HFC İletim Ekipmanında 1550 nm Optik Yükselteçlerin Kullanımı

HFC Optik İletimde Neden 1550 nm Baskın Dalga Boyu?

Hibrit fiber-koaksiyel (HFC) ağlar, dünya çapında yüz milyonlarca abone için kablolu televizyon ve geniş bant internet dağıtımının omurgasını oluşturmaktadır. Bu ağlarda optik fiber, geniş bant sinyallerini kablo ucundan hizmet alanları boyunca dağıtılan fiber düğümlere taşır; burada optik sinyal RF'ye dönüştürülür ve koaksiyel kablo üzerinden bireysel evlere ve işyerlerine dağıtılır. Bu optik taşıma segmenti için çalışma dalga boyu olarak 1550 nm'nin seçimi keyfi değildir; bu, uzun mesafeli optik aktarımın ekonomisini ve performansını tanımlayan iki belirleyici fiziksel avantajın ürünüdür. Standart tek modlu fiber, mutlak minimum zayıflamasını yaklaşık 1550 nm'de sergiler; daha kısa erişimli uygulamalarda kullanılan 1310 nm penceresindeki 0,35 dB/km'ye kıyasla tipik kayıplar 0,18-0,20 dB/km'dir. Fiber kaybındaki bu azalma doğrudan daha uzun amplifikatör aralıklarına, daha az optik amplifikasyon aşamasına ve tesisin kilometresi başına daha düşük altyapı maliyetine dönüşmektedir.

İkinci belirleyici avantaj, erbiyum katkılı fiber amplifikatörlerin (EDFbir'lar) varlığıdır; her ikisi de 1550 nm iletim penceresine odaklanan, 1530–1570 nm C bandında ve 1570–1620 nm L bandında hassas şekilde çalışan pratik, güvenilir ve uygun maliyetli optik amplifikatörler. EDFA'lar, daha önceki rejeneratif tekrarlayıcı teknolojisinin gerektirdiği maliyetli ve gecikmeye neden olan optik-elektrik-optik (OEO) dönüşümü olmadan doğrudan optik amplifikasyonu mümkün kılarak uzun mesafeli optik iletimi dönüştürdü. Özellikle HFC ağları için, düşük fiber kaybı ve EDFA amplifikasyonunun birleşimi, amplifikasyon aşamaları arasında 40-100 km'lik optik iletim aralıklarına olanak tanıyarak, kablo operatörlerinin daha kısa dalga boyu alternatiflerine kıyasla önemli ölçüde azaltılmış düğüm altyapısıyla merkezi merkez tesislerinden geniş coğrafi hizmet alanlarına hizmet vermesine olanak tanır.

HFC Sistemlerinde 1550 nm Optik Amplifikatörler Nasıl Çalışır?

A 1550 nm optik amplifikatör Bir HFC iletim sisteminde, fiber üzerinde taşınan optik sinyali elektrik sinyaline dönüştürmeden doğrudan güçlendirerek çalışır. Baskın teknoloji, çekirdeği erbiyum iyonları (Er³⁺) ile katkılanmış kısa uzunlukta bir optik fiber kullanan erbiyum katkılı fiber amplifikatördür. Erbiyum katkılı fiber, 980 nm veya 1480 nm'de yüksek güçlü lazer ışığıyla pompalandığında, erbiyum iyonları daha yüksek bir enerji durumuna uyarılır. 1550 nm'lik bir sinyal fotonu katkılı fiberden geçtiğinde, uyarılmış erbiyum iyonlarını tam olarak aynı dalga boyunda ve fazda ek fotonlar yaymaları için uyarır; bu, tutarlı optik kazanç üreten uyarılmış emisyon adı verilen bir süreçtir. Bu kazanç mekanizması, sinyali tüm C-bandını kapsayan bir bant genişliği üzerinden yükseltir ve EDFA'ları hem tek dalga boyunda HFC iletimi hem de tek bir fiber üzerinde aynı anda birden fazla kanalı taşıyan dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) sistemleriyle uyumlu hale getirir.

Tipik bir HFC optik tesisinde, başlık vericisi, DOCSIS 3.1 sistemleri için 5 MHz ila 1,2 GHz aralığında olabilen birleşik RF sinyal spektrumunu, 1550 nm'de çalışan doğrudan modüle edilmiş veya harici olarak modüle edilmiş bir lazer kullanarak optik bir sinyale dönüştürür. Bu sinyal daha sonra fiber dağıtım tesisine gönderilir. Sinyal gücünün, fiber düğümdeki taşıyıcı-gürültü oranını (CNR) bozacak bir seviyeye kadar zayıfladığı durumlarda, sinyal gücünü gerekli seviyeye geri yüklemek için hat içine bir optik amplifikatör yerleştirilir. Güçlendirilmiş sinyal, fiber düğümüne ulaşana kadar ek fiber aralıkları boyunca devam eder; burada bir fotodetektör, onu ağın koaksiyel kısmı üzerinden dağıtılmak üzere RF elektrik sinyaline geri dönüştürür.

HFC İletiminde Kullanılan 1550 nm Optik Yükselteç Türleri

HFC ağlarında kullanılan 1550 nm optik amplifikatör ürün ailesi, optik iletim mimarisindeki farklı konumlar için optimize edilmiş birkaç farklı amplifikatör konfigürasyonunu kapsar. Her türün nerede uygulandığını ve her birini hangi performans özelliklerinin tanımladığını anlamak, HFC optik tesisini tasarlayan veya yükselten ağ mühendisleri için çok önemlidir.

Güçlendirici Amplifikatörler (Post-Amplifikatörler)

Güçlendirici amplifikatörler, fiber dağıtım tesisine giden fırlatma gücünü artırmak için vericinin hemen sonrasına yerleştirilir. Giriş sinyali zaten vericiden nispeten yüksek bir güç seviyesinde olduğundan, yükseltici amplifikatörler düşük gürültü rakamı yerine yüksek çıkış gücü için tasarlanmıştır; HFC yükseltici amplifikatörler için tipik çıkış gücü spesifikasyonları, yüksek bölünmüş veya dağıtılmış erişim mimarileri (DAA) dağıtımları için 17 dBm ila 23 dBm veya daha yüksek aralığındadır. Güçlendirici amplifikatörün birincil işlevi, sinyali farklı servis alanı bölümlerine hizmet eden birden fazla fiber yoluna bölen optik ayırıcıların ekleme kaybını ve ayrıca birinci fiber açıklığının zayıflamasını telafi etmektir. 1:8 optik ayırıcıyı (yaklaşık 9 dB bölünmüş kayıp) çalıştıran 20 dBm çıkış gücüne sahip bir ana güçlendirici amplifikatör, sekiz çıkış fiber yolunun her birine yaklaşık 11 dBm gönderir; bu, ek amplifikasyon gerekmeden önce 25-40 km'lik mesafeleri sürmek için yeterlidir.

Hat İçi Amplifikatörler

Hat içi amplifikatörler, sinyal gücünün bir sonraki düğümde veya amplifikatörde kabul edilebilir CNR'yi korumak için gereken minimum seviyenin altına düştüğü uzun mesafeli fiber aralıklarında ara noktalara yerleştirilir. Bu amplifikatörlerin kazancı, çıkış gücünü ve gürültü rakamını dengelemesi gerekir; gürültü rakamı özellikle kritiktir çünkü her bir hat içi amplifikatör aşaması, optik yol boyunca biriken ve sonuçta fiber düğümde elde edilebilir CNR'yi sınırlayan güçlendirilmiş spontan emisyon (ASE) gürültüsü ekler. HFC iletimi için hat içi amplifikatörler tipik olarak 13 ila 17 dBm çıkış gücü ve 5 ila 7 dB gürültü değerleri ile 15 ila 25 dB kazanç sağlar. Orta aşama erişimine sahip çok aşamalı sıralı amplifikatörler (kazanç aşamaları arasına optik zayıflatıcıların veya kazanç düzleştirici filtrelerin eklenmesine olanak tanır), eşdeğer çıkış gücünde tek aşamalı tasarımlara göre daha düşük etkili gürültü rakamlarına ulaşır.

Düğüm Sürüşlü Yükselteçler (Ön Yükselteçler)

Bazen dağıtım amplifikatörleri veya optik hat amplifikatörleri (OLA'lar) olarak adlandırılan düğüm sürücü amplifikatörler, sinyali birden fazla aşağı akış düğüm çıkışını aynı anda sürmek için gereken seviyeye yükseltmek üzere bir fiber düğümün veya optik ayırıcı noktasının hemen öncesine yerleştirilir. Bu amplifikatörler, düşük giriş gücü seviyelerinden çalışmak için yeterli kazançla birleştirilmiş yüksek çıkış gücü kapasitesiyle karakterize edilir; uzun bir fiber açıklığından sonra giriş gücü -3 ila -10 dBm'ye düştüğünde bile yeterli çıkışı sağlamalıdırlar. Düğüm sürücülü amplifikatörlerin çıkış gücü spesifikasyonları, yüksek güçlü konfigürasyonlarda 17 ila 27 dBm arasında değişir; 1550 nm optik amplifikatör serisindeki bazı premium ürünler, yoğun düğüm dağıtımlarına hizmet eden büyük optik bölme oranlarını sağlamak için 30 dBm'ye ulaşır.

Temel Performans Özellikleri ve HFC Ağ Tasarımını Nasıl Etkiler?

Bir HFC uygulaması için doğru 1550 nm optik amplifikatörün seçilmesi, üreticinin veri sayfalarında yayınlanan performans özelliklerinin ve her parametrenin gerçek ağ davranışına nasıl dönüştüğünün net bir şekilde anlaşılmasını gerektirir. Aşağıdaki tablo, kritik amplifikatör özelliklerini ve bunların ağ tasarımı sonuçlarını özetlemektedir:

Gürültü rakamı özel bir ilgiyi hak ediyor çünkü etkisi basamaklı amplifikatör zincirleri aracılığıyla birleşiyor. Her amplifikatör aşaması ASE gürültüsünü ekler ve toplam optik gürültü birikimi, fiber düğümdeki CNR'yi belirler; bu parametre, sonuçta HFC tesisinin koaksiyel kısmı üzerine dağıtılan RF sinyallerinin kalitesini belirler. DOCSIS 3.1 OFDM kanalları için yeterli bileşik ikinci derece (CSO), bileşik üçlü vuruş (CTB) ve hata vektör büyüklüğü (EVM) performansını korumak için fiber düğümünde en az 52 dB'lik bir CNR genellikle gereklidir. Ağ mühendisleri, amplifikatör yerleşimini ve spesifikasyonunu tamamlamadan önce CNR uyumluluğunu doğrulamak için başlıktan düğüme kadar tüm amplifikatör aşamalarında kademeli gürültü rakamı hesaplamaları yapmalıdır.

HFC Düğüm Mimarisinde Optik Amplifikatörün Yerleştirilmesi

Modern HFC ağlarının mimarisi, düğüm 0 (fiber derin), dağıtılmış erişim mimarisi (DAA) ve uzaktan PHY/uzaktan MACPHY dağıtımlarının kullanıma sunulmasıyla önemli ölçüde gelişti; bunların tümü optik amplifikatörlerin yerleştirildiği yeri ve hangi performansı sunmaları gerektiğini değiştirdi. Yükseltici yerleşiminin bu gelişen mimarilerle nasıl eşleştiğini anlamak, mevcut HFC tesisini DOCSIS 3.1 ve gelecekteki DOCSIS 4.0 hizmetlerini destekleyecek şekilde yükselten mühendisler için çok önemlidir.

Geleneksel Düğüme Fiber Mimarisi

Geleneksel HFC mimarisinde, ana uçtaki tek bir yüksek güçlü 1550 nm optik verici, her biri geçen 500-2.000 eve hizmet veren birden fazla fiber düğüme hizmet vermek üzere bir dizi optik ayırıcı ve hat içi amplifikatör aracılığıyla bir fiber dağıtım tesisini çalıştırır. Optik amplifikatörler, her bir alt düğümde yeterli giriş gücünü korumak için birikmiş fiber zayıflaması ve bölünmüş kayıplar tarafından belirlenen aralıklarla yerleştirilir. Tipik bir konfigürasyon, 1:4 veya 1:8 birincil ayırıcıyı çalıştıran bir ana uç güçlendirici amplifikatör kullanır; sıralı amplifikatörler, ikincil ayırıcılar bireysel fiber düğümlerini beslemeden önce fiber aralığı zayıflamasını telafi etmek için 15-30 km aşağı yönde konumlandırılır. Bu yıldız ağacı topolojisi, ekonomik fiber tesisi inşaatı için optimize edilmiştir ancak CNR performansını zorlayan uzun basamaklarda önemli amplifikatör kazancını yoğunlaştırır.

Fiber Derin ve Dağıtılmış Erişim Mimarileri

Fiber derinliğindeki mimariler, fiberi müşteriye yaklaştırarak düğüm hizmet alanlarını 50-150 eve indirir ve koaksiyel amplifikatör kademesinin çoğunu ortadan kaldırır. Uzaktan PHY ve uzaktan MACPHY DAA konuşlandırmaları, DOCSIS fiziksel katman işlemeyi merkezden, artık fiber altyapısı üzerinden desteklenen aktif dijital elektronikleri içeren fiber düğüme taşıyor. Bu mimariler optik iletim gereksinimlerini önemli ölçüde değiştirir: bireysel fiber dalga boyları veya WDM kanalları, her uzak düğüme özel dijital sinyaller taşır ve 1550 nm optik amplifikatör serisi, aynı anda tüm aktif kanallarda düz kazançla WDM işlemini desteklemelidir. Entegre kazanç düzleştirici filtrelere ve otomatik kazanç kontrolüne (AGC) sahip yüksek güçlü WDM uyumlu EDFA'lar, optik tesisin manuel olarak yeniden dengelenmesine gerek kalmadan düğümler ağa eklenirken veya ağdan çıkarılırken kanal başına tutarlı güç seviyelerini korumak için gereklidir.

HFC Tesisinde 1550 nm Amplifikatörlerin Kullanımına İlişkin Pratik Hususlar

1550 nm optik amplifikatörlerin HFC iletim ekipmanına başarılı bir şekilde yerleştirilmesi, yalnızca veri sayfası spesifikasyonlarında ele alınmayan çeşitli pratik mühendislik ve operasyonel faktörlere dikkat edilmesini gerektirir. Amplifikatörler, değişken fiber kalitesi, konektör temizliği sorunları ve dış mekan muhafazalarında termal döngü bulunan gerçek ağ ortamlarına kurulduğunda, saha performansı laboratuvar tarafından tanımlanan performanstan önemli ölçüde sapabilir.

• Konektör temizliği ve muayenesi: Amplifikatörün giriş ve çıkış bağlantı noktalarındaki optik konektörler, kurulu HFC optik tesisinde beklenmedik ekleme kaybının ve sinyal bozulmasının en yaygın tek kaynağıdır. Kirlenmiş bir APC konektörü, 1-3 dB'lik ekleme kaybına neden olabilir ve amplifikatörün çalışmasını istikrarsızlaştıran geri yansımalar oluşturabilir. Tüm konektörler, istisnasız her zaman, bağlantıdan önce bir fiber inceleme probu ile incelenmeli ve uygun aletlerle temizlenmelidir. Operatörler, tüm amplifikatör konnektör arayüzlerinde IEC 61300-3-35 Sınıf B temizliğini veya daha iyisini sağlamalıdır.
• Otomatik kazanç kontrolü ve otomatik güç kontrolü: HFC optik amplifikatörler, fiber tesisi değişiklikleri, sıcaklığa bağlı kayıp değişiklikleri veya yukarı akış ağ yeniden yapılandırmaları nedeniyle giriş sinyali seviyeleri değiştikçe sabit çıkış gücünü koruyan AGC veya otomatik güç kontrolü (APC) devresini içermelidir. AGC/APC olmadan, giriş gücünde fiber bozulması, konnektör eskimesi veya optik yol değişikliklerinden kaynaklanan bir azalma, çıkış gücünde orantılı bir azalmaya neden olur ve bu düşüş, aşağı yönlü amplifikatörler aracılığıyla kademelendirilir ve fiber düğümlerindeki CNR'yi azaltır. Tam giriş gücü çalışma aralığı boyunca ±0,5 dB çıkış gücü kararlılığına sahip amplifikatörlerin belirtilmesi, güvenilir HFC optik tesisi için standart uygulamadır.
• Optik izolasyon ve geri yansıma yönetimi: Uzun fiber aralıklarında uyarılmış Brillouin saçılımı (SBS) ve Rayleigh geri saçılımı, amplifikatör aşamalarına yeniden girebilen ve performansı düşürebilen optik gürültü üretir. 17 dBm'nin üzerinde çalışan yüksek güçlü yükselticiler, hem giriş hem de çıkış bağlantı noktalarında optik yalıtıcılar içermeli ve fiber tesis tasarımı, yeterli optik geri dönüş kaybı marjını içermelidir. APC cilalı konnektörler (ORL tipik olarak >60 dB) ve füzyon ekleri (ORL >60 dB), yüksek güçlü 1550 nm iletim sistemlerinde UPC konnektörlerine (ORL tipik olarak 45-50 dB) göre güçlü bir şekilde tercih edilir.
• Dış mekan muhafazalarında termal yönetim: Dış mekan kaidelerine veya hava muhafazalarına yerleştirilen HFC optik amplifikatörler, birçok coğrafi bölgede -40°C ila 60°C ortam sıcaklığı aralıklarına sahiptir. Amplifikatör pompası lazer diyotları (EDFA kazancını sağlayan 980 nm veya 1480 nm kaynaklar), çıkış gücü, dalga boyu ve kullanım ömrü çalışma sıcaklığından etkilenen sıcaklığa duyarlı bileşenlerdir. Pompa lazer modüllerinde termoelektrik soğutuculu (TEC'ler) amplifikatörlerin belirtilmesi ve tüm çalışma sıcaklığı aralığında nominal performansın doğrulanması, güvenilir dış mekan dağıtımı için çok önemlidir. −40°C ile 65°C arasında genişletilmiş çalışma sıcaklığı aralıkları artık bu gereksinimi açıkça karşılamak için önde gelen HFC optik amplifikatör serisi üreticileri tarafından sunulmaktadır.
• Ağ yönetimi ve uzaktan izleme: HFC uygulamalarına yönelik modern 1550 nm optik amplifikatör serisi, SNMP uyumlu ağ yönetimi arayüzlerini, giriş ve çıkış bağlantı noktalarında optik güç izlemeyi, pompa lazer akımı ve sıcaklık telemetrisini ve aralık dışı koşullar için alarm çıkışlarını içerir. Amplifikatör yönetiminin kablo operatörünün ana uç yönetim sistemine (HMS) veya eleman yönetim sistemine (EMS) entegre edilmesi, hizmeti etkileyen arızalar ortaya çıkmadan önce proaktif arıza tespitine olanak tanır ve bileşen bozulması kullanım ömrü sonu eşiklerine ulaşmadan önce önleyici bakımı planlamak için gereken performans trend verilerini sağlar.

HFC Ağınız için Doğru 1550 nm Optik Amplifikatör Serisini Seçme

Ağ mühendisleri amplifikatör türlerini, performans özelliklerini ve dağıtım hususlarını net bir şekilde anlayarak amplifikatör seçimine sistematik bir şekilde yaklaşabilirler. Seçim süreci, ağ tasarımı gereksinimlerini ürün spesifikasyonlarına dönüştüren tanımlanmış bir adımlar dizisini takip etmelidir:

• Optik bağlantı bütçesini belirleyin: Fiber açıklığı zayıflaması, ekleme kayıpları, konektör kayıpları ve optik ayırıcı ekleme kayıpları dahil olmak üzere, merkez vericiden en uzak fiber düğüme kadar olan toplam kaybı hesaplayın. Bu bağlantı bütçesi, tüm amplifikatör aşamalarının birleşiminden gereken toplam kazancı belirler ve zincirdeki konumuna bağlı olarak her bir amplifikatörden gereken çıkış gücünü belirler.
• Fiber düğümündeki CNR'yi hesaplayın: Başlıktan düğüme kadar tüm amplifikatör aşamalarının basamaklı gürültü rakamını kullanarak, düğüm fotodetektör girişinde mevcut olan optik SNR'yi hesaplayın. Modülasyon indeksini, RF sinyalinin optik modülasyon derinliğini ve fotodetektör duyarlılığını kullanarak RF CNR'ye dönüştürün. Hesaplanan CNR'nin, RF tesisinde kullanılan en yüksek dereceli modülasyon için gereken minimum değeri (genellikle DOCSIS 3.1 için 256-QAM OFDM, 52-54 dB'nin üzerinde CNR gerektirir) karşıladığını doğrulayın.
• Varsa WDM uyumluluğunu doğrulayın: Tek bir fiber üzerinde birden fazla dalga boyu kullanan ağlar için, seçilen amplifikatör serisinin tüm çalışma dalga boylarında aynı anda düz kazanç sağladığını ve aksi takdirde kazanç eğim birikiminin kabul edilemez kanal güç dengesizliğine neden olacağı kademeli çoklu amplifikatör konfigürasyonları için kazanç düzleştirici filtre seçeneklerinin mevcut olduğunu doğrulayın.
• Fiziksel ve çevresel özellikleri doğrulayın: Amplifikatörün form faktörünü (rafa monte kasa kartı, bağımsız 1U ünite veya dış mekan kaidesine montaj) mevcut kurulum altyapısıyla eşleştirin. Çalışma sıcaklığı aralığını, güç kaynağı voltajı seçeneklerini, dış mekan kurulumu için giriş koruma derecesini ve lazer güvenliği için IEC 60825 ve EDFA güvenilirlik yeterliliği için Telcordia GR-1312 dahil ilgili standartlarla uyumluluğu doğrulayın.