Особенности технологий передачи на 1310 нм и 1550 нм в кабельном телевидении.

Особенности технологий передачи на 1310 нм и 1550 нм в кабельном телевидении.
В последнее время на Украине началась модернизация первых оптических сетей, построенных по технологии HFC. Время подтвердило правильность перехода на оптические технологии передачи сигнала, которые в настоящее время становятся с каждым днем значительно дешевле, а пропускная возможность, надежность и простота эксплуатации которых во многом превосходит традиционные коаксиальные сети. Наблюдается тенденция перехода от технологии передачи на длине волны 1310 нм к передаче на 1550 нм. Фактически же разница в технологиях не ограничивается разницей только в окнах прозрачности. Для крупных сетей целесообразнее использовать передатчик с длиной волны 1550 нм. Благодаря меньшему затуханию в волокне, высоким параметрам передатчиков с внешней модуляцией (модуляция полем), и возможности использования прямого оптического усиления в этом оптическом диапазоне, данная технология может обеспечить значительно большую зону охвата. Считается также, что оборудование для таких сетей все еще очень дорогое. И правда, передатчик с лазером 1550 нм и внешней модуляцией стоит в несколько раз дороже, чем лазеры с внутренней модуляцией. Но при большой зоне охвата, там, где будет достаточно одного передатчика и пары усилителей на 1550 нм, передача на длине волны 1310 нм становится экономически невыгодной из-за резкого увеличения числа передатчиков. Это связано с тем, что еще не разработаны подходящие усилители в этом диапазоне. Существующие усилители, работающие в диапазоне 1310 нм, являются полупроводниковыми (SOA), а они непригодны для усиления аналогового сигнала. К недостаткам таких полупроводниковых усилителей можно отнести:

• большой уровень шума по сравнению с эрбиевыми (EDFA) или рамановскими усилителями;
• низкая выходная мощность;
• большие перекрестные помехи между каналами;
• чувствительность к поляризации входящего света;
• большие вносимые потери;
• трудности соединения SOA с передающим оборудованием.

В силу ограниченного динамического диапазона системы передачи, при увеличении количества абонентов и зоны охвата необходимо увеличивать как количество передатчиков, так и точек усиления или переприема. Конечно же, для длины волны 1310 нм можно организовать переприем сигнала (преобразование из светового в электрический и обратно). Но даже с переприемом возможности технологии 1310 нм по зоне охвата для крупных сетей существенно уступают технологии 1550 нм. Причиной тому — снижение качественных параметров сигнала при организации переприема (уже первый переприем снижает соотношение сигнал/шум (CNR), как минимум на 3 дБ). После нескольких переприемов ВОСП уже не будет отвечать техническим требованиям по качеству сигнала. Для 1550 нм количество каскадов усиления в ОТС, при определенных условиях, может быть порядка 5…7, что позволяет разворачивать оптическую сеть с одной ГС в мегаполисах.
Опыт и практика показывают, что в большинстве сетей, выстроенных по архитектуре FTTB/FTTH, уже при достижении 15000 абонентов, выгоднее использовать системы передачи оптического сигнала СКТ на длине волны 1550нм.

Необходимо отметить, что технология 1550 нм имеет два существенных недостатка по сравнению с технологией 1310нм. Первый – это стоимость. Передатчик 1550 нм с внешним модулятором дороже в несколько раз такого же передатчика 1550 нм, но с прямой модуляцией. Как следствие, требуются более высокие инвестиции на начальном этапе строительства ВОСП. Второй — это значительная хроматическая дисперсия сигнала, что приводит к резкому снижению предельно допустимых скоростей передачи цифровых потоков и искажению аналоговых сигналов при передаче на большие расстояния.

Традиционно сети на Украине построены на стандартном волокне SSMF. Хроматическая дисперсия данного волокна на длине волны 1310 нм (зона нулевой дисперсии) в 8 раз ниже дисперсии на длине волны 1550 нм (17 пс/нм.км). По этой причине сигнал с передатчика с прямой модуляцией на длине волны 1310 нм накапливает меньше искажений 2-го порядка (CSO) при передаче через длинную (несколько км) линию ВОЛС. Качество сигнала передатчика с прямой модуляцией на длине волны 1310 нм страдает меньше, чем качество сигнала на 1550 нм с прямой модуляцией на протяженной линии. По этой причине во многих случаях целесообразно использовать оптическое волокно со смещенной дисперсией (DSF). Однако следует помнить, что на коротких магистралях хроматическая дисперсия играет незначительную роль. Для уменьшения хроматической дисперсии в передатчиках на 1550нм используется внешняя модуляция, что позволяет получить более узкополосный и стабильный сигнал. Необходимость внешней модуляции обуславливается еще и тем, что технология 1550 нм используется в основном для передачи сигнала на большие расстояния. Собственно, именно внешний модулятор и делает передатчики на 1550нм значительно дороже.
Прямая модуляция осуществляется изменением тока полупроводникового лазера под действием внешнего модулирующего ВЧ сигнала (сигнал КТВ). При такой модуляции неизбежно меняется не только мощность излучения лазера, но и длина волны лазера (оптическая частота).
Внешняя модуляция производится изменением амплитуды света в устройстве, стоящем между лазером и оптическим выходом лазера. При этом ток лазера не изменяется, и излучатель работает в стационарном установившемся режиме. Сам принцип внешней модуляции предполагает расщепление модулируемого луча на 2 пучка. Оптические передатчики с внешней модуляцией, как правило, имеют 2 оптических выхода с сигналами, сдвинутыми друг относительно друга по фазе на 180?. При передаче сигнала на большие расстояния эти два сигнала передаются по двум оптическим волокнам на приемники, где они конвертируются в традиционные ВЧ сигналы. Выходные ВЧ сигналы от этих оптических приемников поступают на входы линейного ретранслятора, где они, после фазовой балансировки суммируются, что влечет за собой увеличение выходного уровня на 3дБ и повышение C/N также на 3дБ по сравнению с традиционной передачей сигнала по одному волокну. Точно так же, как и в балансных усилителях, улучшается и показатель по искажениям второго порядка (CSO), т.к. все четные гармоники суммируются в противофазе с равными амплитудами. Как правило, такое улучшение CSO составляет 6дБ. Эти свойства используют в ретрансляторах (экстендерах), что значительно улучшает качество передачи аналоговых сигналов в супертранковых оптических магистралях.
Оптический передатчик с внешней модуляцией обеспечивает передачу сигнала через оптоволокно без ухудшения нелинейных искажений (CSO и CTB). Независимо от длины волокна искажения 2-го и 3-го порядка остаются на том же уровне, что и непосредственно на входе в оптическую линию. В общем же композитные искажения 2-го порядка (CSO) зависят от числа передаваемых ТВ каналов, индекса оптической модуляции, от качества оптического передатчика, от нелинейных искажений в оптическом приемнике. Основные зависимости таковы:
• чем больше число каналов, тем хуже CSO (линейная зависимость);
• чем выше уровень оптической модуляции, тем CSO хуже (квадратичная зависимость);
• CSO передатчика и приемника дают прямой вклад в суммарный CSO.

При использовании передатчиков с прямой модуляцией CSO зависит уже и от длины линии, по которой передается сигнал. Сигнал, поданный в волокно из оптического передатчика с прямой модуляцией, теряет свое качество тем сильнее, чем больше длина линии ВОЛС. Эффект ухудшения параметров сигнала обусловлен неизбежным изменением длины волны лазера в процессе модуляции (Chirp) и дисперсией волокна. Лазер все время работает в нестационарном переходном режиме и происходит уширениие линии спектра излучения. При использовании передатчиков с прямой модуляцией лазера искажения CSO, вносимые оптоволокном, ухудшаются пропорционально квадрату длины волокна. Так при увеличении длины в 2 раза CSO от волокна ухудшаются на 6 dB.
Передача на длине волны 1550 нм позволяет использовать эрбиевые волоконные усилители оптического сигнала (EDFA). Оптические усилители практически не вносят нелинейных искажений в ВЧ сигнал КТВ. Использование EDFA дает возможность создавать древовидную структуру ВОЛС, а также увеличивать дальность передачи. Потери мощности сигнала на длине волны 1550 нм почти в 2 раза меньше потерь на длине волны 1310 нм.

При архитектуре HFC динамический диапазон входных мощностей на оптический приемник порядка -2…+1 дБм, а при архитектуре FTTB -10…-5 дБм. В силу того, что уровень выходного ВЧ сигнала понижается с удвоенным значением снижения уровня входной оптической мощности, коэффициент усиления оптического приемника для архитектуры FTTH должен быть на 10…20 дБ выше, чем для архитектуры НFC. Отношение несущая/шум (C/N) на выходе оптического приемника прямо пропорционально зависит от уровня входной оптической мощности. В силу этой особенности, отношение C/N архитектуры FTTH (43…48 дБ) много ниже, чем при архитектуре HFC (50…54 дБ), при том же уровне индекса оптической модуляции OMI.

Необходимо помнить, что в реальных рабочих условиях всякое увеличение уровня оптической мощности, поступающей на вход оптического приемника на 1 дБ вызывает ухудшение CSO на 2 дБ, СТВ на 4 дБ и увеличение выходного уровня ВЧ на 2 дБ. При сохранении неизменным выходной уровень ВЧ сигнала (например, за счет изменения аттенюатора), интермодуляционные искажения практически не изменятся. Это свидетельствует о предпочтении использования жесткой АРУ в приемных модулях головной станции или в самих оптических приемниках. Использование АРУ на конечном участке всегда выгодно с технической точки зрения, но экономически не оправдано. Большему устанавливаемому выходному ВЧ уровню оптического приемника соответствуют большие значения искажений.
При работе оптического приемника в режиме максимального уровня выходного сигнала (что характерно для FTTH, поскольку оптический приемник является конечным активным устройством, вносящим искажения), его выходные значения CSO и СТВ фактически не зависят от уровня входной оптической мощности, а зависят лишь от выбранного выходного уровня ВЧ с помощью аттенюатора.
При архитектуре FTTH необходимо обязательно использовать оптический приемник со встроенным эквалайзером. Его применение дает возможность не только понизить вводимые искажения, но и доставить до абонентских розеток более равномерный сигнал (с наименьшими амплитудными искажениями – АЧХ).

Таким образом, при построении СКТ с глубоким проникновением оптики приемник целесообразно использовать в режиме максимального усиления при минимальном уровне входной оптической мощности (с точки зрения минимизации финансовых затрат за счет увеличения числа оптических приемников, приходящихся на один оптический передатчик), с установленным предварительным эквалайзированием и при максимально возможном индексе оптической модуляции (за счет улучшения C/N и повышения уровня выходного сигнала оптического приемника при нехватке его усилительного потенциала).

Действительно, для FTTH характерна замена любого из домовых усилителей на оптический приемник. Так, если при топологии НFС один оптический передатчик нагружается на 4–6 оптических узлов (ОУ), то при FTTH нагрузка достигает до 20…30 ОУ. Отсюда следует, что входная мощность ОУ понижается на 7…8 dB. Для компенсации снижения C/N при понижении уровня входной оптической мощности Рвх, вполне логично увеличить уровень входного модулирующего сигнала на ? децибел, что вызовет увеличение C/N также на ? децибел. Однако следует помнить, что с увеличением уровня входного сигнала на ? дБ, понижается CSO на те же ? дБ, а СТВ – на 2? дБ. Поэтому величина индекса оптической модуляции ОМІ, зависящая от уровня входного модулирующего напряжения Uвх, должна быть оптимальной для каждого конкретного случая. Более того, увеличение индекса модуляции приводит и к увеличению уровня выходного сигнала ОУ.
В настоящее время на рынке Украины уже широко представлено оборудование, предназначенное для построения FTTH сетей. Так, в качестве передатчиков на 1550 нм с внешней модуляцией предлагается оборудование фирмы HARMONIC. За последний год более 20 бюджетных передатчиков типа HLT7806R, специально оптимизированные для трансляции каналов в системе PAL, проданы и успешно работают в наших кабельных сетях. Их цена за последнее время стала сравнима с продукцией китайских производителей, поскольку основные элементы — внешние модуляторы, производятся только несколькими фирмами и являются покупными в китайских изделиях. Еще одной из новинок является оптический усилитель EDFA фирмы HARMONIC с суммарной выходной мощностью 1000 мВт (30 дБм). Предлагается две модификации – с 6 или 8 оптическими выходами (22 и 21 дБм) соответственно. Один такой усилитель заменяет около 20 традиционных усилителей на 17 дБм и значительно экономит кроссовое оборудование и стоечное пространство. По цене он значительно дешевле, чем аналогичный по функциональным возможностям набор из более маломощных усилителей того же производителя.

Для операторов, модернизирующих сети HFC, построенных на оборудовании данной фирмы с использованием оптических узлов PWRBlazer II, предлагаются модули оптических усилителей на 1550 нм NOA 7014GF, которые просто монтируются в эти узлы. Это дает возможность использование простого оптического узла дополнительно еще и как узел переприема без каких либо изменений. Подведя лишь оптические линии к данной точке, получается уже целый сегмент сети. Сеть из HFC трансформируется в FTTH.

Одним из конкурентных продуктов в данном сегменте может стать оптический приемник 
RAY- 50 производства фирмы Rayvert из Китая. К его достоинствам можно отнести хорошее соотношение цена / качество, высокий выходной уровень ВЧ при низких искажениях, возможность гибкого выбора конфигурации выхода. В приемнике используются стандартные дискретные аттенюаторы, которые являются универсальными и используются также и в цепи эквалайзера.

Выводы:

• Вновь стоящиеся большие СКТ целесообразно сразу строить по технологии FTTH на 1550 нм с последующим использованием свободных волокон для организации параллельной Ethernet сети.
• Операторам HFC сетей, которые планируют модернизацию своих сетей под технологии FTTH, рекомендуется действовать поэтапно, подтягивать оптику ближе к абоненту, постепенно сегментируя зоны обслуживания ОУ, но при этом сразу закладывать волокна для интеграции других технологий и дальнейшего продвижения оптики до технологий FTTH
• Учитывая жесткие ограничения бюджета строительства, построение комбинированных FTTH сетей имеет свои особенности, в связи с чем их расчет и проектирование лучше поручать уже зарекомендовавшей себя проектной организации, особенно в области проектирования ВОЛС.