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CATV光纤网络设计培训教材
CATV光纤网络设计培训教材
这里我们介绍CCTV光纤网络的设计,一个好的网络设计要综合考虑技术、成本和未来发展的需要。
1 CATV光纤网络的拓扑结构
(1) 先进的光纤同轴电缆混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)
主环分前端:6000~10000户,
主环应为数字环或1550nm模拟环
子环分前端:1000~2000(二级网)
子环一般为1310或1550nm模拟环
分 配 网:200~500户/每个光节点(三级网)
HFC网 光纤到光节点,同轴电缆到家
同轴线上回传为5~65MHz
光纤上回传为5~200MHz
(2)网络结构
超干线:从前端到分前端
干 线:从分前端到子前端到光节点
分配网:光节点到用户
RF性能要求CNR(dB)CSO/CTB (dBc)
超干线>53≤-65干线50-60
分配系统48/45-58
最终用户46/43-55
网络拓扑与结构
超干线:线型、环型、星型
干 线:环型、星型、树型
需备用回路(如自愈环)时用环型
星型直接分配系统,维护方便
有源星型相当于线性超干线加星型分配
线状树型,光纤利用率最高
在光纤利用上,无源星型,树型也很有效。
(4) 型HFC网络的各种结构
2 光纤网络设计
(1)CATV光纤网络的构成及设计指标
网络指标分配:
(根据系统的规模、用户的分布情况和经济实力进行指标分配)
用户端口
项目
国家
设计
前端
光缆干线
电缆支线及分配网
CNR(dB)
43
44
55
50
49
CSO(dBc)
54
55
70
61
60
CTB(dBc)
54
55
74
65
60
对一级光纤网:CNR宜取50 dB;60个频道时,CSO≤-61 dBc;CTB≤-65 dBc。
对三级光纤网的级联:CNR宜取47 dB;用户口的CNR降为44 dB。
设计前,根据所建系统的范围、用户数、可靠性和组网的灵活性来综合进行考虑。从而,选择指标、传输波长、网络结构和光收发设备等。
(2)光节点布局的选择
按用户居住情况及今后发展规划划分小区,半径1km内
(3)光缆路由的选择
尽量短,重要干线应考虑备用路由
容易施工并节省投资(根据地理杆路或管道的情况)
尽量减少光缆野外接头
通向不同目的地的光纤,尽量走同一路由,多纤共缆
(4)光纤用量的确定
每个光节点安排几根光纤?二根、四根或更多
(5)光路损耗与光分路比的计算
从发射机到接收机的全程光路损耗值决定光纤干线的CNR。光路损耗的计算和不同光路的组合是光缆干线设计的关键。
路由确定了,每条光路的损耗就确定了。搭配适当的光分路器,可使不同光路具有基本相同的损耗值。如果计算的光路损耗过大,就应适当减少分支数,增加光分路器。最后决定所需光发射机台数及每台的链路损耗。
光路损耗Aj=光纤损耗+分路器分路损耗+分路器附加损耗A附
+光活动连接器损耗A活+系统余量A余
=αL+ 101og (Kj%) +A附+A活+ A余
其中:α—光纤损耗系数(1310nm平均0.4dB/km) (1550nm平均0.25 dB/km)
L—光纤长度(km)
A附 由厂家给出 ,A活、各选0.5 dB
Kj%—光
分
路
器
第
j
路
分
路
比
。
(6)光分路器是光路损耗组合的关键器件
采用连续熔融拉锥技术生产的1xN的光分路器,要使光发射机到各接收点的光路损耗一致,可用各输出支路的分光比进行调节。分光比和光路损耗的计算公式如下:
n
ki = (100.1αLi)/ ( Σ100.1αLi)
i=1
n
A=10lg Σ100.1αLi + A附 +A活+A余
i=1
(7)光路损耗为Ai的载噪比CNRi满为:
CNRi满=CNRLINK+(ALINK-Ai)=51.5+( ALINK -Ai )
(8)N(频道数)不等于N 满时
CNRN= CNRi满+101og(N满/N)
(9)不同电视制式的CNR为
CNRPAL-D = CNRNTSC +101og(BNTSC/BPAL-D)
= CNRNTSC +101og (4.2/5.57)= CNRNTSC -1.36
(10)利用以下关系调整CNR
m 1dB CNR 1dB
CSO 1dB CTB 2 dB
因此: CNR+CSO=常数,2*CNR+CTB=常数
(11)利用三个或四个输出端口的光接收机可使HFC网升级为无源同轴网。
提高传输质量和网络的可靠性,也利于多功能的开发。
3 1310nm系统设计
(1)依据
路由图:光节点位置,分布情况,详细距离等。
用户要求:(系统带宽,传输频道数,系统指标,拓扑结构,回传,网管,多功能开发,光纤损耗为0.4dB/km等)
厂家给定参数:CNR与光路损耗曲线或光发射机的链路损耗(ALINK)。
链路损耗(ALINK)定义为:在满频道传输,CSO=-65 dBc、CTB=
-65dBc下的CNRLINK(如=51.5dB)时,发射机能提供给光路的最大损耗。
(2)设计例子:
计算分路比:
n
ki = (100.1αLi)/ ( Σ100.1αLi )
i=1
n
Σ100.1αLi =1.5849+1.3183+1.9055+1.0965+1.2023+
i=1
1.4454+1.5849+1.5849+1.3183=13.041
k1,k2,k3,……..k9分别为:12.1%, 10.1%, 14.6%, 8.4%, 9.2%,
11.1%, 12.2%, 12.2% 10.1%
发射机选型:
n
计算:A=10log( Σ100.1αLi ) + A附 +A活+A余
i=1
=101og(13.04)+0.7+0.5+0.5=12.85≈12.9 dB
若选链路损耗为13 dB的发射机,则传59路PAL-D时:
CNR>51.5+13-12.9=51.6dB,CSO<-60dBc,CTB<-65dBc。
验证:计算每一支路的总损耗:
Ai =αL+ 101g(Ki%) +A附+A活+ A余
Ai =0.4X5 +101g0.121+1.7=12.87
其余分别是:12.86、12.86、12.86、12.86、12.85、12.84、12.84、12.86等。从而可得到每个结点的CNR。若与前面计算的A差别较大,则应反复核算。
(3)1310系统的设计,如果利用飞通产品时:
小规模( 乡、镇、村)网络的选择:廉价的PTT2101/PTT2102
质优价谦(县、乡、镇、村)网络的选择:PTT1300
先进(市、县、乡、镇)网络的选择:PTT3100/PTT3301
对数模混传的特别要求:PTT3300
PTT2101是飞通公司一种经济型光发射机,它可以保证指标传输40路节目;PTT2102传输60路节目;而PTT1300是采用Ortel公司OEM产品提供的高性能光发射机,它已在国内得到了广泛的应用;PTT3100增加了网管,降低了RF输入电平,是一种最先进最完善的光发射机;PTT3101增加了前置放大模块,降低了RF输入电平,是一种功能完善的模块式光发射机;PTT3300也是Ortel OEM产品,它特别适合于数模混传,因为它为数据信号提供了一个专用的输入接口。
无源同轴网络的典型结构:随着光纤费用的迅速降低,最佳的光节点大小也在减小。DFB宽带发射机的费用正以每年20%的速度下降,因此对于新装网络,无源同轴网络结构的费用将会明显低于其它光纤含量较少网络的费用。在这种结构中,一个DFB发射机可服务一个约500户的街区。下行光纤在现场分支以服务一个主节点和6~8个附节点。节点间通过同轴电缆连接,这就允许由一个中心电源对所有节点供电,同时也允许采用叠频设计,将有关的上行信号组合在一起回传。
(4) 针对未来的网络设计
网络容量:由可传送的AM频道以及在网络中每户可使用的交互通信频带的宽度来决定。64QAM可实现4bit/Hz的带宽利用效率,从而200 MHz带宽为500用户所共享,每户的容量是1.6Mbps。
可靠性:为使HFC网络的可靠性达到最佳,光接收机后面的所有放大器,最好都去掉。通常这种无源同轴网的光接收机每路输出的服务用户,可减少到60~80户。
成本:当网络节点大小达到60~80户时,网络中的有源器件数目减到最小。随着光发射机售价的降低,采用无源同轴网的设计越来越有利。
光纤有线电视网络的发展方向是建立一个双向的交互式网络,为了实现这一目标必须在现在的设计中心为将来做好准备。这种考虑包括了网络容量,可靠性以及成本的核算。我们的核心问题是如何决定光纤/同轴电缆混合网中光纤的最佳渗透程度,最有意义的网络交互容量的衡量方式是每户的带宽,它是由总的交互通信带宽,数字信号的调制方式以及分享带宽的用户数决定的。有很多种数字调制方式适合有线电视网络中传送压缩的数字视频信号。对数字信号最流行的调制方式是64QAM,它与AM-VSB方式在有效利用带宽方面有某些类似。
网络可靠性的设计目标是使服务中断的可能性减至最小,光纤设备对网络可靠性的提高,光纤对网络可靠性的主要影响起因于CATV网中级联放大器数目的减少,为使HFC网络的可靠性达到最佳,跟在光接收机后面的所有放大器都应该去掉。在这种通常称为无源同轴网的网络结构中,在中等人口密度地区每个光接收机可服务60~80个用户。成本在网络设计中总是一个重要的因素,为了决定最佳的网络设计以使成本减至最低,必须考虑光纤设备和电缆设备在费用上的折中。射频放大器费用的减少源于当光节点覆盖的用户减少时,放大器的需求也减少。因此可以允许每个放大器有更高的失
真电平,这意味着放大器可工作在较高的输出电平上。就网络费用而言,一个有意义的问题是是否存在一个最佳的节点大小。分析表明,一旦节点大小达到无源同轴网的极限约60户时即可无需放大器直接到户。
4 1550nm系统的设计
1550nm系统设计的特点:
线性调频chirp和色散对系统的CSO造成很大的劣化。
dn/dp和色散综合作用导致自相位调制,对CSO会造成很大影响。
EDFA的出现使长距离传输、大面积覆盖的设计成为可能。
外调制,低chirp下,EDFA对系统非线性指标影响不大。
忽略色散影响的分配网系统的设计与1310 nm系统设计相同。
超干线的设计,需要仔细考虑影响性能的很多因素。
系统的CNR,需要考虑EDFA自发辐射噪声的影响,自发辐射噪声主要是指信号光与自发辐射光之间的差拍噪声(NF2 hν/PIN),与激光器的相对强度RININ之和可求得总的相对强度噪声RINOUT
RINOUT= RININ+( NF2 hν/PIN)
PIN是EDFA的输入光功率 hν是光子的能量
NF是EDFA的噪声系数
将RINOUT代入CNR表达式可得CNR值。
这里罗列了1550 nm系统设计时会遇到的一些问题,需要强调指出提由于长距离传输的光纤色散等带来的效应趋于明显,所以超干线系统的设计需要认真对待。
(1)设计方法(忽备色散影响):
当色散影响可以忽备或光路小于70km时可采用1310nm系统的设计;或者说在无FM到AM的影响发生时可用1310 nm系统的设计方法。
此时,还可以从Pr m来计算CNR。计算公式如下:
CNR=85.9+201og(m)-101og(1.57×10-3Pr+0.15×10-6/Pr2) Pr—光接收输入光功率 m—调制指数
例如:m=0.03,Pr=1mW时,
CNR=85.9+201og(0.03)-101og(1.57+1+0.15)= 51.1dB
m = 0.03, Pr = 0.5mW时, CNR=49.3dB
m = 0.03, Pr = 2mW时, CNR=52.2dB
m = 0.04, 201og(0.04)= 27.96, 比m = 0.03多2.5dB,CNR相应提高2.5dB。
由此可见:在1550系统,Pr及m的影响很大。
(2) 1550nm系统设计原则(对标准单模光纤而言)
光发射机采用外调制方式,输出功率小需后接光放大器(EDFA),以提高输出功率,延长传输距离。做为功率提升器使用
受SBS的限制,入纤功率应小于SBS的阈值,不同厂家阈值不同,一般可达+16.5/17dBm。Ortel公司的新型光发射机可达18dBm。
光接收机的输入功率一般在+3~0dBm内
EDFA也可以做为中继器级联使用,此时,EDFA输入光功率应大
掺铒光纤放大器(EDFA)由于入纤功率大大提高,所以满频道时传输距离可以延伸到70Km.
尽管光纤系统带来的影响严重限制了1550nm系统的传输距离,但还是有办法克服这种影响,解决办法之一就是色散补偿,利用专门的非零色散位移光纤便可减少1550nm信号传输的色散,从而使光纤系统带来的影响明显降低,利用专门的色散管理组件(这是一种新型无源器件,它是建立在光纤光栅基础上)安装在接收机前或发射机后也可起到类似作用。
在300MHZ以下的波段CSO下降得并不明显,我们依此可以采用两路都在300MHZ以下传输的办法来达到全频道长距离传输,具体可以采用空分复用(双发射机、双纤),波分复用来延长传输距离。
(3)1550nm系统与设计有关的曲线
在1550nm窗口三种光纤的有关参数
参数项目
常规单模光纤
色散位移光纤
非零散位移光纤
(SMF-28)
(SMF-LS)
光纤弯曲(100圈Ф75mm)
≤0.1dB
≤0.05Db
≤0.05dB
光纤弯曲(1圈Ф32mm)
≤0.5dB
≤0.5dB
≤0.5dB
温度特性(-60~+80℃)
≤0.1dB/km
≤0.1dB/km
≤0.1dB/km
光纤截止波长
≤1260nm
≤1260nm
≤1260nm
零角散波长
1310nm
1550nm
1560nm
色散
≤18ps/nm·km
≤3.5ps/nm·km
≤-3.5~ -0.1ps/nm·km
模场直径
9.7±0.6μm
8.4±0.6μm
8.4±0.6μm
偏振模色散
≤0.5ps/km
≤0.5ps/km
≤0.5ps/km
衰减
≤0.25dB/km
≤0.25dB/km
≤0.25dB/km
注:多波长单纤传输中色散位移光纤会出现四波混合的非线性产生新波长,导致系统恶化,为克服四波混合产生了色散为负的非零色散位移光纤。它更适用于1550nm多波长WDM系统。
5 系统的级联
(1) 级联公式:
具有性能为P1(CNR1、CSO1、CTB1)和P2(CNR2、CSO2、CTB2)的两个系统,级联后的总性能P级联、CSO级联、CTB级联)为:
P级联= -N1og[10(-P1/N)+10(-P2/N)] (N相同)
对n个N相同的系数为:
P级联= -N1og[10(-P1/N)+10(-P2/N)···+10(-Pn/N)]
α=RINFM-AM(L)/RINN CNR=201og(m)-69.2-101og(RINN)-101og(1+α)- 101og{1+(2q/Pr+ith2/Pr2)[RINN(1+α)]}
例:
m=0.03 , Pr=2mW, L=L1+L1=50+50=100km,
GI=P0/Pin1=50/2=25 , K2=Pin2/Pin1=2/2=1,
RINN=[NF(1+1/K2)+2/G1]2.56×10-19/Pin1+RINLD
=[10(5/10)(1+1)+2/25]2.56×10-19/2×10-3+10-16=9.2×10-16
RINFM-AM(L)=0.23(LfRF)2×10-24=0.233(100×600)2×10-24=1.68×10-15
α=RINFM-AM(L)/RINN=1.68×10-15/9.2×10-16=1.83
CNR=201og(m)-69.2-101og(RINN)-101og(1+α)-101og{1+(2q/Pr+ith2/Pr2)/[RINN(1+α)]}
=201og(0.03)-62.9-101og(9.2×10-16)-101og(1+1.83)-101og{1+
(2×1.6×10-19/(2×10-3)+(7×10-12)2/(2×102)/[9.2×10-16(1+1.83)])=45.9dB
(4) 1550nm系统CSO级联的计算
L=L1+L2+……+LN , NCSO=在fFR(MHz)处的CSO拍频数
CSO=101ogNCSO+201ogm-139.6+401og fFR+201ogP0
+201og[0.0576×( L1+L2+…….+NLN )-N+ e-0.0576L]
例:80套NTSC频道,2个 EDFA级联
NCSO=29 m=0.03 fc=547.25MHz Po=50mW
L=L1+L2=50+50=100km
CSO=101ogNCSO+201og m-139.6+401og fFR+201ogP0
+201og[0.0576×( L1+2L2)-2+e-0.0576L]
=101og29+201og0.03-139.6+401og547.25
+201og50×10-3+201og[0.0576×(50+2×50)-2+e-0.0576L]
=55.48dBc
6 其它系统的设计原则
(1) 光接收机的设计
类型(按接收功率分):标准型 -3~0dBm
高输入型 +3~0dBm
1310nm,1550nm工作
室内、室外型接收机可达相同性能,由本地环境及供电条件等决定采用室内机或室外机
RF输出电平,输出端口数的选取,由RF分配系统决定
RF最大输出电平是-101og(mPin)
m—调制指数, Pin—输入光功率
可能达到的最高输出电平,决定于所选取RF放大组件的材料(Si-105dBμV或GaAs-120 dBμV),更高的输出电平,将会出现非线性失真
接收机RF输出电平与输入光功率曲线
使用接收机应注意的问题
注意接收机的输入光功率范围
分配网的设计需要了解接收机的输出电平
三端口及四闻端口的机型适合于无源同轴网络
无源同轴网络应优先使用具有最大输出同时双能保证失真指标的接收机。
(2) 回传系统设计
A.回传内容:视频信号
计算机数据
RF放大器来的状态监测数据
有源分支器来的控制数据
机顶盒变换器来的付费电视等数据
若有10.7MHz导频,此附近不能用于回传!
B.设计:
1. 回传发射机:一般采用1310nmLD
a) 5~65MHz,F-P腔LD 链损≤15 传数据达dB37km
b) 5~200MHz,DFB-LD链损≤10传数据及1~2路电视达25 km
c) 5~200 MHz,DFB-LD 链损≤16传数据及4路电视可达40 km
2. 回传接收机:
只接收数据的机型
用于数据和图象
具有双输入的接收机
(3)网络管理系统的设计
网管系统是先进通信系统重要组成部分。给系统操作者是提供易于使用的系统管理工具。在有线电视中,一般采用在所的时间内连续地对系统进行背景轮询,并以日期和时间为标准对特性的变化过程予以纪录,利用这些记载的历史资料,操作者可以对周期性出现问题的地区进行分析,作出业务需求预测和提出维修计划。
网管系统由计算机软硬件和状态应答器组成。可采用四级屏幕显示让用户通过友好的Windows界面和鼠标接口发现问题。第一屏显示整个系统概貌,率二屏切换到所选网络部件的链环上来,第三屏显示被选设备的数字或告警等级,第四屏显示被选硬件的分析结果或参数范围指示。借助对问题进行标识和定位的方法,操作者可以启动恰当的运作方式来修复系统,所有的功能都由操作者一台鼠标驱动的486 IBM兼容机来控制。
状态应答器安装在发射机的室内接收机中,用于提供系统管理、控制和状态监视。当然在被监视的接收机中,必需安装回传光发射机,以便把监视数据反向传输前端。
网管通信一般在9kHz波特或更高速率下运行,并调制在10.7MHz载波上。容许和鼓励在回传路径上采用级联方式,此时要注意采用陷波器去掉10.7MHz载波,前端设备之间:用铜线通过RS-485接口实现网管通信。前端与光节点间:用光纤通过FSK调制10.7MHz附近的载波来实现。
为了使网管系统与其它厂家设备兼容,有的厂家还设计了网络管理扩展器,配以适当的应答器可获得同样高级的系统管理能力。
附注:RS232 RS485接口
RS485
参数
RS232
LT485
LTC1485
运行方式
单端
差分
驱动器数目 接收机数目
1 1
32
256
电缆最大长度(m)
15
1200
数据最大速率(bps)
20k
10M
驱运器负载(Ω)
3k~7k
60(最小)
(4) 同轴分配网的设计
(a)同轴电缆 损耗与频率:L1@f1/L2@f2~(f1/f2)0.5
损耗(dB/100m)
直径(英寸)
频率(MHz)
0.5
0.75
0.85
1.00
5
0.53
0.36
0.3
0.3
30
1.32
0.86
0.79
0.76
50
1.72
1.16
1.06
1.00
450
5.38
3.74
3.23
3.03
550
5.94
4.06
3.60
3.37
(b)RF放大器
信号源的热噪声(75Ω)
Vn=(4kTRB)0.5 = 2.2μV(NTS) = 2.49μV(PAL-B/G) = 2.73μV(PAL-D)
k—Boltzman常数,1.38×10-23
T—绝对温度,300K
R—75 OHM
B—噪声带宽,NTSC:4 MHz,PAL-B/G:5 MHz,PAL-D:6 MHz
Vno=Vn/2=2.73/2=1.36μV
= -57.33dBmV(PAL-D)
(c) 放大器的噪声特性,放大器的CNR受热噪声限制
CNR=59-NF+Vin(dBmV,NTSC)=57.3-NF+ Vin(dBmV,PAL-D)
NF(噪声系数)
Vin(输入电平)
CNR
干放
7
10 (dBmV)
62(dB)
延放
9
15 (dBmV)
65(dB)
(d)同轴干线网的设计
均衡与增益:电缆长度:750m,1.00英寸
电缆损耗:8/23 dB(50/450 MHz)
放大器增益:23 dB
输入电平(Vin):19/12 dBmV
输出电平(Vout):27/35 dBmV
均衡器:15 dB
(e) 分配网络的设计
有源分配网络 由分配放大器,分支放大器,支线放大器,楼幢放大器等有源器件组成。HFC网中,该网络一般不超过三级。今后,网络升级,用户减少,最好不用。
无源分配网 由大量的各种不同的分配器,分支器,用户盒等无源器件组成,直接分配到用户。到达用户盒的指标为:
Vin:10~17 dBmV
CNR:43/44 dB
CSO/CTB:-53 dBc
7 光纤传输风的安装与开通
(1) 工具与仪表
光功率计,频谱分析仪,带通滤波器,光时域反射仪(OTDR),可见光源,无水酒精(99%),数字万用表等。
(2) 安装注意事项:
注意静电安全
设备地线与大楼地线接牢,注意有关设备应接至同一接地线。
检测所有电缆不应带电。
确定供电电压应低于设备供电电压上限。
切勿直接观看光纤尾端,光源对人眼有害。
为减少插入损耗和反射损耗,应用无水酒精细心清洁每一个光纤活动接头端面
(3) 光发射机输入射频信号和调试
输入RF电视信号频响的平坦度及稳定性应控制在+1dB内
系统设计频道数N少于60个时,输入电平应增加101og60/NdB
输入RF电平(VRFIN)过低,则导致CNR指标过低
输入RF电平过高,则导致CSO、CTB指标恶化
VRFIN,m,CNR,CSO,CTB关系如下
VRFIN增加或减少1dB,m将相应增加或减少0.5dB
CNR将相应改善或恶化1dB
CSO将相应恶化或改善1dB,
CTB将相应恶化或改善2dB,
(4) 光接收机安装注意事项,
装室外光接收机,拧防水螺丝时,尾纤不应跟着转
装射频输出电缆时,注意AC 60V供电通路和安全
全上塑料盖析,关闭外时,应防止光纤挤压和过度弯曲
在射频输出口检查交流输入电压为60V
在光缆活动插头(FC/APC或FC/UPC)上检查输入光功率应在设计值(0dBm附近)内,过高(大于4.8dBm,3mW)会导致线性恶化,甚至损坏光电二极管;过低则导致CNR恶化,RF输出电平过低
清洁FC活动接头后,插入接收机插座上,此时接收机应正常工作
在RF输出口,用频谱仪或电平表检测RF输出信号,大小用衰减器调整,倾斜可插入均衡器来调整
RF输出(VRFout),输入光功率(Pin),m,光发RF输入VRFIN的关系:
Pin 1dB时, VRfout 1dB;
VRFIN 1dB时 , m 0.5dB ; VRFout 1dB
(5) 安全使用
避免激光器伤害人眼,做好防静电措施
使用光传输设备需要注意使用安全,激光会伤害人眼,由于功率高,又不可见,千万不可直接观察激光输出。光电器件是静电敏感器件,在我国北方地区因气候干燥,静电容易累积尤其要特别注意,光发射机和光接收机要注意接地良好。
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