CATV光纤网络设计培训教材

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 L 101og Kj A 附 A 活 A 余 其中 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 1 Li 100 1 Li i 1 n A 10lg 100 1 Li 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 1 Li 100 1 Li i 1 n 100 1 Li 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 100 1 Li 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 L 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 h 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 h PIN PIN 是 EDFA 的输入光功率 h 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 75mm 0 1dB 0 05Db 0 05dB 光纤弯曲 1 圈 32mm 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 6 m 8 4 0 6 m 8 4 0 6 m 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 RINFM AM L RINN CNR 201og m 69 2 101og RINN 101og 1 101og 1 2q Pr ith2 Pr2 RINN 1 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 RINFM AM L RINN 1 68 10 15 9 2 10 16 1 83 CNR 201og m 69 2 101og RINN 101og 1 101og 1 2q Pr ith2 Pr2 RINN 1 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 105dB V 或 GaAs 120 dB V 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 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 75 Vn 4kTRB 0 5 2 2 V NTS 2 49 V PAL B G 2 73 V 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 36 V 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