Сети FTTH. Большинству читателей хорошо известно, что HFC-сети (Hybrid Fiber Coax — гибридная оптико-коаксиальная сеть) строятся по архитектурах FTTC (Fiber To The Curb), FTTB (Fiber To The Building) или FTTH (Fiber To The Home), аббревиатуры которых часто звучат в литературе и не нуждаются в комментариях (см. рис.1).



Под FTTH (оптика до дома) понимаются чисто волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), выходы оптических приемников² которых непосредственно (без дополнительных усилителей) связаны с абонентскими терминалами, например, STB (set-top box) или телевизором. Очевидно, что FTTH подразумевает под собой большее число приемников в сравнении с архитектурой FTTB и, особенно, FTTC.
Отличительной особенностью FTTH от других видов сетей является работа оптических приемников при предельно возможных малых входных оптических мощностях — Рвх. Из этой особенности и вытекают в дальнейшем выводы по выбору оптического передатчика и оптического приемника . Именно эти вопросы и были затронуты на форуме журнала «Теле-Спутник». Постараемся осветить их при минимальном количестве математических выкладок.
Некоторые полезные формулы. Перед тем как проводить те или иные рассуждения, приведем несколько формул по расчету отношения несущая/ шум (C/N). На основании ниже приведенных соотношений и строятся те или иные графики. В общем случае C/N системы передатчик + приемник определяются из известного выражения, рекомендованного в CENELEC EN 50083-6:
C/N=20lgm–10lg2П–10lg[10^-RIN/10+(2e/SP_o+I_n² /S²P_o²)]. (1)
Где:
m — индекс оптической модуляции;
П — полоса пропускания канала, в котором осуществляется анализ, Гц;
RIN — относительная интенсивность шумов передатчика, dB/Гц (типовые значения 150-155 dB/Гц);
е = 1,6·10^-19 — заряд электрона в кулонах;
I_n — эквивалентный шумовой тепловой ток усилителя, А/vГц (типовые значения 5-7 пА/vГц);
S — чувствительность фотодетектора, А/Вт или мА/мВт (типовые значения 0,85 мА/мВт для длины волны ?=1310 нм и 0,95 мА/мВт для ?=1550 нм для InGaAs- и InGaAsP-фотодиодов);
Р_о — входная оптическая мощность, Вт.
Можно записать и отдельные выражения по расчету C/N каждой из составляющих выражения (1). Для оптического передатчика:



Шумы приемника в основном обязаны хаотичному движению электронов (Shot Noise — дробовый шум):


а также тепловому шуму (Thermal Noise), создаваемому сопротивлением фотодетектора и последующим усилителем:


Выходной уровень приемника. Прежде всего, обратимся к зависимости уровня выходного сигнала (рис. 2) от входной оптической мощности приемника. Эта зависимость представляет собой прямую линию (по полной аналогии с обычным детектором).
На рис. 2 показано, что всякое увеличение Р_вх на 1 dB вызывает увеличение U_вых на 2 dB.



Исходя из нашего определения, что после оптического приемника не используются дальнейшие коаксиальные усилители, легко утверждать, что приемник, предназначенный для работы в FTTH-сети, должен обладать максимально возможным коэффициентом усиления и максимально возможным уровнем выходного сигнала. Если же в оптическом приемнике используется еще и АРУ, то его коэффициент усиления должен быть выше на величину регулирования АРУ (имеется в виду пассивная АРУ) и ее начальных потерь. На рис. 3 приведена зависимость уровня выходного сигнала приемника от входной оптической мощности в большом диапазоне входных мощностей³. На форуме также был затронут вопрос изменения выходных параметров оптического приемника при малых входных оптических мощностях. Отметим, что уровень выходного сигнала непрерывно падает по мере понижения уровня входной оптической мощности (см. рис. 3), то есть подчиняется всем правилам теории детектирования слабых сигналов. Иными словами, U_вых?Р_вх, то есть всякому уменьшению входной мощности в два раза (на 3 dB) соответствует уменьшение выходного напряжения также в два раза (на 6 dB). Наблюдается традиционная квадратичная детекторная характеристика.
Коль скоро FTTH-сети не подразумевают использование дальнейших коаксиальных усилителей, то и вся энергетическая загрузка нападет на ВОЛС (CSO, CTB и C/N).



Несущая/шум (C/N) зависит от индекса оптической модуляции (OMI или m). Чем выше m, тем выше и C/N (рис.4). Отсюда следует вывод, что оптические приемники, работающие в FTTH-сетях, должны работать при повышенном m. Более того, с ростом m наблюдается и прямо пропорциональный рост уровня выходного сигнала U_вых (рис. 5).






Это еще раз свидетельствует о целесообразности работы при повышенных m в FTTH.Интермодуляционные искажения, наоборот, ухудшаются с ростом индекса оптической модуляции m (рис. 6).



Таким образом, необходим некий компромисс выбора m между искажениями и шумовыми параметрами. При проведении практических расчетов поступают следующим образом: рассчитывают максимально допустимое значение индекса оптической модуляции m исходя из заданных предельных значений CSO и CTB, после чего рассчитывают минимально возможный уровень входной оптической мощности Рвх через C/N и соответствующий этим установленным параметрам уровень выходного сигнала Uвых. Такая задача решаема даже при отсутствии специальной программы по расчету ВОЛС (известный метод перебора).
Выбор типа оптического передатчика. Этот вопрос также звучал на форуме журнала. Пожалуй, он один изсамых важных, так как цены на оптические передатчики намного выше, чем на приемники. Важнейшими характеристиками передатчика являются его искажения (легко измеряются) и относительная интенсивность шумов (RIN). Для справки здесь отметим, что выходное C/N передатчика измерить сложно. Но оно легко измеряется в сочетании с оптическим приемником. Именно от RIN и будет зависеть выходное C/N собственно передатчика.
На рис. 7 представлены зависимости C/N системы передатчик-приемник при разных значениях RIN.



Из рассмотрения рис. 7 (область малых входных оптических мощностей Р_вх) следует очень важный вывод, что в FTTH-сети можно устанавливать наиболее дешевые передатчики, практически с любым значением RIN. Не нужна в нем и система автоматической регулировки мощности (АРМ), так как передатчик все равно придется переключить в ручной режим для установки требуемого значения m (например, 12% вместо рекомендуемых 4,5%). Можно также использовать и передатчики с прямой (непосредственной) модуляцией, если они устраивают по CSO и CTB. При этом повысится порог SBS⁴ за счет более широкого оптического спектра.За счет чего же все C/N с разными RIN передатчиков при малых Р_o фактически сходятся в точку? Насколько это возможно без математических выкладок, постараемся пояснить. Все дело в том, что результирующая C/N обязана как передатчику, так и приемнику. При значительных уровнях Р_o (порядка 0 dBm) C/N передатчика и приемника примерно равны между собой, то есть вносят одинаковый вклад в результирующие шумы. А вот с понижением Р0 шумы приемника становятся превалирующими в сравнении с шумами передатчика (см. формулу 1). В результате этого и получается вывод, что при малых Р_o результирующее C/N фактически не зависит от шумовых параметров передатчика.В части защиты FTTH-сетей бездоказательно можно утверждать, что:
• В отношении капитальных затрат FTTH-сети при их грамотном построении близки ко всем другим видам сетей (а при некоторых ухищрениях они могут быть и ниже даже с учетом монтажных работ) при более высокой надежности.
• Они характеризуются простотой переконфигурации сети (при наличии кроссовых шкафов).
• Они создают базу для простого и удобного построения параллельных сетей (например, Ethernet), за счет чего возможен отказ от реверсного канала.
• Они обеспечивают значительное снижение шумов ингрессии (как преобладающей помехи) при реализации реверсного направления. Следовательно, появляется возможность работы на повышенных скоростях цифровых потоков.
При обсуждении сети с глубоким проникновением оптики на форуме попутно был затронут вопрос об использовании двухполосных модуляторов в таких сетях.
Действительно, в большинстве случаев в СКТ используются однополосные модуляторы (жаргонная терминология), но иногда (в целях удешевления) могут встречаться и двухполосные. Как же формируется спектр выходного ТВ-сигнала? Чаще всего на промежуточной частоте, за счет использования фильтров на поверхностных волнах (ПАВ), обладающих высокой нагруженной добротностью и отличной воспроизводимостью требуемой формы АЧХ (а она не всегда требуется прямоугольная, в виде «столика»).
Двухполосные модуляторы дешевле, радиосигнал в них сразу формируется на требуемой частоте трансляции (рис. 8).
Выходной ВЧ-фильтр не способен подавить нижнюю боковую несущую (рис. 8б).



Такие сигналы⁵ обладают удвоенной шириной полосы частот, в силу чего и несут удвоенную энергетическую загруженность сети.
В однополосных же модуляторах используется преобразование по частоте. Первоначально за счет использования генератора промежуточной частоты (ПЧ), стабилизированного кварцем, модулируется полный двухполосный спектр ТВ-сигнала. А затем фильтром на ПАВ частично подавляется одна боковая полоса. Такой фильтр на ПАВ обладает специальной формой, отличной от прямоугольной. Одновременно он участвует и в формировании уровня звуковой поднесущей. Некоторые такие фильтры являются еще и электронно-управляемыми, то есть способны менять свою полосу прозрачности под нужный стандарт вещания (например, B/G и D/K). А выходной фильтр осуществляет подавление только нежелательного зеркального канала (рис. 9).



Таким образом, все проведенные выше рассуждения для FTTH-сетей полностью пригодны и для двухполосных сигналов. При проведении же всех расчетов и рассуждений следует только удваивать число используемых каналов (за счет двухполосности).
А всякое увеличение числа каналов влечет за собой снижение индекса оптической модуляции m и все связанные с ним последствия.

Авторы надеются, что данные пояснения продолжат активизацию затронутых вопросов на форуме журнала. Все критические замечания и пожелания можно присылать в редакцию по адресу: anna@telesputnik.ru

¹ МВКПК — Московские высшие курсы повышения квалификации организованные в рамках группы компаний «Полюс-С». ² Отметим, что оптические приемники, выполненные в гермокорпусе, часто именуют оптическими узлами. Это не совсем верно, так как согласно CENELEC EN 50083-6, отличительным признаком узла является не вид его конструктивного исполнения, а обязательное наличие других функциональных устройств, например, оптического передатчика реверсного направления. В силу такого определения мы в дальнейшем придерживаемся терминологии «оптический приемник» даже применительно к оптическому узлу, так как рассматриваем только прямой канал.³ Авторы благодарят с.н.с. «ИРЭ-Полюс» к.т.н. Е.В. Конькова за большое количество предоставленного практического материала и за проведение дополнительных лабораторных исследований.⁴ Данное значение важно в основном для диапазона 1550 нм, а не 1310 нм.⁵ Для простоты рассуждений упустим малозначащие корректирующие коэффициенты и поправки.