استفاده از تقویت کننده های نوری 1550 نانومتری در تجهیزات انتقال HFC

چرا 1550 نانومتر طول موج غالب برای انتقال نوری HFC است؟

شبکه های فیبر کواکسیال ترکیبی (HFC) ستون فقرات تلویزیون کابلی و توزیع اینترنت باند پهن را برای صدها میلیون مشترک در سراسر جهان تشکیل می دهند. در این شبکه‌ها، فیبر نوری سیگنال‌های باند پهن را از سر کابل به گره‌های فیبر می‌برد که در سراسر مناطق خدماتی توزیع می‌شوند، جایی که سیگنال نوری به RF تبدیل می‌شود و از طریق کابل کواکسیال به خانه‌ها و مشاغل مختلف توزیع می‌شود. انتخاب 1550 نانومتر به عنوان طول موج عملیاتی برای این بخش انتقال نوری دلخواه نیست - این محصول دو مزیت فیزیکی تعیین کننده است که اقتصاد و عملکرد انتقال نوری در فواصل طولانی را تعریف می کند. فیبر تک حالته استاندارد حداقل تضعیف مطلق خود را در حدود 1550 نانومتر نشان می دهد، با تلفات معمولی 0.18-0.20 dB/km در مقایسه با 0.35 dB/km در پنجره 1310 نانومتری که در کاربردهای با دسترسی کوتاه تر استفاده می شود. این کاهش اتلاف فیبر مستقیماً به دهانه های تقویت کننده طولانی تر، مراحل تقویت نوری کمتر و هزینه زیرساخت کمتر به ازای هر کیلومتر نیروگاه ترجمه می شود.

دومین مزیت تعیین کننده در دسترس بودن تقویت کننده های فیبر دوپ شده با اربیوم (EDFالفs) است – تقویت کننده های نوری عملی، قابل اعتماد و مقرون به صرفه که دقیقاً در باند C 1530-1570 نانومتر و باند L 1570-1620 نانومتر که هر دو بر روی پنجره انتقالی متمرکز شده اند، کار می کنند. EDFA ها انتقال نوری در فواصل طولانی را با فعال کردن تقویت نوری مستقیم بدون تبدیل نوری-الکتریکی-اپتیکال (OEO) پرهزینه و با تأخیر مورد نیاز فناوری تکرار کننده احیاکننده قبلی، تغییر دادند. به طور خاص برای شبکه‌های HFC، ترکیبی از اتلاف فیبر کم و تقویت EDFA، گستره‌های انتقال نوری 40 تا 100 کیلومتری بین مراحل تقویت را امکان‌پذیر می‌سازد، و به اپراتورهای کابلی اجازه می‌دهد تا مناطق خدمات جغرافیایی بزرگی را از تأسیسات مرکزی متمرکز با زیرساخت‌های گره به طور چشمگیری در مقایسه با جایگزین‌های با طول موج کوتاه‌تر ارائه دهند.

چگونه تقویت کننده های نوری 1550 نانومتری در سیستم های HFC کار می کنند

A تقویت کننده نوری 1550 نانومتری در یک سیستم انتقال HFC با تقویت مستقیم سیگنال نوری حمل شده بر روی فیبر بدون تبدیل آن به سیگنال الکتریکی عمل می کند. فن آوری غالب تقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم است که از طول کوتاهی از فیبر نوری استفاده می کند که هسته آن با یون های اربیوم (Er3⁺) دوپ شده است. هنگامی که فیبر دوپ شده با اربیوم با نور لیزر پرقدرت در 980 نانومتر یا 1480 نانومتر پمپ می شود، یون های اربیوم به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می شوند. هنگامی که یک فوتون سیگنال 1550 نانومتری از فیبر دوپ شده عبور می‌کند، یون‌های اربیوم برانگیخته را تحریک می‌کند تا فوتون‌های اضافی را دقیقاً در همان طول موج و فاز ساطع کنند - فرآیندی به نام انتشار تحریک‌شده که بهره نوری منسجمی را ایجاد می‌کند. این مکانیزم بهره سیگنال را در پهنای باندی که کل باند C را در بر می گیرد، تقویت می کند و EDFA ها را با هر دو سیستم انتقال HFC تک طول موج و سیستم های چندگانه تقسیم طول موج (WDM) که چندین کانال را به طور همزمان روی یک فیبر واحد حمل می کنند، سازگار می کند.

در یک کارخانه نوری معمولی HFC، فرستنده هدند طیف سیگنال RF ترکیبی را - که ممکن است از 5 مگاهرتز تا 1.2 گیگاهرتز برای سیستم‌های DOCSIS 3.1 باشد - با استفاده از یک لیزر مدوله‌شده مستقیم یا مدوله‌شده خارجی که در 1550 نانومتر کار می‌کند، به سیگنال نوری تبدیل می‌کند. این سیگنال سپس به کارخانه توزیع فیبر راه اندازی می شود. در جایی که قدرت سیگنال به سطحی کاهش می‌یابد که نسبت حامل به نویز (CNR) در گره فیبر را کاهش می‌دهد، یک تقویت‌کننده نوری در خط وارد می‌شود تا توان سیگنال را به سطح مورد نیاز بازگرداند. سیگنال تقویت‌شده از طریق دهانه‌های فیبر اضافی تا رسیدن به گره فیبر ادامه می‌یابد، جایی که یک آشکارساز نوری آن را برای توزیع در بخش کواکسیال شبکه به سیگنال الکتریکی RF تبدیل می‌کند.

Outdoor 1550nm High-power Optical Amplifier: WE-1550-HT

انواع تقویت کننده های نوری 1550 نانومتری مورد استفاده در انتقال HFC

خانواده محصولات تقویت‌کننده نوری 1550 نانومتری مورد استفاده در شبکه‌های HFC، چندین پیکربندی تقویت‌کننده مجزا را در بر می‌گیرد که برای موقعیت‌های مختلف در معماری انتقال نوری بهینه شده‌اند. درک اینکه هر نوع در کجا اعمال می شود و چه ویژگی های عملکردی هر کدام را تعریف می کند، برای مهندسین شبکه در طراحی یا ارتقاء نیروگاه نوری HFC ضروری است.

تقویت کننده های تقویت کننده (پس از تقویت کننده)

تقویت کننده های تقویت کننده بلافاصله بعد از فرستنده هدند قرار می گیرند تا قدرت پرتاب را به کارخانه توزیع فیبر افزایش دهند. از آنجایی که سیگنال ورودی در حال حاضر در سطح توان نسبتاً بالایی از فرستنده قرار دارد، تقویت کننده های تقویت کننده برای توان خروجی بالا به جای نویز کم طراحی شده اند - مشخصات توان خروجی معمولی برای تقویت کننده های تقویت کننده HFC از 17 dBm تا 23 dBm یا بالاتر برای استقرار معماری های دسترسی پراکنده یا توزیع شده (DAA) است. عملکرد اصلی تقویت کننده تقویت کننده، جبران فقدان درج اسپلیترهای نوری است که سیگنال را به مسیرهای فیبر متعددی تقسیم می کند که بخش های مختلف منطقه خدمات را ارائه می دهند، و همچنین تضعیف اولین دهانه فیبر. یک تقویت‌کننده تقویت‌کننده هدند با توان خروجی 20 دسی‌بل‌متر، یک اسپلیتر نوری 1:8 (تقریباً 9 دسی‌بل تلفات) را به هر یک از هشت مسیر فیبر خروجی راه‌اندازی می‌کند که برای درایو دهانه‌های 25 تا 40 کیلومتری قبل از نیاز به تقویت اضافی کافی است.

تقویت کننده های درون خطی

تقویت‌کننده‌های درون خطی در نقاط میانی در دهانه‌های فیبر دوربرد مستقر می‌شوند که در آن قدرت سیگنال به زیر حداقل سطح مورد نیاز برای حفظ CNR قابل قبول در گره یا تقویت‌کننده بعدی کاهش یافته است. این تقویت کننده ها باید بهره، توان خروجی و رقم نویز را متعادل کنند - رقم نویز بسیار مهم است زیرا هر مرحله تقویت کننده درون خطی نویز انتشار خود به خودی تقویت شده (ASE) را اضافه می کند که در طول مسیر نوری جمع می شود و در نهایت CNR قابل دستیابی را در گره فیبر محدود می کند. تقویت کننده های درون خطی برای انتقال HFC معمولاً بهره 15-25 دسی بل با توان خروجی 13 تا 17 دسی بل و ارقام نویز 5-7 دسی بل را ارائه می دهند. تقویت‌کننده‌های خطی چند مرحله‌ای با دسترسی میانی - که امکان قرار دادن تضعیف‌کننده‌های نوری یا فیلترهای صاف‌کننده بهره را در بین مراحل افزایش می‌دهد - به ارقام نویز مؤثر کمتری نسبت به طرح‌های تک مرحله‌ای با توان خروجی معادل دست می‌یابند.

تقویت‌کننده‌های گره‌ای (قبلی تقویت‌کننده)

تقویت‌کننده‌های گره‌دار، که گاهی اوقات تقویت‌کننده‌های توزیع یا تقویت‌کننده‌های خط نوری (OLA) نامیده می‌شوند، درست قبل از یک گره فیبر یا نقطه تقسیم نوری قرار می‌گیرند تا سیگنال را تا سطح مورد نیاز برای هدایت همزمان چندین خروجی گره پایین‌دستی تقویت کنند. این تقویت‌کننده‌ها با قابلیت توان خروجی بالا همراه با بهره کافی برای عملکرد از سطوح توان ورودی پایین مشخص می‌شوند - آنها باید خروجی کافی را حتی زمانی که توان ورودی پس از یک بازه طولانی فیبر به -3 تا -10 dBm کاهش یافته است، ارائه دهند. مشخصات توان خروجی برای تقویت‌کننده‌های گره‌دار از 17 تا 27 دسی‌بل‌متر در پیکربندی‌های پرقدرت متغیر است، با برخی از محصولات ممتاز در سری تقویت‌کننده‌های نوری 1550 نانومتری که به 30 دسی‌بل‌متر می‌رسند تا نسبت‌های تقسیم نوری بزرگی را به کار گیرند.

مشخصات کلیدی عملکرد و چگونگی تأثیر آنها بر طراحی شبکه HFC

انتخاب تقویت کننده نوری 1550 نانومتری مناسب برای یک برنامه HFC مستلزم درک روشنی از مشخصات عملکرد منتشر شده در دیتاشیت های سازنده و نحوه تبدیل هر پارامتر به رفتار واقعی شبکه است. جدول زیر مشخصات تقویت کننده حیاتی و مفاهیم طراحی شبکه آنها را خلاصه می کند:

مشخصات	محدوده معمولی (HFC)	تاثیر طراحی شبکه
توان خروجی	13 تا 30 دسی بل	نسبت تقسیم و طول دهانه قابل پشتیبانی را تعیین می کند
شکل نویز (NF)	4-7 دسی بل	مستقیماً CNR را محدود می کند. NF کمتر = CNR گره انتهایی بهتر
به دست آوردن	10-35 دسی بل	حداقل توان ورودی را برای توان خروجی نامی تنظیم می کند
طول موج عملیاتی	1528-1565 نانومتر (باند C)	باید تمام کانال های WDM در سیستم های چند طول موجی را پوشش دهد
محدوده توان ورودی	-10 تا 10 دسی بل	سطح ورودی قابل قبول را قبل از فشرده سازی افزایش تعریف می کند
افت برگشت نوری (ORL)	> 45 دسی بل	از کاهش پایداری فرستنده قدرت بازتابی جلوگیری می کند
به دست آوردن Flatness	± 0.5 تا ± 1.5 دسی بل	برای سیستم های WDM حیاتی است. بهره نابرابر تعادل چند کاناله را مخدوش می کند
سود وابسته به قطبش	<0.5 دسی بل	بر پایداری سیگنال در زنجیره های چند تقویت کننده طولانی مدت تأثیر می گذارد

شکل نویز سزاوار توجه ویژه است زیرا ترکیبات ضربه ای آن از طریق زنجیره های تقویت کننده آبشاری انجام می شود. هر مرحله تقویت کننده نویز ASE را اضافه می کند و کل انباشت نویز نوری CNR را در گره فیبر تعیین می کند - پارامتری که در نهایت کیفیت سیگنال های RF توزیع شده در قسمت کواکسیال نیروگاه HFC را تعیین می کند. یک CNR حداقل 52 دسی بل در گره فیبر معمولاً برای حفظ عملکرد مرتبه دوم مرکب (CSO)، ضربان سه گانه مرکب (CTB) و عملکرد بزرگی بردار خطا (EVM) برای کانال های DOCSIS 3.1 OFDM مورد نیاز است. مهندسان شبکه باید محاسبات نویز آبشاری را در تمام مراحل تقویت‌کننده از سر تا نود انجام دهند تا قبل از نهایی کردن قرار دادن و مشخصات تقویت‌کننده، انطباق CNR را تأیید کنند.

قرار دادن تقویت کننده نوری در معماری گره HFC

معماری شبکه های HFC مدرن با معرفی گره 0 (عمق فیبر)، معماری دسترسی توزیع شده (DAA) و استقرار راه دور PHY/Remote MACPHY، که همگی محل قرارگیری تقویت کننده های نوری و عملکرد آنها را تغییر می دهند، به طور قابل توجهی تکامل یافته است. درک چگونگی نقشه‌های قرارگیری تقویت‌کننده برای این معماری‌های در حال تکامل برای مهندسانی که کارخانه HFC موجود را برای پشتیبانی از DOCSIS 3.1 و خدمات آینده DOCSIS 4.0 ارتقا می‌دهند، ضروری است.

معماری سنتی فیبر به گره

در معماری سنتی HFC، یک فرستنده نوری 1550 نانومتری با توان بالا در قسمت انتهایی، یک کارخانه توزیع فیبر را از طریق یک سری تقسیم‌کننده‌های نوری و تقویت‌کننده‌های درون خطی برای خدمت‌رسانی به چندین گره فیبر، که هر کدام از 500 تا 2000 خانه را سرویس می‌دهند، هدایت می‌کند. تقویت کننده های نوری در فواصل تعیین شده توسط تضعیف فیبر انباشته و تلفات تقسیم شده قرار می گیرند تا توان ورودی کافی را در هر گره پایین دست حفظ کنند. یک پیکربندی معمولی از تقویت‌کننده هدند استفاده می‌کند که یک اسپلیتر اولیه 1:4 یا 1:8 را هدایت می‌کند، با تقویت‌کننده‌های درون خطی که در 15 تا 30 کیلومتری پایین دست قرار دارند تا قبل از تغذیه گره‌های فیبر مجزای اسپلیترهای ثانویه، تضعیف دهانه فیبر را جبران کنند. این توپولوژی درخت ستاره برای ساخت کارخانه فیبر مقرون به صرفه بهینه شده است اما افزایش قابل توجه تقویت کننده را در آبشارهای طولانی متمرکز می کند که عملکرد CNR را به چالش می کشد.

معماری های دسترسی عمیق و توزیع شده فیبر

معماری‌های عمیق فیبر، فیبر را به مشتری نزدیک‌تر می‌کند و مناطق سرویس‌دهی گره را به 50 تا 150 خانه کاهش می‌دهد و بیشتر آبشار تقویت‌کننده کواکسیال را حذف می‌کند. استقرار Remote PHY و MACPHY DAA از راه دور، پردازش لایه فیزیکی DOCSIS را از headend به گره فیبر منتقل می کند، که اکنون شامل الکترونیک دیجیتال فعال است که از زیرساخت فیبر تغذیه می شود. این معماری ها الزامات انتقال نوری را به طور قابل توجهی تغییر می دهند: طول موج های فیبر مجزا یا کانال های WDM سیگنال های دیجیتال اختصاصی را به هر گره راه دور منتقل می کنند و سری تقویت کننده های نوری 1550 نانومتری باید از عملکرد WDM با بهره مسطح در تمام کانال های فعال به طور همزمان پشتیبانی کند. EDFAهای پرقدرت سازگار با WDM با فیلترهای یکپارچه صاف کننده بهره و کنترل بهره خودکار (AGC) برای حفظ سطوح توان ثابت در هر کانال به عنوان گره‌ها از شبکه اضافه یا حذف می‌شوند بدون تعادل مجدد دستی کارخانه نوری.

ملاحظات عملی برای استقرار تقویت کننده های 1550 نانومتری در کارخانه HFC

استقرار موفقیت‌آمیز تقویت‌کننده‌های نوری 1550 نانومتری در تجهیزات انتقال HFC نیازمند توجه به چندین عامل مهندسی و عملیاتی عملی است که به تنهایی در مشخصات برگه داده نمی‌باشند. زمانی که تقویت‌کننده‌ها در محیط‌های شبکه واقعی با کیفیت فیبر متغیر، مسائل مربوط به تمیزی کانکتور و چرخه حرارتی در محوطه‌های بیرونی نصب می‌شوند، عملکرد میدانی می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی از عملکرد مشخص‌شده آزمایشگاهی منحرف شود.

تمیزی و بازرسی کانکتور: کانکتورهای نوری در پورت های ورودی و خروجی تقویت کننده، رایج ترین منبع از دست دادن غیرمنتظره درج و تخریب سیگنال در نیروگاه نوری HFC مستقر هستند. یک کانکتور APC آلوده می‌تواند 1-3 دسی‌بل افت ورودی را اضافه کند و بازتاب‌هایی ایجاد کند که عملکرد تقویت‌کننده را بی‌ثبات می‌کند. همه کانکتورها باید با یک پروب بازرسی فیبر بازرسی شوند و قبل از اتصال با ابزار مناسب تمیز شوند - هر بار، بدون استثنا. اپراتورها باید تمیزی IEC 61300-3-35 درجه B یا بهتر را در تمام رابط های اتصال دهنده تقویت کننده حفظ کنند.
کنترل بهره خودکار و کنترل خودکار قدرت: تقویت‌کننده‌های نوری HFC باید دارای مدارهای AGC یا کنترل خودکار توان (APC) باشند که توان خروجی را ثابت نگه می‌دارد، زیرا سطوح سیگنال ورودی به دلیل تغییرات کارخانه فیبر، تغییرات تلفات ناشی از دما، یا پیکربندی مجدد شبکه بالادست متفاوت است. بدون AGC/APC، کاهش توان ورودی - ناشی از تخریب فیبر، پیری کانکتور یا تغییر مسیر نوری - باعث کاهش متناسب توان خروجی می شود که از طریق تقویت کننده های پایین دست آبشاری می کند و CNR را در گره های فیبر کاهش می دهد. مشخص کردن تقویت کننده هایی با پایداری توان خروجی ± 0.5 دسی بل در محدوده عملیاتی توان ورودی کامل، یک روش استاندارد برای نیروگاه نوری HFC قابل اعتماد است.
ایزولاسیون نوری و مدیریت بازتاب: پراکندگی بریلوین تحریک شده (SBS) و پراکندگی برگشتی رایلی در دهانه های فیبر طولانی نویز نوری ایجاد می کند که می تواند دوباره وارد مراحل تقویت کننده شود و عملکرد را کاهش دهد. تقویت‌کننده‌های تقویت‌کننده با قدرت بالای 17 دسی‌بل‌متر باید دارای جداکننده‌های نوری در هر دو درگاه ورودی و خروجی باشند، و طراحی کارخانه فیبر باید دارای حاشیه تلفات نوری کافی باشد. کانکتورهای صیقلی APC (ORL معمولاً > 60 دسی بل) و اتصالات فیوژن (ORL > 60 دسی بل) به شدت بر کانکتورهای UPC (ORL معمولاً 45 تا 50 دسی بل) در سیستم های انتقال 1550 نانومتر پرقدرت ترجیح داده می شوند.
مدیریت حرارتی در محوطه های بیرونی: تقویت‌کننده‌های نوری HFC که در پایه‌های فضای باز یا محفظه‌های هوایی مستقر می‌شوند، محدوده دمایی محیطی بین ۴۰- تا ۶۰ درجه سانتی‌گراد را در بسیاری از مناطق جغرافیایی تجربه می‌کنند. دیودهای لیزر پمپ تقویت کننده - منابع 980 نانومتری یا 1480 نانومتری که بهره EDFA را هدایت می کنند - اجزای حساس به دما هستند که توان خروجی، طول موج و طول عمر آنها همگی تحت تأثیر دمای عملیاتی قرار دارند. مشخص کردن تقویت‌کننده‌ها با خنک‌کننده‌های ترموالکتریک (TEC) روی ماژول‌های لیزری پمپ و تأیید عملکرد رتبه‌بندی شده در محدوده دمای عملیاتی کامل برای استقرار مطمئن در فضای باز ضروری است. محدوده دمای عملیاتی گسترده از -40 درجه سانتیگراد تا 65 درجه سانتیگراد در حال حاضر توسط تولید کنندگان پیشرو سری تقویت کننده های نوری HFC ارائه می شود تا به صراحت این نیاز را برطرف کنند.
مدیریت شبکه و نظارت از راه دور: سری تقویت‌کننده‌های نوری 1550 نانومتری مدرن برای کاربردهای HFC دارای رابط‌های مدیریت شبکه سازگار با SNMP، نظارت بر توان نوری در پورت‌های ورودی و خروجی، تله متری جریان و دما لیزری پمپ و خروجی‌های هشدار برای شرایط خارج از محدوده است. ادغام مدیریت تقویت کننده در سیستم مدیریت هد اپراتور کابلی (HMS) یا سیستم مدیریت المان (EMS) شناسایی پیشگیرانه خطا را قبل از وقوع خرابی های تأثیرگذار بر سرویس امکان پذیر می کند و داده های روند عملکرد مورد نیاز برای برنامه ریزی تعمیر و نگهداری پیشگیرانه را قبل از رسیدن تخریب مولفه به آستانه پایان عمر فراهم می کند.

انتخاب سری تقویت کننده نوری 1550 نانومتری مناسب برای شبکه HFC شما

با درک روشنی از انواع تقویت کننده، مشخصات عملکرد و ملاحظات استقرار، مهندسان شبکه می توانند به طور سیستماتیک به انتخاب تقویت کننده نزدیک شوند. فرآیند انتخاب باید دنباله ای تعریف شده از مراحل را دنبال کند که الزامات طراحی شبکه را به مشخصات محصول تبدیل می کند:

تعیین بودجه لینک نوری: مجموع تلفات فرستنده هدند تا دورترین گره فیبر، از جمله تضعیف دهانه فیبر، تلفات اتصال، تلفات اتصال، و تلفات درج اسپلیتر نوری را محاسبه کنید. این بودجه پیوند، بهره کل مورد نیاز از تمام مراحل تقویت کننده را به صورت ترکیبی تعیین می کند و توان خروجی مورد نیاز از هر تقویت کننده جداگانه را بر اساس موقعیت آن در زنجیره تعیین می کند.
محاسبه CNR در گره فیبر: با استفاده از شکل نویز آبشاری تمام مراحل تقویت‌کننده از سر تا گره، SNR نوری موجود در ورودی ردیاب نوری گره را محاسبه کنید. با استفاده از شاخص مدولاسیون، عمق مدولاسیون نوری سیگنال RF و پاسخ ردیاب نوری به RF CNR تبدیل کنید. بررسی کنید که CNR محاسبه‌شده حداقل مورد نیاز برای مدولاسیون بالاترین مرتبه مورد استفاده در کارخانه RF را برآورده می‌کند - معمولاً 256-QAM OFDM برای DOCSIS 3.1 که به CNR بالاتر از 52-54 دسی‌بل نیاز دارد.
در صورت وجود سازگاری WDM را تأیید کنید: برای شبکه‌هایی که از چندین طول موج روی یک فیبر استفاده می‌کنند، تأیید کنید که سری تقویت‌کننده انتخاب‌شده بهره صاف را در تمام طول‌موج‌های عملیاتی به طور همزمان ارائه می‌کند و گزینه‌های فیلتر مسطح افزایش برای پیکربندی‌های چند تقویت‌کننده آبشاری در دسترس هستند که در غیر این صورت تجمع شیب بهره باعث عدم تعادل توان کانال غیرقابل قبول می‌شود.
تایید مشخصات فیزیکی و محیطی: ضریب شکل آمپلی‌فایر - کارت شاسی روی قفسه، واحد 1U مستقل یا پایه پایه در فضای باز - را با زیرساخت نصب موجود مطابقت دهید. محدوده دمای کارکرد، گزینه‌های ولتاژ منبع تغذیه، رتبه‌بندی حفاظت از نفوذ برای استقرار در فضای باز، و مطابقت با استانداردهای مربوطه از جمله IEC 60825 برای ایمنی لیزر و Telcordia GR-1312 برای صلاحیت قابلیت اطمینان EDFA را بررسی کنید.