Sử dụng Bộ khuếch đại quang 1550 nm trong thiết bị truyền dẫn HFC

Tại sao 1550 nm là bước sóng chiếm ưu thế cho truyền dẫn quang HFC

Mạng cáp đồng trục lai (HFC) tạo thành xương sống của truyền hình cáp và phân phối Internet băng thông rộng cho hàng trăm triệu thuê bao trên toàn thế giới. Trong các mạng này, cáp quang mang tín hiệu băng thông rộng từ đầu cáp đến các nút cáp quang được phân bổ khắp các khu vực dịch vụ, nơi tín hiệu quang được chuyển đổi thành RF và phân phối qua cáp đồng trục đến từng hộ gia đình và doanh nghiệp. Việc lựa chọn 1550 nm làm bước sóng hoạt động cho đoạn truyền quang này không phải là tùy ý—nó là sản phẩm của hai ưu điểm vật lý mang tính quyết định xác định tính kinh tế và hiệu suất của truyền dẫn quang khoảng cách xa. Sợi quang đơn mode tiêu chuẩn thể hiện độ suy giảm tối thiểu tuyệt đối ở khoảng 1550 nm, với tổn thất điển hình là 0,18–0,20 dB/km so với 0,35 dB/km ở cửa sổ 1310 nm được sử dụng trong các ứng dụng tầm ngắn hơn. Việc giảm tổn thất sợi quang này trực tiếp dẫn đến các nhịp khuếch đại dài hơn, ít giai đoạn khuếch đại quang học hơn và chi phí cơ sở hạ tầng trên mỗi km nhà máy thấp hơn.

Ưu điểm mang tính quyết định thứ hai là sự sẵn có của các bộ khuếch đại sợi pha tạp erbium (EDFA)—các bộ khuếch đại quang thực tế, đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí, hoạt động chính xác ở băng tần C 1530–1570 nm và băng tần L 1570–1620 nm, cả hai đều tập trung vào cửa sổ truyền dẫn 1550 nm. EDFA đã biến đổi khả năng truyền quang ở khoảng cách xa bằng cách cho phép khuếch đại quang trực tiếp mà không cần chuyển đổi quang-điện-quang (OEO) tốn kém và gây ra độ trễ như yêu cầu của công nghệ lặp lại tái tạo trước đó. Cụ thể đối với các mạng HFC, sự kết hợp giữa suy hao sợi thấp và khuếch đại EDFA cho phép các khoảng truyền dẫn quang từ 40–100 km giữa các giai đoạn khuếch đại, cho phép các nhà khai thác cáp phục vụ các khu vực dịch vụ địa lý rộng lớn từ các cơ sở đầu cuối tập trung với cơ sở hạ tầng nút giảm đáng kể so với các giải pháp thay thế bước sóng ngắn hơn.

Bộ khuếch đại quang 1550 nm hoạt động như thế nào trong hệ thống HFC

A Bộ khuếch đại quang 1550nm trong hệ thống truyền dẫn HFC hoạt động bằng cách khuếch đại trực tiếp tín hiệu quang truyền trên sợi quang mà không chuyển đổi thành tín hiệu điện. Công nghệ nổi bật là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium, sử dụng sợi quang có chiều dài ngắn có lõi được pha tạp các ion erbium (Er³⁺). Khi sợi quang pha tạp erbium được bơm bằng ánh sáng laser công suất cao ở bước sóng 980 nm hoặc 1480 nm, các ion erbium sẽ bị kích thích lên trạng thái năng lượng cao hơn. Khi một photon tín hiệu có bước sóng 1550 nm đi qua sợi quang bị pha tạp, nó sẽ kích thích các ion erbium bị kích thích phát ra các photon bổ sung có cùng bước sóng và pha - một quá trình gọi là phát xạ kích thích tạo ra mức tăng quang kết hợp. Cơ chế khuếch đại này khuếch đại tín hiệu trên băng thông trải rộng trên toàn bộ băng tần C, giúp EDFA tương thích với cả hệ thống truyền HFC bước sóng đơn và hệ thống ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) mang nhiều kênh đồng thời trên một sợi quang.

Trong một nhà máy quang học HFC điển hình, bộ phát đầu cuối chuyển đổi phổ tín hiệu RF kết hợp—có thể trải rộng từ 5 MHz đến 1,2 GHz cho hệ thống DOCSIS 3.1—thành tín hiệu quang bằng cách sử dụng tia laser được điều chế trực tiếp hoặc điều chế bên ngoài hoạt động ở bước sóng 1550 nm. Tín hiệu này sau đó được đưa vào nhà máy phân phối cáp quang. Khi công suất tín hiệu đã suy giảm đến mức có thể làm giảm tỷ lệ sóng mang trên tạp âm (CNR) tại nút sợi quang, bộ khuếch đại quang sẽ được lắp trực tiếp để khôi phục công suất tín hiệu về mức yêu cầu. Tín hiệu được khuếch đại tiếp tục đi qua các dải sợi bổ sung cho đến khi đến nút sợi, nơi bộ tách sóng quang chuyển đổi nó trở lại tín hiệu điện RF để phân phối qua phần đồng trục của mạng.

Các loại bộ khuếch đại quang 1550 nm được sử dụng trong truyền dẫn HFC

Dòng sản phẩm bộ khuếch đại quang 1550 nm được sử dụng trong mạng HFC bao gồm một số cấu hình bộ khuếch đại riêng biệt được tối ưu hóa cho các vị trí khác nhau trong kiến trúc truyền dẫn quang. Hiểu được vị trí áp dụng từng loại và đặc tính hiệu suất xác định từng loại là điều cần thiết đối với các kỹ sư mạng khi thiết kế hoặc nâng cấp nhà máy quang HFC.

Bộ khuếch đại tăng cường (Bộ khuếch đại sau)

Bộ khuếch đại tăng áp được đặt ngay sau bộ phát headend để tăng công suất phóng vào nhà máy phân phối cáp quang. Do tín hiệu đầu vào đã ở mức công suất tương đối cao từ máy phát nên bộ khuếch đại tăng áp được thiết kế để có công suất đầu ra cao thay vì chỉ số nhiễu thấp—thông số công suất đầu ra điển hình cho bộ khuếch đại tăng cường HFC nằm trong khoảng từ 17 dBm đến 23 dBm hoặc cao hơn để triển khai kiến ​​trúc truy cập phân tán hoặc phân tán (DAA) cao. Chức năng chính của bộ khuếch đại tăng cường là bù cho sự suy hao chèn của các bộ tách quang phân chia tín hiệu thành nhiều đường dẫn sợi phục vụ các phân đoạn vùng dịch vụ khác nhau, cũng như sự suy giảm của nhịp sợi đầu tiên. Bộ khuếch đại tăng cường headend có công suất đầu ra 20 dBm điều khiển bộ tách quang 1:8 (tổn thất phân chia khoảng 9 dB) phóng khoảng 11 dBm vào mỗi trong số tám đường dẫn sợi đầu ra—đủ để truyền các khoảng cách 25–40 km trước khi cần khuếch đại bổ sung.

Bộ khuếch đại nội tuyến

Bộ khuếch đại nội tuyến được triển khai tại các điểm trung gian trong các sợi quang đường dài, nơi công suất tín hiệu đã giảm xuống dưới mức tối thiểu cần thiết để duy trì CNR có thể chấp nhận được ở nút hoặc bộ khuếch đại tiếp theo. Các bộ khuếch đại này phải cân bằng mức khuếch đại, công suất đầu ra và hệ số nhiễu—hệ số nhiễu đặc biệt quan trọng vì mỗi tầng khuếch đại nội tuyến sẽ bổ sung thêm nhiễu phát xạ tự phát khuếch đại (ASE) tích tụ dọc theo đường dẫn quang và cuối cùng hạn chế CNR có thể đạt được tại nút sợi quang. Bộ khuếch đại nội tuyến để truyền HFC thường cung cấp mức tăng 15–25 dB với công suất đầu ra từ 13 đến 17 dBm và hệ số nhiễu là 5–7 dB. Bộ khuếch đại nội tuyến nhiều giai đoạn có khả năng tiếp cận giữa giai đoạn—cho phép chèn bộ suy giảm quang học hoặc bộ lọc làm phẳng khuếch đại giữa các giai đoạn khuếch đại—đạt được số liệu nhiễu hiệu quả thấp hơn so với thiết kế một giai đoạn ở công suất đầu ra tương đương.

Bộ khuếch đại điều khiển nút (Bộ tiền khuếch đại)

Bộ khuếch đại điều khiển nút, đôi khi được gọi là bộ khuếch đại phân phối hoặc bộ khuếch đại đường quang (OLA), được đặt ngay trước nút sợi quang hoặc điểm bộ tách quang để khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết để điều khiển đồng thời nhiều đầu ra nút xuôi dòng. Các bộ khuếch đại này được đặc trưng bởi công suất đầu ra cao kết hợp với mức tăng đủ để hoạt động ở mức công suất đầu vào thấp—chúng phải cung cấp đủ đầu ra ngay cả khi công suất đầu vào giảm xuống −3 đến −10 dBm sau một khoảng sợi quang dài. Thông số công suất đầu ra cho bộ khuếch đại điều khiển nút nằm trong khoảng từ 17 đến 27 dBm ở cấu hình công suất cao, trong đó một số sản phẩm cao cấp trong dòng bộ khuếch đại quang 1550 nm đạt tới 30 dBm để điều khiển tỷ lệ phân tách quang lớn phục vụ cho việc triển khai nút dày đặc.

Thông số kỹ thuật hiệu suất chính và cách chúng ảnh hưởng đến thiết kế mạng HFC

Việc chọn bộ khuếch đại quang 1550 nm phù hợp cho ứng dụng HFC đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng về các thông số hiệu suất được công bố trong bảng dữ liệu của nhà sản xuất và cách mỗi tham số chuyển thành hành vi mạng thực. Bảng sau đây tóm tắt các thông số kỹ thuật quan trọng của bộ khuếch đại và ý nghĩa thiết kế mạng của chúng:

Hệ số nhiễu đáng được quan tâm đặc biệt vì tác động của nó kết hợp với chuỗi khuếch đại xếp tầng. Mỗi tầng khuếch đại sẽ thêm nhiễu ASE và tổng tích lũy nhiễu quang sẽ xác định CNR tại nút sợi quang—thông số cuối cùng thiết lập chất lượng của tín hiệu RF được phân phối trên phần đồng trục của nhà máy HFC. Thông thường, CNR tối thiểu 52 dB tại nút sợi quang được yêu cầu để duy trì hiệu suất tổng hợp bậc hai (CSO), nhịp ba nhịp tổng hợp (CTB) và cường độ vectơ lỗi (EVM) đầy đủ cho các kênh OFDM DOCSIS 3.1. Các kỹ sư mạng phải thực hiện tính toán hệ số nhiễu theo tầng trên tất cả các giai đoạn của bộ khuếch đại từ đầu cuối đến nút để xác minh sự tuân thủ CNR trước khi hoàn tất thông số kỹ thuật và vị trí của bộ khuếch đại.

Vị trí bộ khuếch đại quang trong kiến trúc nút HFC

Kiến trúc của mạng HFC hiện đại đã phát triển đáng kể với sự ra đời của nút 0 (sợi sâu), kiến trúc truy cập phân tán (DAA) và triển khai PHY/MACPHY từ xa, tất cả đều thay đổi vị trí đặt bộ khuếch đại quang và hiệu suất mà chúng phải cung cấp. Hiểu cách ánh xạ vị trí bộ khuếch đại với các kiến ​​trúc đang phát triển này là điều cần thiết đối với các kỹ sư nâng cấp nhà máy HFC hiện tại để hỗ trợ các dịch vụ DOCSIS 3.1 và DOCSIS 4.0 trong tương lai.

Kiến trúc Fiber-to-the-Node truyền thống

Trong kiến trúc HFC truyền thống, một bộ phát quang 1550 nm công suất cao duy nhất ở đầu cuối điều khiển nhà máy phân phối sợi thông qua một loạt bộ tách quang và bộ khuếch đại nội tuyến để phục vụ nhiều nút sợi, mỗi nút phục vụ 500–2.000 hộ gia đình đi qua. Bộ khuếch đại quang được đặt ở các khoảng được xác định bằng độ suy giảm sợi tích lũy và tổn thất phân chia để duy trì đủ công suất đầu vào tại mỗi nút hạ lưu. Cấu hình điển hình sử dụng bộ khuếch đại tăng cường headend điều khiển bộ chia sơ cấp 1:4 hoặc 1:8, với các bộ khuếch đại nội tuyến được đặt ở vị trí xuôi dòng 15–30 km để bù cho sự suy giảm nhịp sợi trước khi bộ tách thứ cấp cấp nguồn cho các nút sợi riêng lẻ. Cấu trúc liên kết cây sao này được tối ưu hóa cho việc xây dựng nhà máy sợi quang tiết kiệm nhưng tập trung mức tăng khuếch đại đáng kể ở các tầng dài thách thức hiệu suất CNR.

Kiến trúc truy cập sâu và phân tán

Kiến trúc sợi sâu đẩy sợi quang đến gần khách hàng hơn, giảm diện tích phục vụ nút xuống còn 50–150 hộ gia đình đi qua và loại bỏ hầu hết tầng khuếch đại đồng trục. Việc triển khai PHY từ xa và MACPHY DAA từ xa di chuyển quá trình xử lý lớp vật lý DOCSIS từ đầu cuối đến nút cáp quang, hiện chứa các thiết bị điện tử kỹ thuật số hoạt động được cấp nguồn trên cơ sở hạ tầng cáp quang. Các kiến ​​trúc này thay đổi đáng kể các yêu cầu truyền quang: các bước sóng sợi quang riêng lẻ hoặc các kênh WDM mang tín hiệu số chuyên dụng đến từng nút từ xa và chuỗi bộ khuếch đại quang 1550 nm phải hỗ trợ hoạt động WDM với mức tăng phẳng trên tất cả các kênh hoạt động cùng một lúc. Cần có EDFA tương thích với WDM công suất cao với các bộ lọc làm phẳng khuếch đại tích hợp và điều khiển khuếch đại tự động (AGC) để duy trì mức công suất nhất quán trên mỗi kênh khi các nút được thêm hoặc xóa khỏi mạng mà không cần cân bằng lại thiết bị quang theo cách thủ công.

Những cân nhắc thực tế khi triển khai bộ khuếch đại 1550 nm trong nhà máy HFC

Việc triển khai thành công bộ khuếch đại quang 1550 nm trong thiết bị truyền dẫn HFC đòi hỏi phải chú ý đến một số yếu tố vận hành và kỹ thuật thực tế không được nêu riêng trong thông số kỹ thuật của biểu dữ liệu. Hiệu suất tại hiện trường có thể khác biệt đáng kể so với hiệu suất đặc trưng trong phòng thí nghiệm khi bộ khuếch đại được lắp đặt trong môi trường mạng thực với chất lượng sợi thay đổi, các vấn đề về độ sạch của đầu nối và chu kỳ nhiệt trong vỏ ngoài trời.

• Vệ sinh và kiểm tra đầu nối: Các đầu nối quang ở cổng đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại là nguyên nhân phổ biến nhất gây ra hiện tượng mất chèn không mong muốn và suy giảm tín hiệu trong nhà máy quang HFC được triển khai. Đầu nối APC bị nhiễm bẩn có thể làm tăng thêm 1–3 dB tổn hao chèn và tạo ra phản xạ ngược làm mất ổn định hoạt động của bộ khuếch đại. Tất cả các đầu nối phải được kiểm tra bằng đầu dò kiểm tra sợi và làm sạch bằng các công cụ thích hợp trước khi kết nối—mọi lúc, không có ngoại lệ. Người vận hành nên duy trì độ sạch cấp B theo tiêu chuẩn IEC 61300-3-35 hoặc tốt hơn ở tất cả các giao diện đầu nối bộ khuếch đại.
• Điều khiển khuếch đại tự động và điều khiển công suất tự động: Bộ khuếch đại quang HFC phải kết hợp AGC hoặc mạch điều khiển công suất tự động (APC) để duy trì công suất đầu ra không đổi khi mức tín hiệu đầu vào thay đổi do thay đổi của nhà máy sợi, biến đổi tổn thất do nhiệt độ hoặc cấu hình lại mạng ngược dòng. Nếu không có AGC/APC, việc giảm công suất đầu vào—do suy giảm chất xơ, lão hóa đầu nối hoặc thay đổi đường dẫn quang—gây ra sự giảm tỷ lệ công suất đầu ra truyền qua các bộ khuếch đại xuôi dòng và giảm CNR tại các nút sợi quang. Việc chỉ định các bộ khuếch đại có độ ổn định công suất đầu ra ±0,5 dB trên toàn bộ phạm vi hoạt động của công suất đầu vào là thông lệ tiêu chuẩn cho nhà máy quang học HFC đáng tin cậy.
• Cách ly quang học và quản lý phản xạ ngược: Sự tán xạ Brillouin được kích thích (SBS) và tán xạ ngược Rayleigh trong các sợi quang dài tạo ra nhiễu quang học có thể quay trở lại các tầng khuếch đại và làm giảm hiệu suất. Bộ khuếch đại tăng cường công suất cao hoạt động trên 17 dBm phải bao gồm bộ cách ly quang ở cả cổng đầu vào và đầu ra, đồng thời thiết kế nhà máy cáp quang phải có đủ biên độ suy hao phản hồi quang. Đầu nối được đánh bóng bằng APC (ORL thường >60 dB) và mối nối nhiệt hạch (ORL >60 dB) được ưu tiên hơn so với đầu nối UPC (ORL thường là 45–50 dB) trong hệ thống truyền dẫn 1550 nm công suất cao.
• Quản lý nhiệt trong vỏ ngoài trời: Bộ khuếch đại quang HFC được triển khai ở bệ ngoài trời hoặc vỏ trên không có phạm vi nhiệt độ môi trường xung quanh từ −40°C đến 60°C ở nhiều vùng địa lý. Điốt laser bơm khuếch đại—nguồn 980 nm hoặc 1480 nm điều khiển tăng EDFA—là các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ mà công suất đầu ra, bước sóng và tuổi thọ đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ vận hành. Việc chỉ định bộ khuếch đại có bộ làm mát nhiệt điện (TEC) trên mô-đun laser bơm và xác minh hiệu suất định mức trên toàn bộ phạm vi nhiệt độ hoạt động là điều cần thiết để triển khai ngoài trời một cách đáng tin cậy. Phạm vi nhiệt độ hoạt động mở rộng từ −40°C đến 65°C hiện được các nhà sản xuất dòng bộ khuếch đại quang HFC hàng đầu cung cấp để giải quyết yêu cầu này một cách rõ ràng.
• Quản lý mạng và giám sát từ xa: Dòng bộ khuếch đại quang 1550 nm hiện đại dành cho các ứng dụng HFC kết hợp các giao diện quản lý mạng tương thích SNMP, giám sát công suất quang tại các cổng đầu vào và đầu ra, đo từ xa dòng laser và nhiệt độ của bơm cũng như đầu ra cảnh báo cho các điều kiện ngoài phạm vi. Việc tích hợp quản lý bộ khuếch đại vào hệ thống quản lý đầu cuối (HMS) hoặc hệ thống quản lý phần tử (EMS) của nhà khai thác cáp cho phép xác định lỗi chủ động trước khi xảy ra lỗi ảnh hưởng đến dịch vụ và cung cấp dữ liệu xu hướng hiệu suất cần thiết để lên lịch bảo trì phòng ngừa trước khi bộ phận xuống cấp đạt đến ngưỡng hết tuổi thọ.

Chọn dòng bộ khuếch đại quang 1550 nm phù hợp cho mạng HFC của bạn

Với sự hiểu biết rõ ràng về các loại bộ khuếch đại, thông số kỹ thuật hiệu suất và những cân nhắc khi triển khai, các kỹ sư mạng có thể tiếp cận việc lựa chọn bộ khuếch đại một cách có hệ thống. Quá trình lựa chọn phải tuân theo trình tự các bước xác định để chuyển các yêu cầu thiết kế mạng thành thông số kỹ thuật của sản phẩm:

• Xác định ngân sách liên kết quang: Tính toán tổng tổn thất từ bộ phát headend đến nút sợi quang ở xa nhất, bao gồm suy giảm nhịp sợi, tổn thất mối nối, tổn thất đầu nối và tổn thất chèn bộ tách quang. Quỹ liên kết này xác định mức tăng tổng cần thiết từ tất cả các tầng khuếch đại được kết hợp và thiết lập công suất đầu ra cần thiết từ mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ dựa trên vị trí của nó trong chuỗi.
• Tính CNR tại nút sợi: Sử dụng số liệu nhiễu xếp tầng của tất cả các tầng khuếch đại từ đầu cuối đến nút, tính toán SNR quang có sẵn ở đầu vào bộ tách sóng quang của nút. Chuyển đổi sang RF CNR bằng cách sử dụng chỉ số điều chế, độ sâu điều chế quang của tín hiệu RF và độ phản hồi của bộ tách sóng quang. Xác minh rằng CNR được tính toán đáp ứng yêu cầu tối thiểu cho điều chế bậc cao nhất được sử dụng trong nhà máy RF—thường là OFDM 256-QAM cho DOCSIS 3.1, yêu cầu CNR trên 52–54 dB.
• Xác minh khả năng tương thích WDM nếu có: Đối với các mạng sử dụng nhiều bước sóng trên một sợi quang, hãy xác nhận rằng chuỗi bộ khuếch đại đã chọn cung cấp mức tăng phẳng trên tất cả các bước sóng hoạt động đồng thời và các tùy chọn bộ lọc khuếch đại làm phẳng có sẵn cho các cấu hình đa bộ khuếch đại xếp tầng trong đó việc tích lũy độ nghiêng khuếch đại sẽ gây ra sự mất cân bằng công suất kênh không thể chấp nhận được.
• Xác nhận thông số kỹ thuật vật lý và môi trường: Kết hợp hệ số hình dạng của bộ khuếch đại—thẻ khung gắn trên giá, thiết bị 1U độc lập hoặc bệ gắn ngoài trời—với cơ sở hạ tầng lắp đặt sẵn có. Xác minh phạm vi nhiệt độ hoạt động, tùy chọn điện áp nguồn điện, xếp hạng bảo vệ chống xâm nhập để triển khai ngoài trời và tuân thủ các tiêu chuẩn liên quan bao gồm IEC 60825 về an toàn laser và Telcordia GR-1312 để chứng nhận độ tin cậy EDFA.