74Научно-технические разработки

предыдущая статья | оглавление | в архив | следующая статья



Использование передатчика 1550 нм с прямой модуляцией для модернизации сети


Фридман Вейс
начальник отдела развития BKtel systems Оскар Антон
инженер сети ONO
Теле-Спутник - 8(154) Август 2008 г.


Три года назад испанский сетевой оператор ONO провел экономичную модернизацию своей оптико-волоконной сети, охватывающей 2 млн домохозяйств. Для этой цели были использованы новые оптические передатчики с прямой модуляцией, работающие в оптическом окне 1550 нм.

В этом материале приведено описание технологии и результаты лабораторных испытаний, а также рассмотрены возможные варианты и практический опыт применения таких передатчиков. На практике была продемонстрирована возможность ретрансляции амплитудно-модулированного (АМ) аналогового ТВ сигнала вместе с цифровыми пакетами на расстояние до 25 км. А чисто цифровые сигналы можно без видимого ухудшения передавать на расстояние до 40 км.
Основной задачей было найти решение для компенсации эффекта чирпирования и ограниченной линейности лазеров с длиной волны 1550 нм.


Введение
Применительно к передаче QAM-потоков использование 1550 нм передатчиков с прямой модуляцией уже хорошо изучено. Но передача аналоговых сигналов изучена хуже.
Традиционный подход к оптическим передатчикам для КТВ основывается на следующих принципах:1. Прямая модуляция — экономичное решение, применяемое для передачи в окне 1310 нм. Такие передатчики могут покрыть расстояние до 30 км. При больших длинах появляются проблемы с оптическим шумом и, в особенности, с ослаблением сигнала, так как волна 1310 нм не подлежит усилению EDFA (Erbium Doped Fibre Amplifiers) усилителями.
2. Внешняя модуляция и передача в окне 1550 нм. Это более дорогая технология, но за счет использования усилителей позволяющая покрывать расстояния до 120 км.
Рис. 1 иллюстрирует особенности этих двух концепций.

Применение прямой модуляции — технически простое решение. РЧ-сигнал усиливается и суммируется с сигналом лазера, в результате оптическая мощность меняется в зависимости от величины РЧ-сигнала. Внешняя модуляция — более сложная технология, предусматривающая ослабление оптического сигнала лазера постоянной мощности в соответствии с входным РЧ-сигналом. Она имеет одно большое преимущество — отсутствие чирп-эффекта1. Чирпирование лазера возникает только при прямой модуляции и приводит к тому, что длина излучаемой волны не постоянна, а зависит от тока лазера. Искажения, создаваемые этим эффектом, особенно заметны в окне 1550 нм. Поэтому для передачи в этом окне обычно используется внешняя модуляция.
В передатчике, о котором здесь идет речь, используется прямая модуляция, но с частичной компенсацией чирп-эффекта.

Технологические проблемы прямой модуляции в окне 1550 нм
Чирпирование лазера в силу хроматической дисперсии2 вызывает интермодуляционные искажения второго порядка CSO (Composite Second Order). График на рис. 2 более наглядно объясняет связь этих явлений.
При передаче в окне 1310 нм хроматическая дисперсия отсутствует, поэтому чирпирование луча лазера у передатчиков 1310 нм роли не играет.

Но при распространении сигнала в окне 1550 нм по волокну без смещенной дисперсии3 хроматическая дисперсия отлична от нуля.
Дисперсия проявляет себя следующим образом. Луч лазера чирпируется, и длина волны под воздействием входного РЧ-сигнала величиной х меняется на величину :



Вместе с длиной волны в результате дисперсии меняется и время прохождения сигнала по оптоволокну длиной L:


Выходной сигнал приемника y представляет собой задержанный входной сигнал х и рассчитывается по формуле:


Характер искажения становится наглядным, если принять, что

достаточно мало, чтобы можно было аппроксимировать выходной сигнал приемника первой производной х’.


Расчеты показывают, что в принятом сигнале присутствуют составляющие х·х’, представляющие собой CSO. Причем чем выше частота несущей, тем, в силу составляющей х’, сильнее искажение, то есть искажения верхней части передаваемого РЧ-спектра могут быть очень сильны. Эта проблема требовала решения.
Более того, существует еще проблема нелинейности лазера, актуальная и для лазеров, работающих в окне 1310 нм. Но в лазерах на 1550 нм она проявляется еще более остро.
На рис. 3 показан график зависимости выходной мощности лазера от входного тока лазера . Красный график представляет собой не совсем прямую линию (каковой является синяя пунктирная линия). Детальный анализ выявляет дополнительные компоненты искажения второго уровня, влияющие на характеристики лазера:

В этой формуле появились две новых константы: пороговый уровень тока Ith и рабочий уровень тока Ior . Нелинейный характер работы лазера также усиливает интермодуляционные искажения второго порядка.

Передатчик с прямой модуляцией на 1550 нм
При конструировании такого передатчика должны быть приняты меры и против нелинейности лазера, и против его чирпирования в сочетании с дисперсией сигнала в оптоволокне. Блок-схема нового передатчика показана на рис. 4.
Проблемы нелинейности традиционно решаются использованием контуров нелинейной коррекции. Они вводят в сигнал интермодуляционные составляющие второго порядка, аналогичные создаваемым самим лазером, но с противоположным знаком. В результате искажения взаимно компенсируются. Поэтому узел нелинейных предыскажений на диаграмме назван CSO compensation.

Схожим образом вводится компенсация интермодуляционных продуктов второго порядка, появляющихся в результате чирп-эффекта. Этот контур предыскажения получил название Chirp Compensation. Он компенсирует последствия чирпирования лазера и дисперсию сигнала в оптическом волокне.Графики, приведенные на рис. 5, иллюстрируют действие этой компенсации в зависимости от длины оптического канала. Уровень CSO измерялся с применением волокна соответствующей длины и оптического аттенюатора, обеспечивающего на входе приемника уровень 0 dBm. Собственная нелинейность приемника считалась пренебрежимо малой.

Красный и синий графики иллюстрируют работу, соответственно, передатчика на 1310 нм с прямой модуляцией и передатчика на 1550 нм с внешней модуляцией. Они демонстрируют уровни CSO, стабильно превышающие 62 dBc. Измерения проводились для растра из 42 РЧ-каналов, определенного стандартом CENELEC. Растр CENELEC включает каналы в диапазоне от 48,25 до 855,25 МГц.
Светло-зеленые графики отображают работу нового передатчика на 1550 нм с прямой модуляцией. Несмотря на включенный блок компенсации CSO, его показатели выглядят удручающе. Светло-зеленая пунктирная линия иллюстрирует его работу при передаче 42-канального растра CENELEC. Уже при нулевой длине кабеля он демонстрирует уровень CSO в 56 dBc, который, к тому же, резко падает по мере удлинения линии.
Если рассматривать передачу РЧ-сигналов до 600МГц, то ситуация выглядит лучше. Отметим, что практически все аналоговые АМ-сигналы располагаются в полосе до 600 МГц, а верхнюю часть спектра занимают QAM-сигналы, менее чувствительные к CSO. Непрерывная светло-зеленая кривая показывает, что уровень CSO в диапазоне от 48,25 до 599 МГц по крайней мере на 4 дБ выше. На коротких линиях сигнал в этом частотном диапазоне передается с качеством, достаточным для предоставления абоненту. Но после 9 км качество сигнала падает до 57 dBс, что можно считать минимально допустимым порогом.Но у нас остается еще один козырь: компенсация чирп-эффекта. Темно-зеленая линия показывает работу передатчика при включенной компенсации чирп-эффекта, оптимизированной для передачи на расстояние до 10 км. То есть на расстоянии в 10 км уровень CSO оказывается наилучшим. При активизации этого блока предыскажений минимально допустимый уровень CSO обеспечивается в пределах 20 км.На рис. 6 изображена зависимость CNR (Carrier-to-Noise Ratio) и CTB (Composite Triple Beat) от длины оптической линии. Можно видеть, что в отношении этих параметров новый передатчик лишь немного уступает традиционным. В этом случае опять использовался растр CENELEC из 42 каналов, расположенных в полосе от 48,25 до 885,25 МГц. Сигнал принимался оптическим приемником со спектральной плотностью шумового тока 7pA/vГц и полосой измерения CNR 5 МГц.



Область применения и полевые испытания
На рис. 7 перечислены плюсы и минусы каждой из трех концепций построения передатчиков. Преимуществами передатчика на 1550 нм с прямой модуляцией является его низкая стоимость в сочетании с возможностью EDFA-усиления. В то же время, он может использоваться только для передачи на расстояния до 20 км, причем АМ-сигналы при этом должны передаваться в диапазоне до 600 МГц. Таким образом, можно обозначить две области применения таких передатчиков:
• При модернизации СКТВ, архитектура которых предусматривает размещение передатчиков на 1550 нм близко к абонентскому сектору.
• В СКТВ с FTTH-архитектурой.

Рассмотрим первый способ применения более детально, на базе материалов, полученных при реализации проекта испанского оператора ONO. На рис. 8 изображена прежняя топология сети. Это сеть общенационального масштаба с 12-ю головными станциями и охватом в 2 млн абонентов. От каждой головной станции сигналы расходятся по хабам и оптическим узлам. В хабах размещены оптические усилители и разветвители.

Когда в сети передается большой объем адресного (индивидуального) трафика, то спектра 85-862 МГц на всех абонентов не хватает. В этом случае сеть приходится делить на кластеры, в которых используется один и тот же спектр.

Исходная архитектура сети ONO, для простоты не показанная на рисунке, основывалась на использовании в хабах оптического усиления и волнового уплотнения WDM (Wavelength Division Multiplexing) в окнах 1310 и 1550 нм. Но это радикально не решало задачу увеличения пропускной способности сети. Ее не хватало ни для резко выросших потребностей наложенной сети DOCSIS, ни для проникновения услуги VoD, для которой уже на первом этапе запуска (охват 8000 домохозяйств) понадобилось 12 несущих при использовании модуляции 256 QAM.
Для обеспечения необходимых транспортных ресурсов серверы интерактивных услуг были вынесены в хабы, и индивидуальный трафик теперь добавляется там. Для этой цели в хабах выполняется преобразование оптического сигнала в электрический, а также добавление адресных потоков; и затем объединенный сигнал переводится обратно в оптическую форму. Новый передатчик BKtel c прямой модуляцией обеспечил экономичный вариант передачи адресных услуг при минимальном изменении транспортной архитектуры.
Опыт реальной эксплуатации продемонстрировал возможность передачи всех аналоговых каналов совместно с цифровыми услугами на расстояние до 25 км. А чисто цифровые потоки, как показали лабораторные и тесты и полевые испытания в Пальма-де-Мальорке и Валенсии, могут без ухудшения их качества быть переданы на расстояние до 40 км.
Перевод: Анна Бителева.1 Чирп-эффект — появление паразитной частотной модуляции излучения полупроводникового лазера, которая возникает при модуляции пропускаемого через лазер тока (тока накачки). Если управляющие токи большие, то происходит разогрев активного кристалла и, соответственно, изменение параметров резонатора. При этом генерируемый спектр «плывет» и уширяется.
2 Напомним, что хроматическая дисперсия имеет две составляющие — материальную и волноводную. Материальная дисперсия заключается в том, что угол преломления луча в волокне зависит от длины волны; другими словами, луч, спектр которого слегка расплылся по частоте, при каждом преломлении будет отражаться веером. Образуются каскады такого веерного распространения, результатом чего становится не только увеличение потерь сигналов, но также и расплывание сигнала во времени (маршруты разных составляющих различаются по длине).
Волноводная дисперсия заключается в зависимости от скорости распространения луча от длины волны. То есть, при частотном расплывании луча символы информационного сигнала дополнительно будут расплываться во времени.
Величина хроматической дисперсии зависит также от окна передачи оптического сигнала. В окне прозрачности 1310 нм она практически отсутствует (прим. ред.).
3 Существуют оптоволокно, в котором волна, соответствующая нулевой дисперсии, целенаправленно смещена в окно 1550 нм (прим. ред.).



 
Теле-Спутник Август 2008
наверх
 



Уважаемые посетители!
В связи с полной реконструкцией Архива, возможны ситуации, когда текст будет выводиться не полностью или неправильно (отсутсвие статей в некоторых номерах это не ошибка). Если заметите какие-то ошибки, то, пожалуйста, сообщите нам о них. Для связи можете воспользоваться специальной формой:

Номер журнала: *
Страница: *
Дополнительные сведения: *
Желательно четко опишите замеченную проблему - это поможет быстрее ее решить.
Мы не отвечаем на вопросы! Их следует задавать на нашем форуме!
Антиспам: * Нажмите мышкой на синий квадрат:


Поля, помеченные звездочкой (*)
обязательны для заполнения





Новый сайт