福州广电网络光传输技术的应用

来源:用户上传      作者: 江常雄

　　在城区有线电视HFC网络中，正向光传输技术应用经历了三个阶段，第一阶段从星形的1310nm到环型+星型的1310nm光传输网络；从2007年数字电视整转初期，新建的DVB+模拟信号采用环型1550nm+星型1310nm的模式；随着2009数字电视整体转换的深入，新建、整转、改造的光节点将可能采用全1550传送方式。
　　对于正向的电视广播业务，从1310nm过渡到1550nm，不仅使网络传输技术指标得以提高，而且对网络的改造费用也大大节省；而对于基站的CMTS与互动电视的IP/QAM信号将以1550波长直接调制，与总前端的传送的广播信号进行光复用后，传送至网络光节点。并保留现有的CMTS宽带方式，积极进行EPON+EOC的测试与试点工作。
　　目前，在波分复用技术上，选用了Aurora全光网络产品系列，正向广播与窄带信号采用密集波分复用技术，回传信号采用稀疏波分复用技术，其WDM技术对福州广电网络建设与改造是一种非常有效的方式。
　　
　　城区光传输技术的应用与试点
　　
　　波分复用WDM技术简介
　　指在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息,称为光波分复用技术,简称WDM。其具有单纤双向与双纤单向的传输方式，在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。在DWDM系统中，各个光通路的间隔很小（可低达0.8nm），或者更小；目前的CWDM系统一般工作在从1260nm到1620nm波段，间隔为20nm，可复用16个波长通道，其中1400nm波段由于损耗较大，一般不用。
　　
　　波分复用的组成
　　N路波长复用的WDM系统的总体结构，主要由发送、接收光复用终端单元、中继线路发送单元三部分组成；如果按组成模块来分有：光波长转换单元、光复用/解复用器、光放大器、光监控信道/通路。
　　
　　WDM的特点
　　具有超大容量，满足将来广电NGB网络的3GNet技术的要求，即主干光网络传输速度达到1000TBit/s，用户端达到60MBit/s；其次对数据的“透明”传输，由于DWDM系统按光波长的不同进行复用和解复用，而与信号的速率和电调制方式无关，即对数据是“透明”的，对于“业务”层信号来说，WDM系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样；另外系统升级时能最大限度地保护已有投资，在网络扩充和发展中，利用增加一个波长即可引入任意想要的新业务或新容量，是引入宽带业务（例如CATV、HDTV等）的方便手段。
　　
　　CATV系统中波分复用的器件的选择要求
　　
　　总体要求
　　在有线电视系统中，EPON+EOC应用中有可能采用单纤双向的WDM。目前我们采用双纤单向的WDM,正向采用DWDM，反向采用CWDM。对于正向的DWDM，采用集成式波分复用，该方式没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样他们在接入光复用器时就能占据不同的通道，从而完成复用。
　　
　　因此在波分复用系统中，应严格要求激光器的波长的稳定，在DWDM系统中，激光器波长的稳定是一个十分关键的问题，根据ITU-T G.692建议的要求，中心波长的偏差不大于光信道间隔的正负五分之一，即当光信道间隔为0.8nm的系统，中心波长的偏差不能大于±20GHz。
　　在早期的CATV系统使用WDM时，尽量安排间隔的ITU-U波长通道。而对CATV系统中，使用WDM时，还需对直调、外调制光发射机，光放大器、光复用器等器件进行具体要求。
　　
　　1550nm光发射机
　　在波分复用中，由于窄带信号通过光方式与广播信号复用，因此对于窄带波长的IP/QAM信号采用1550nm直调时，会产生严重的激光啁啾，（激光器的偏置电流被信号调制，光频发生偏移和抖动）。啁啾会在1550nm处产生严重的失真。这种失真，随传输距离、传输带宽和频道数增加而变得严重。而目前我们城区所采用AURORA直调式1550nm光发射机，输出功率达到10dB，传送频道达到16个，对于纯数字负载，城区内传输距离≤40Km，不会产生明显的性能劣化。
　　对于发送广播信号1550nm外调制，主要满足载噪比与非线性指标要求。
　　
　　光纤放大器
　　在波分复用系统中，由于多个波长的信号通过EDFA,这就要求光放大器需要有足够的平坦度及带宽要求，而不同于原先的单波长光放大器，要求光放大器的带宽在1535-1565，增益平坦度为正负0.2左右，这样以保证每个波长的输出达到EDFA饱和输出功率的值。目前进口的光放大器大多具有较好的增益均衡技术及增益锁定技术
　　
　　增益均衡技术
　　即通过增益均衡技术，保证EDFA在1550nm波长窗口的工作带宽在30―40nm时，将增益偏差由原来的5.6dB降至0.28dB，主要是指在进一步研究掺铒光纤特性的基础上，通过采用改变光纤材料或者利用不同光纤的组合来改变掺铒光纤的性质，从而改善掺铒光纤放大器（EDFA）的增益特性，光纤技术除了改善增益特性外，还可改善EDFA的噪声。
　　
　　增益锁定技术
　　EDFA的增益锁定是一个重要问题，因为WDM系统是一个多波长的工作系统，当某些波长信号失去时，由于增益竞争，其能量会转移到那些未丢失的信号上，使其它波长的功率变高。在接收端，由于电平的突然提高可能引起误码，而且在极限情况下，如果8路波长中7路丢失时，所有的功率都集中到所剩的一路波长上，功率可能会达到17dBm左右，这将带来强烈的非线性或接收机接收功率过载，也会带来大量误码。
　　
　　光复用器和解复用器
　　波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即光复用器和光解复用器（有时也称光复用器和分波器），WDM系统性能好坏的关键是WDM器件，其要求是复用信道数量足够、插入损耗小、串音衰耗大和通带范围宽等。WDM系统中使用的波分复用器件的性能满足ITU-T， 因此对普通的光分路器，不能像射频分配器那样，简单的倒过来当作光复用器使用，目前像AURORA的光产品中，已有将光复用与分波合一的器件，即广播、窄波光耦合器，它具有广播与多路窄波波长的输入，输出四路广播加不同的窄带波长复用后的光信号，完成的复用解复用与复用的功能，这对于节省EDFA数量方面具有很大的优势。但同时，也对该器件的可靠性提出了更高的要求。
　　
　　WDM在新店等基站的具体应用实践
　　
　　新店基站WDM的应用介绍
　　最早采用WDM技术的是在于我们的一个新店基站，新店基站不同于其它的基站，由于机房面积较少，只有20多平方米左右，不能作为分前端使用，采用AuroraFibreDeep技术，将实现该区域5万户的广播与宽带业务。
　　传送至新店基站的正向电视广播信号采用1558的波长外调制方式，下行的CMTS与互动电视信号通过1550直接调制方式，采用ITU-T标准的20、21频道的波长，通过DWDM技术，从金晖分前端经新店基站传送其覆盖的区域，一个ITU-T波长对应一个下行区域，不同区域的宽带下行信号在新店基站处，利用复用解复用器进行相应波长提取，如区域1解出正向广播与20频道的信号，区域2解出正向广播与21频道信号，解决了原来1310nm光传输系统对CMTS空分扩容的要求，
　　而光站的多路反向CMTS回传信号到新店基站后，采用CMDM技术，在新店基站处进行复用，并利用一对光纤传送到金晖分前端，通过金晖分前端的解复用，分解出对应波长的回传信号，送到与其下行对应的CMTS头端。采用10个波长的复用解复用器，CWDM波长范围从1430-1610，波长间隔为20nm，目前使用了其中2个波长，预留的波长可用将来的二期扩容，或作为其它波长的备份使用。

　　专线业务通过MUXNODE的多功能光站内数据模块，菊形串接回新店-金晖分前端的交换机；结合设备网管功能，可以对全网的AURORA设备集中网络监控。
　　单从基站的投资上看，由于采用1550传输，且不需在新店基站部署CMTS及数据交换设备，及UPS、空调等动力环境，新店基站的设备投资建设、运维成本大大下降，由于考虑即将EPON+EOC的实施，及目前网络采用的CMTS头端为机架式结构，不利于在新店机房重新布署，而有利于采用星型分配的形式，故利用波分复技术，很好的解决了新店基站作为一个区域CATV功能性的覆盖的难题了。
　　在一期建设中，新店基站部署一台EDFA满足传送40个左右的光节点信号，利用金晖分端的一个CMTS下行覆盖10000户，这样可以使CM的渗透率达到6%；对于二期扩容时，只需在金晖分前端新增一个1550nm窄带传送波长，新店基站增加一台EDFA，就可满足新增的40个光节点的信号传送要求。
　　
　　新店基站进行WDM时的设计实施
　　当有线电视系统中采用DWDM时,根据工程实际经验,增加一个波长的复用光放大后,则每波长信号输出光功率下降1dB,因此设计时需对光放大器的输出功率留下足够的余量；当区域内的CMTS及互动电视业务带宽增加时, 须对区域内光节点空间分隔,在基站内就需增加IP/QAM发射的窄带1550直调光发,从而增加光复用的波长数量，造成EDFA输出端窄带波长光功率的下降。
　　其次，窄带发射机输入IP/QAM信号频点的变化，将引起激光器调制度的变化，从而影响光接收机端的IP/QAM输出射频电平值。目前我们使用的CASA的IPQAM信号,一个射频端口可以输出4个8MHZ带宽的频点。
　　针对上述CATV系统的业务变化引起DWDM系统的传输指标变化，在进行WDM设计时，接收端正向广播与窄带信号光功率为-1.5与-6.5dB, 由于光接收功率相差5dB射频电平相差10dB。当分前端的窄带发射机数量变化，窄带光接收功率将下降；输入IP/QAM频点变化时，都将导致接收机IP/QAM输出电平值产生变化；这些变化都需通过调整1550nm窄带光发的AGC值，改变激光器的调制度，从而影响光接收机端的IP/QAM输出射频电平值，保证广播与窄带信号电平相差相差6-10dB左右，目前使用的1550nm窄带光发的AGC控制范围（-5～+5）dB,将满足光节点信号调试要求。
　　由于初期窄带信号的频道较少，对1550nm窄带光发射机的激光器驱动电平就要相应的提高很多，根据 ，m为单个频道的调制度，N为频道数，理论上可以证明，当总调制 ＝0.25时，几乎不可能发生过调制，当输入为4个IP/QAM频道可以计算出每频道调制度达到14.4％，随着区域内窄带发射信号IP/QAM频点的增加至16个时，每频道调制度将下降到达到7.2％，大大高于宽带广播发射机的每频道调制度。
　　窄带发射机输出功率在10dBm左右，在与广播信号混合时，如在EDFA之前复用，需对窄带光信号进行衰减，增加对EDFA增益平坦度及增益锁定要求；在EDFA之后复用，较易满足因数据带宽增加时对光节点进行空间分割的要求。
　　
　　即将布署的分前端1550nm光传输
　　当有线电视光传输从1310nm过渡到1550nm的过渡中，对原有的1310nm光投资设备的合理利用显得相当重要，结合数字电视整体转过程中，部分区域网络传送不同于原先有线信号，主要是模拟节目频道的数量，以及新开通光节点、未改造的网络光节点，都需要有过渡的1310nm光设备，我们的做法是针对市区10个基站中，个别拥挤的基站，将1310nm全部改为1550nm方式传送信号，而将该基站内的1310nm光设备布署到其它基站，光信号传输框图（3）所示：
　　
　　 当原先的1310nm平台的光节点过渡为1550nm平台传输时，应考虑如下问题：
　　1、由于采用1550nm光传输，基站的有源设备减少，但单台有源设备所有光节点用户按24-48个光节点计算，每节点按250户计，则一台EDFA所带的有线用户将达到6000-12000万，因此适当时候应考虑对有源设备，特别是对EDFA进行备份。
　　2、当光节点从1310nm平台转到1550nm上时，光传输链路的损耗不同，以及1550nm波长对光纤弯曲损耗的敏感等，在光接收机端都表现出来，因此需对光节点设备重新调整参数。
　　3、从光传输的技术指标上分析，由于减少了光电转换环节点，在载噪比CNR、组合二次差拍比C/CSO提升3dB、组合三次差拍比C/CTB提升6dB，而对于利用窄带波长传送的数字信号，当波分复用较多波长时，在不同波长之间的干扰会影响光信噪比指标。
　　4、如采用AURORA光传输产品的4路波分复用与解复用器，则可以节省广播信号EDFA的数量，但对窄带EDFA的数量则无影响。
　　
　　郊区联网中远距离1550nm光传输
　　在考虑与八县数字电视联网过程中，我们考虑了SDH与1550nm光传输的方案，经过对比，1550nm在性能、造价比方面都具有优势，1550nm传输带宽可达到1GHZ，未来利用波分复用技术，传输容量也将大提升；目前来说，除选用进口的1550nm外调制光发射机，如BKtel、AURORA、PBN等，国内的凌云、飞通、傲蓝等厂家EDFA产品也日益成熟，已能满足远距离光传送有线电视信号；10年前，在本地最远的一个县传输距离达到142公里，我们利用哈雷光设备传送16套模拟节目到该县，中间经过两级光中断放大，传送距离达到146公里,各项传输技术指标满足要求。
　　目前进行新的八县联网设计中，到各县前端采用环网路由传送信号，最远距离达184公里，将传送25个频点的数字电视信号及16套模拟节目，要求DVB+16信号送到各县前端时，最远端路由的县前端机房的指标达到CNR\48dB、CSO\60dB、CTB\60dB，经与国内多个厂家交流，最远传送距离的案例已达到2-3百公里，充分满足我们的设计要求。在远距离传输中我们主要考虑频道数、SBS、色散等对有线电视CNR、MER、C/CSO、C/CTB等技术指标的影响。主要有以下几点：
　　1、SBS:受激布里渊散射
　　受激布里渊散射SBS是一种受激现象，当入射到光纤内的光功率大于某一阀值时，就会发生受激布里渊散射，产生频率较低的背向散射光，不仅使传输光受到衰减，背向散射光返回激光器还会破坏激光器的性能，引起激光器输出光功率的波动，产生较大的噪声，使系统的载噪比严重恶化。
　　受激布里渊散射的阀值与激光器输出谱线宽度有关，谱线越宽，SBS阀值越大。目前用于远距离传输的光发射机的SBS值可以做到13～19dB,为减少色散的影响，不建议使用太高的SBS阀值，入射到光纤内的光功率一定不能大于受激布里渊散射的阀值。
　　2、色散补偿
　　色散包括材料色散、模式色散、偏振色散，光纤的色散结合激光器的啁啾会引起CSO，光纤中的自相位调制(SPM)与光纤中存在的色散结合，也会引起非线性失真，特别在长距离（大于100km）传输时，这种效应更为显著。在1550nmnm波长附近，G・652光纤的色散典型值为17pS/（nm・km）。通过色散容纳技术，减小或消除色散的影响，延长传输距离，一般来说，主要采用色散补偿模块，及采用新型的G・655光纤非零色散位移光纤，来减少色散的影响，说明如下：
　　在旧有采用G・652光纤建设的光缆网络中，可通过色散补偿技术，从而可以减小传输线路色散的影响，如采用外调制的激光器、及色散补偿光纤。由于色散补偿光纤其色散为负值，恰好与G・652光纤相反，可以抵消G・652常规光纤色散的影响，从而明显改善CSO指标；越长的光纤链路，其色散累积（DL）越大，引起CSO劣化。使用色散补偿模块，主要根据中继位置的地点，结合前级光放大器的距离，而选用不同的色散补偿模块。PTDCM-20色散值为-340±10ps，PTDCM-40色散值为-670±20ps，通过色散补偿使长距离传输时CSO有约10dB的改善。
　　对于新建的光纤网络，可采用新型的光纤，G・655光纤为非零色散位移光纤，它是针对G・652和G・653光纤在DWDM系统使用中存在的问题而开发出来的，它使1550nm窗口同时具有最小色散和最小衰减，它在1530―1565nm之间光纤的典型参数为：衰减<0.25dB/km，色散系数在1―6PS/（nm・km）之间，因此该光纤既可以支持高速率信号的长距离传输，又由于其非零色散的特性，较好的满足未来WDM发展方向的要求。
　　
　　结束语
　　CCBN2009会议上指出，未来广电运营商将实现干线传输容量达到1000Tbit/S级别，终端接入带宽超过每秒60Mbit/s，因此在HFC网络改造中，FTTH是未来NGB接入网实现的主要方式，在光传输技术上也将不断进步，特别是WDM将得到更广泛的使用。

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