian HFC Anda

Dengan pemahaman yang jelas tentang jenis penguat, spesifikasi prestasi dan pertimbangan penggunaan, jurutera rangkaian boleh mendekati pemilihan penguat secara sistematik. Proses pemilihan hendaklah mengikut urutan langkah yang ditetapkan yang menterjemahkan keperluan reka bentuk rangkaian ke dalam spesifikasi produk:

• Tentukan belanjawan pautan optik: Kira jumlah kerugian daripada pemancar hujung kepala ke nod gentian yang paling jauh, termasuk pengecilan rentang gentian, kehilangan sambatan, kehilangan penyambung dan kehilangan pemasukan pembahagi optik. Belanjawan pautan ini menentukan jumlah keuntungan yang diperlukan daripada semua peringkat penguat digabungkan dan menetapkan kuasa output yang diperlukan daripada setiap penguat individu berdasarkan kedudukannya dalam rantai.
• Kira CNR pada nod gentian: Menggunakan angka hingar melata bagi semua peringkat penguat dari hujung kepala ke nod, hitung SNR optik yang tersedia pada input pengesan foto nod. Tukar kepada RF CNR menggunakan indeks modulasi, kedalaman modulasi optik bagi isyarat RF, dan respontiviti pengesan foto. Sahkan bahawa CNR yang dikira memenuhi minimum yang diperlukan untuk modulasi tertib tertinggi yang digunakan dalam loji RF—biasanya 256-QAM OFDM untuk DOCSIS 3.1, memerlukan CNR melebihi 52–54 dB.
• Sahkan keserasian WDM jika berkenaan: Untuk rangkaian yang menggunakan berbilang panjang gelombang pada gentian tunggal, sahkan bahawa siri penguat yang dipilih memberikan keuntungan rata merentasi semua panjang gelombang operasi secara serentak dan pilihan penapis yang meratakan keuntungan tersedia untuk konfigurasi berbilang penguat berlatarkan di mana pengumpulan kecondongan keuntungan sebaliknya akan menyebabkan ketidakseimbangan kuasa saluran yang tidak boleh diterima.
• Sahkan spesifikasi fizikal dan persekitaran: Padankan faktor bentuk penguat—kad casis pemasangan rak, unit 1U kendiri atau pelekap alas luar—dengan infrastruktur pemasangan yang tersedia. Sahkan julat suhu operasi, pilihan voltan bekalan kuasa, penilaian perlindungan kemasukan untuk penggunaan luar dan pematuhan piawaian yang berkaitan termasuk IEC 60825 untuk keselamatan laser dan Telcordia GR-1312 untuk kelayakan kebolehpercayaan EDFA.