色散对有线电视光纤传输的影响.doc

中国有线电视 2006 ( 09 /10 ) CH INA D IG ITAL CABL E TV 技术交流 中图分类号 : TN943. 6文献标识码 : B文章编号 : 1007 - 7022 ( 2006) 09 - 0893 - 05色散对有线电视光纤传输的影响朱振华 (东方有线网络有限公司 ,上海 200041)摘要 :介绍光纤的色散特性 ,色散对有线电视光纤传输的影响 ,长距离 1 550 nm 模拟光传输系统的设计要求 ,以及现有的色散补偿技术 。关键词 :色散 ;光纤传输 ; CA TVThe Effec t on D isper s ion to O p t ica l Tran spor t of CA TV S igna lsZHU Zhen2hua(O rien ta l Cab le N e two rk Co. , L td, Shangha i 200041 , Ch ina)A b stra c t: Th is p ap e r in troduce s the d isp e rsion cha rac te ristic on op tica l fibe r, the effec t on d isp e rsion to op tica l tran spo rt of CA TV signa ls, de sign ru le s fo r 1550 nm op tica l tran spo rt system , the techn ique of d isp e rsion com 2 p en sa tion.Key word s: d isp e rsion; op tica l tran spo rt; CA TV1 引言东方有线网络在相继建设的郊区有线电视环网项目和郊区有线电视超干线改造项目中 ,将广电机房的有线电视信号经光纤传输至金山机房 、崇明机房后 ,在过电阻上拉到 3. 3 V 电源 ,在连接前也要进行预充电 。I2 C总线支持热插拔 , 光模块插入的时候它会自动检 测线路状态 ,并且只在总线空闲的时候连接器件 ,所以不会对总线产生任何影响 。4 结论采用以上技术设计的小封装光模块具有稳定 、可 靠 、体积小 、使用方便 、可热插拔等优点 ,在核心网 、城域网 、局域网和接入网中作为光接口广泛使用 ,并将逐 渐成为光模块市场的主流产品 。 1 刘炜霞 ,周鹏 ,祁存荣 ,等. 155 M b / s突发式光发射和接收模块的研究 J . 武汉理工大学学报(交通科学与工程版 ) , 2003 , 27 ( 2 ) : 63 - 64. 殷爱菡 ,展爱云 ,赵明镜 ,等. 光纤接入网中的光 收发一体模块 J . 光通信技术 , 2004, (7) : 1 - 4. 江国舟 ,刘德明. 基于 EPON 的三网合一解决方 案 J . 中国有线电视 , 2005 , ( 2 ) : 160 - 162.韩建波 ,张鹏. 带电插拔的金手指设计 J . 电 子工艺技术 , 2003 , ( 2 ) : 1 - 2.陈艳峰 ,张光昭 ,胡乐明 . Comp ac t热插拔技术研 究现状评述 J . 测控技术 , 2002 , ( 10 ) : 1 - 3.收稿日期 : 2006 203 216 2 3 4 5 参考文献 :作者简介 :朱振华 ( 1977 2 ) ,男 ,硕士 ,副经理 ,主要从事有线电视传输及数字电视系统工程技术工作 。光接收机端输出的射频信号指标差 ,主要表现为高频段多个频道存在黑色密条纹干扰 ,经测量主要是 CSO指标差造成的 。广电机房至金山机房的有线电视网络 采用 G. 652 单模光纤 , 1 550 nm 波长的模拟光传输系统 ,中间采用 3级掺铒光纤放大器 ( ED FA )中继 ,传输距离近 150 km ,这是东方有线网络首个采用模拟光传 输方式建设的长度超过 140 km 的有线电视光传输网 。 而广电机房至崇明机房的有线电视网络采用两级 ED 2FA 中继 ,传输距离近 130 km (如图 1 ) 。以前未曾碰到 只经过光链路传输就引起高频段频道 CSO 指标不合 格的现象 ,经过调整光端机指标 、采用色散补偿器等多 次实验测试 ,证实了主要是光纤的色散特性影响广电 机房至金山机房 、崇明机房的有线电视信号传输质量 。图 2 光的群速度及群速度色散实际上 ,对于同样的传输长度 L ,不同频率成分的时延是不同的 。若时延相对于频率的变化率为 dTd2dT = dLd 则= Ldd g2d因此 , 若光源的谱宽为 , 则光脉冲的展宽为 :2T = L d = DLd2式中 D 为色散系数 :2= - ( 2c /2 ) dDd2 22 d +21d图 1 广电机房至金山机房环网和广电机房至崇明机房超干线有线电视光纤网络中产生非线性失真主要是光纤 的色散引起的 ,光纤的色散特性对光信号传输产生很 大的影响 ,在数字传输中会产生误码 ,从而限制了传输 速率 ;在模拟传输中限制信号传输频带宽度 。在有线 电视 传 输 中 , 光 纤 色 散 特 性 主 要 影 响 复 合 二 阶 失 真 ( CSO )指标 。2 光纤的色散特性光在光纤中传输时 ,由于其频率不是单一频率 ,工 作模式不是单一工作模式 ,故传输速度略有差别 ,这种速度的差别称为色散 。对于普通单模 G. 652 光纤 ,在1 550 nm 处色散值为正 ,光波在色散介质中不同频率 分量有不同的群速率 ,这样经过一定距离传输后 ,脉冲就被展宽了 。若调制波是数字式脉冲 ,解调后信号的 宽度会扩展 ,就会产生误码 ,制约了传输速率的提高 ; 当调制波形是模拟信号 ,经长距离传输后在光纤的输出端形成不同延迟的包络分量的叠加 ,表现为光波的 包络失真 ,通过光探测器检波后主要表现为电信号的 二阶失真 ,使 CSO 指标劣化 。这些现象称为光纤的色 散特性 。光的群速度及群速度色散如图 2所示 。 具体分析如下 :假设光的基本传播方程为 : ej t - z= -dd22c2 1 dng n2d (b)=-cd( p s / km nm )cd2d2n(b)21 dng等式中 ,cd为材料色散 ,为波导色散 。cd2光纤产生色散有 3 大成因 : 材料色散 、波导色散 、模间色散 。材料色散也称为折射率色散 ,光纤中光的传播速 度与纤心折射率有关 ,而纤心的折射率又随波长而变 化 。另外 ,光源发出的光不是单一的波长 ,都具有一定 的谱宽 ,在这个宽度范围内 ,折射率不同导致不同波长的光信号的群速度参差不齐而产生群时延差 ,形成材 料色散 。介质材料中束缚电子的简谐振动所引起的折 射率随波长变化由 Se llm e ie r方程描述 :2 Bp2ni- 1 = i = 12- 2i波导色散也称结构色散 ,由于光纤的各个模式的群速度随着波长而变化 ,形成在信号波长范围内的群 时延差而产生的结构色散 。结构取决于波导结构 (光纤的直径 ) 、波长 、折射率 、相对折射率差等 。 模间色散是由各传导模式的传播常数不一样而引起的 ,是多模光纤中产生光纤色散最大的成因 。在光 纤制造 、成缆和敷设 (架设 ) 等过程中 ,不可避免地存在非圆对称结构或应力 (如纤心椭圆度和内部残余应 力等 ) ,使两个偏振模的传输常数不同 ,导致时间延迟d则群速度为 :g = d中国有线电视 2006年第 09 /10期朱振华 :色散对有线电视光纤传输的影响差 ,这种因素引起的色散称为偏振模色散 ( PMD ) 。由于这些因素本身具有随机性 ,因而 PMD 沿光纤的大小 分布也具有一定的随机性 。一般情况下 ,注入到光纤的功率按一定比例分配到两个偏振模上 ,即使完全注入到某一个偏振模上 ,也会由于模式耦合 ,光功率在两 个模式之间相互交换 ,因此 , PMD 是不可避免的 。3 色散对有线电视光纤传输的影响经上面的讨论我们知道 ,光纤的色散特性 ,其实质 是因传输波长的不同使光的群速度 (调制信号的传输速度 )产生变化的现象 。现以单一波长的调制为例加 以简单说明 ,如图 3 所示的单一正弦波进行简单调制 时 ,在光强度最低与最高两端之间 ,波长在这期间连续 变化 ,而各种不同波长的光在光纤中的群速度也各不相同 ,传输时间随波长而异 。若以平均强度为基准 ,最 高点与最低点的到达时间就会或迟或早 ,因此接收信 号的波长就会在时间方向上产生非线性失真 。从图 3的失真波形可知 ,其失真成分为二阶失真 ,它表示正弦 波的失真成分叠加了一个具有某种相位的二次谐波后 的波形 ,这就意味着多频道传输时产生了 CSO ,传输距 离越长这种失真就越大 。有频率啁啾的信号在 G. 652 单模光纤中传输时 ,受到光波导色散作用产生非线性失真 ,其二阶非线性失真 可表示为 :CSO d sp = 20 lg (D L ) + 10 lg (N CSO ) ( 1 )其中 : L 光纤的长度 ; D 色散系数 ;CSO 产生处的角频率大小 ; N CSO 产物数量多少 ;光信号的谱宽 。式 ( 1 )中的 20 lg (D L ) 项就是光纤色 散导致的 CSO 指标的劣化 , 其中 D L 是光链路的总 色散 , 该 项 表 明 如 果 信 号 的 频 率 越 高 (即 频 道 越 高 ) ,色散对指标的劣化就越大 ; 10 lg (N CSO )项就是光发射机本身产生的 CSO。在 1 550 nm 波长大功率超长距离光纤传输网络 中 ,光纤中的自相位调制现象不可忽略 ,它主要是由于 光纤的折射率是光信号的强度 的函 数引 起的 。它 与 G. 652 光 纤 的 色 散 结 合 在 一 起 , 又 通 过 相 位 强 度( PM - AM )转换过程 ,造成很大的二阶失真 ,使网络的CSO 指标劣化 。具体计算公式如下 :22 Po 12 2CSOSPM =m D k n2 z (L )2N CSO2cAeff( 2)其中 : m 1 550光发射机每个频道的调制度 ;k = 2 Pi /;n2 光纤的非线性系数 ;Po 入射进光纤的光功率大小 ;L 光纤的长度 ;CSO 产生处的角频率大小 ; N CSO 产物数量多少 ;D 色散系数 ;光信号波长 ; C 光速 ;Aeff 光纤的有效面积 。式 ( 2 )表明 SPM 导致的 CSO 劣化与光纤中的光 功率 Po 是成正比的 ,所以控制入纤光功率可以有效降 低 SPM 对 CSO 指标的劣化 。无任何色散补偿措施时的 CSO 指标劣化与传输 距离和频率的关系如图 4 所示 。图 4表示 ,分别传输 65 km , 115 km、155 km 3 种 距离时各个频率 (频道 )的 CSO 指标 (从 Z - 1到 D S -56频道 ) 。横坐标是频率 ,纵坐标是 CSO 指标 。从图图 3 光纤色散引起的非线性失真在 1 550 nm 波长大功率长距离光纤传输网络中 , 光发射机发射电视信号时要对光波进行强度调制 ,不 可避免地造成相位调制 ,常称为频率啁啾 ( Ch irp ) 。带中可以看出 :频率越高 , 传输距离越远 , CSO 指标越差 。( dBm ) ; N F 为噪声指数 (典型的 ED FA 噪声指数是 5.5 dB ) 。全部光链路的 CN R 可通过将发射机 、光放大 器和接收机相加得出 :-CN R to ta l = 10 lg 10+ 10t+ 10 -+ 10 -( 7 )公式 ( 3) 、( 4) 、( 5) 、( 6 ) 、( 7 )表明 ED FA 和 RX 的CN R 与其输入光功率 Pin成正比 ,这与公式 ( 2 )中 SPM 导致的 CSO 劣化与光纤中的光功率 Po 成正比关系相 互制约 。即通过降低前级 TX或 ED FA 输出光功率的方式 ,在改善 SPM 对 CSO 指标劣化的同时 ,却降低了后级ED FA 或 RX的 CN R 指标 ;也即系统输出 CSO 指标升高 的同时 , CN R 指标会有所降低 。在这种情况下 , CSO 和CN R 是相互制约的 , 需要在调试光链路时注意均衡 , 使 系统 CSO 和 CN R 指标均能达到要求 。广电机房至崇明机房的光链路使用了 SA P rism aII的光发射机 、ED FA 和光接收机 。设备调试初期 ,光 接收机输出信号的射频指标中 CSO 差于要求 , 而 CN R优于要求 。在保证 CN R 指标达到要求的前提下 ,通过降低 ED FA 输出光功率 (入纤光功率小于 14 dBm ) ,减 少 SPM 对 CSO 指标的劣化 ; 同时降低输入光发射机的 射频电平 , 改善光发射机本身产生的 CSO。通过上述方法 , 使得 CSO、CN R 指标都达到了 要求 。具体 测 试数据见表 1。表 1 调试前后 CN R、C SO 指标比较图 4 传输距离与 CSO 的关系4 长距离 1 550 nm 模拟光传输系统的设计要求由于光纤在 1 550 nm 波长窗口的色散特性 ,使有 线电视模拟光传输网络在设计时有一定的限制 。现以广电机房至金山环网链路中采用的 Mo to ro la GX II光 设备为例加以说明 。如果传输距离为 0 80 km: 最多 采用两级 ED FA 放大 ,并且 ED FA 输出后的入纤光功 率要求小于 16 dBm; 如果传输距离为 80 120 km: 只 允许有一个 ED FA 输出后的入纤功率最大至 16 dBm ,并且要求其位置尽量靠近光接收机 ; 如果传输距离为120140 km:需要使用受激布里渊散射 ( SB S)抑制激 光器 ,并且入纤光功率要求小于 14 dBm; 如果传输距 离大于 140 km:需要用光 电 光再生来解决长距离 传输的色散问题 ,或者使用色散补偿技术 ,这样才能保 证国标所规定的 CSO 等各项技术指标 。考虑到 SPM 对 CSO 指 标 的 劣 化 , 因 此 长 距 离 1550 nm 模拟光传输系统的设计要求对 TX和 ED FA 的 入纤光功 率 有 一 定 限 制 。而 光 链 路 中 TX 激 光 器 噪声 、ED FA 噪声 、RX 散粒噪声和 RX 热噪声对标的计算公式分别如下 :CN RR IN = 20 lg (m ) - 10 lg ( 2B ) - ( R IN )CN R 指( 3 )( 4 ) ( 5 ) ( 6 )= 86. 87 + 20 lg (m ) + Pin - N FCN RED FA广电 机 房至 金山 机房 的 环网 光 链 路 使 用 了 Mo2to ro la GX II的光发射机 、ED FA 和光接收机 。网络建成 后 ,经过多次光链路设备调试 , CSO 指标都无法达到要求 。由于其 链 路 传 输 距 离 大 于 140 km , 需 要 用 光 电 光再生来解决长距离传输的色散问题 ,或者使用 色散补偿技术 。CN R sho t = 85. 92 + 20 lg (m ) + Pin= 92. 53 + 20 lg (m ) + PinCN R the rm其中 m 为每个频道的调制指数 ; B 是噪声测量带宽 ;R IN 为激 光 器 产 生 的 相 对 强 度 噪 声 (典 型 的 激 光 器R IN 是 - 160 dB /H z) ; Pin为 ED FA 或 RX 输入光功率频道测试 电平( dBV )CN R (要求47 dB )CSO (要求61 dB )测试条件调试前调试后调试前调试后D S - 697. 252. 748. 758. 762. 6SB S = 17 dBm ,2 级 ED FA , 传 输 距 离 126 km , 65 个 PAL 模拟 频 道 和 19 个 64QAM 数字 频道 , - 2 dBm 接 收 光 功 率 , SA 光接收机Z - 2496. 752. 349. 358. 362. 8D S - 2196. 252. 848. 858. 862. 4Z - 4197. 351. 447. 457. 462. 1D S - 2598. 151. 348. 356. 361. 4D S - 2696. 952. 048. 056. 061. 6D S - 2897. 451. 547. 556. 161. 2CN R the rm10CN R sho10CN R ED FA10CN R R IN10中国有线电视 2006年第 09 /10期朱振华 :色散对有线电视光纤传输的影响5 现有的色散补偿技术色散补偿的技术方案比较多 ,但实际应用中主要采 用色散补偿光纤 、色散补偿光栅和电信号的预啁啾技术 。有线电视光传输系统可用色散补偿光纤 (DCF) ,它 是具有大负色散的光纤 ;而 G. 652 光纤在 1 550 nm 波 长的色散达到正的 17 p s / ( nm km ) ,并且具有正的色 散斜率 ,所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散 补偿光纤 ,进行色散补偿 ,以保证整条光纤线路的总色散近似为零 。色散补偿器在光纤 CA TV 传输系统中可 放置于光发射机与光放大器之间 、紧跟光放大器后 、光 放大器的输入端以及光接收机的输入端 。色散补偿器 的补偿量根据需要补偿的千米数而定 。由式 ( 1 ) 可 知 , 在增 加色 散 补 偿 器 时 : D = D + +D - , 应选取合适的色散补偿器使两者叠加后正好为零 色散 , 这样 CSO d sp = 10 lg (N CSO ) , 完全 消除 了色 散 对 CSO 指标 (即 CSO d sp )的影响 。由式 ( 2 ) 可 知 , 在增 加色 散 补 偿 器 时 : D = D + +D - , 应选取合适的色散补偿器使两者叠加后正好为零 色散 , 这样 CSO SPM为 0 ,完全消除了 SPM (自相位调制 )对 CSO 指标 (即 CSO SPM )的影响 。在广电机房至金山的光链路调试中 ,通过在松江 机房 ED FA 输出口串接 60 km 补偿量的色散补偿器 (DCM ) ,并调节光衰减器使输入金山机房 RX 的光功 率保持不变 ,在 RX输出口测得 CSO 指标有了明显改善 ,具体测试数据见表 2。从测试结果可以看出 ,增加色散补偿器后 CSO 指 标达到了要求 ( 61 dB ) 。6 结束语由于普通 G. 652 单模光纤存在很大的色散 ,色散 系 数 达 到 1 7 p s / ( nm km ) 。如 果 6 5 0MH zCA TV模表 2 色散补偿前后的 C SO 指标比较拟光传输系统传输距离达到 100 km 时 ,色散会造成系统的 CSO 指标很快劣化 ; 当系统传输距离达到 130 150 km 时 ,肉眼可以明显观察到 CSO 指标劣化形成的 电视屏幕上的网纹干扰 ,远远达不到国标所规定的技 术指标要求 ,因此需要用光 电 光再生来解决长距离传输的色散问题 ,或者使用色散补偿技术 。参考文献 : 1 R a jiv R am a swam i , Kum a r N Siva ra jan . 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