光工作站的结构及原理

光工作站的结构及原理光工作站的结构及原理 第四部分 光工作站的结构及原理 传统的 CATV 广播分配网 随 HFC 网络的改造 向通信式的双向交互网发展 光纤网络和无源电缆分配网将是 HFC 网络架构的主导模式 HFC 网络的目标就是成 为一个能为本地区 城市 提供多种信息业务服务的宽带多媒本通信平台 从目前的 HFC 网络发展态势看起具有明显的特点 光纤向用户逐步延伸 光接点的服务半径越 来越小 双向用户逐渐增多 RF 放大器的应用越来越少 光接点以后的网络可靠性 得到大幅度提高 随着用户对服务质量要求的提高 光接点最终将是无源分配网络 即不采用 RF 放大器 只由光接收设备提供高电平信号 覆盖结点周围用户 普通的 光接收机将无法再胜任作为光接点接收设备的高要求 为适应这一发展 解决双向用 户共享带宽的制约 提高网络服务质量 可升级的通信型光站应运而生 其将是宽带 HFC 用户接入网的主导设备 各个生产厂家推出的光工作站的具体结构及功能并不一致 作为光工作站其与 光接收机有明显的区别 1 按功能结构区分 光工作站一般具有多于 4 个独立的高 电平输出端口 每端输出电平一般要求大于 110dB 以适应直接用于用户分配 增加 覆盖的要求 而光接收机的输出电平一般不高 既使是高电平输出光接收机 其最大 输出也一般低于 108dB 光工作站具有完备的功能模块 或预留插口 而光接收机 由于采用小外壳 功能模块单元相对很小 主要功能仅是实现光电转换 即使有回传 发射模块 也相当简单 无法适应未来双向光接点的较高要求 2 按可靠性区分 光工作站一般都采用高冗余度 通常都对关键的功能模块实现备份 常见的功能备份 有如下几种 a 电源备份 通常光工作站可插入两个高效开关电源 在一个电源出 现故障时 内部控制单元可自动切换到另一个电源 b 光备份 光备份有光接收备 份 光发射备份 光接收备份 光工作站可插入 2 个以上的光接收功能模块 分别接 收不同路由的光信号 当一路出现故障时 控制单元将及时切换到另一路 光发射备 份 光工作站可插入 2 个以上的回传发射模块 组成回传模块热备份 光接收机一般 结构简单 不采用模块插接结构 更谈不上功能备份 其可靠性相对较低 3 按网 络应用区分 a 普通光接收机主要用于光接点的主干线传输 作为光接点的前端使 用 用户覆盖主要由 RF 放大器延伸的电缆网完成 故系统指标分配一般为 前端 0 1 光缆 0 4 电缆 0 5 光缆部分的指标一般为 C N 49 dB CTB 65dB OSO 50dB 因而在工程应用中光接收机一般采用低光功率输入 通常为 2dBm 或更低 这样既能保证 C N 指标 又能降低工程成本 由于光接收机 输出电平相对较低 失真指标得到较好的改善 其后续干线传输可以级联更多的放大 器 增加光接点覆盖范围 b 光工作站主要用于直接覆盖用户 因而电缆部分不需要 分配指标 故系统指标分配一般为前端 0 1 光缆 0 7 用户端接收设备 0 2 光缆部分的指标为 C N 45 6dB CTB 56dB CSO 56dB 也就是说光工 作站可以通过提高输出电平来增加覆盖 因而在工程应用中 光工作站都实行高光功 率输入 一般为 0 1dBm 之间 与一般的光接收机相比 其 RF 输出电平可增加 7 8dBuv 一个端口的输出电平理论上相当于 3 台一般光接收机的覆盖能力 此处的 一般光接收机是指输出电平较低 100dBuv 直接覆盖用户的情况 从上面的比较可 以看出 光工作站一般采用超大铸铝外壳 功能完备 采用模块化插接结构 提供高 可靠的冗余备份 成本较高 价格不菲 光工作站的结构 早期的光工作站一般为国外公司设计生产 近几年来国内的一些厂家通过消化 吸收进口光工作站 纷纷推出了自主知识产权的光工作站 由于受外壳铸模的限制 几乎清一色采用一种铸铝外壳 在产品特色上大打折扣 由于结构单一 各功能模块 的配置也差不多 下图为最常见的光工作站的结构 该光工作站采用电源模块 下行光接收模块 上行光发射模块双备份结构 同时 省掉了自动增益控制单元电路 其信号流程如下 下行光接收模块将入射的主通道光 功率转换成电信号 经过低噪声放大后进入主备匹配电路 经阻抗匹配的电信号进入 前置放大单元电路 该电路包含一到二级放大模块 另设有检测单元及增益 均衡控 制 控制四个端口的输出参数 经过前置放大的信号经过一四分配器分成回路 每 路都设有增益 均衡及频响校正单元电路 最后经高线性功率倍增放大模块放大 经 双向滤波器滤波独立输出 每个端口都是独立功率倍增放大 每路回传信号由双向滤 波器滤出 经过增益 均衡单元的调整后四路混合 同时如果本地有 RF 及数据信号 也可与之混合 混合的回传信号经过功率放大后分成 2 路 分别也入主备回传发射单 元模块 1 下行主 备光通道切换 以提高 HFC 网络的可靠性 下行通道设置一 主一备光接收模块 当主通道出现故障时 切换开关将接通备用光接收模块 则备用 通道正常输出 当主通道恢复正常时 便自动倒换回去 2 上行光通道切换 其可 完成上行主 备切换 通常有两种方案可供选择 一是在光工作站内设置两个上行光 发射模块和切换开关及控制电路 这种方案需要前端网管设备和光工作站内的应答器 来完成控制 如果不能实现自动控制 可以用手动控制切换 由于国内 CATV 网管标 准还没有出台 因而采用这种方案的光工作站 也只有实现手动切换解决主备转换 第二种方案是在光工作站内只设置 2 个上行光发射模块 由前端光接收机和切换开关 进行控制 采用这种方案 无需增加网管便能保证在主通道发生故障后 由前端完成 切换到备用通道 3 电源备份 电源备份是指采用 2 只高效开关电源 正常情况下 整机由主电源供电 一旦主电源出现故障 则控制单元将启用备用电源给整机供电 同时隔离主电源 上述所有的主备单元模块可以实现热插拔 一般人都认为 AGC 控制是光工作站档次的象征 光工作站应该具有 AGC 控制 电路 以确保光工作站各端口输出电平的稳定 实际上如果在光工作站中设置 AGC 电路 则导频信号及正常电视信号与由变阻二极管 电阻网络组成的电调衰减器 将 引入新的非线性失真 实验测试表明 采用 AGC 回路后 载波组合二次差拍比 C CSO 劣化 1 2 dBuv C CTB 劣化 2 3 dBuv 由于光工作站是高电平输出 失真指 标的裕量留得并不多 如果加 AGC 电路 非线性失真将加大 在干线放大器中采用 AGC 电路是因为放大器的输出电平较低 非线性指标较高 相对于 AGC 的功能效应 由 AGC 造成的非线性失真对放大器的影响可以忽略不计 另外此处所举光工作站没 有网管单元 只留有网管接口 只是各关键工作参数的汇集接口 通常网管单元检测 的工作参数是 下行入射光功率 上行发射光功率 各工作电压 各端口的输出电平 等关键参数 而网管的控制参数可以有 切换上行发射模块 在整机自动切换困难时 由前端控制切换下行光接收模块及电源等 相对来说控制功能比检测功能复杂的多 绝大多数光工作站只有检测功能便可以 如果有确定的网管标准 只须插入网管应答 模块 即可实现网管控制功能 二 光工作站各功能模块的原理 前面已对光接收机作了详尽的讲述 光工作站如果去掉模块备份功能 其原理和 光接收机是一样的 无论是各功能组件的功能 调节还是整机的调试也是相类似的 1 下行光接收单元 下行光接收单元实现光电转换及射频放大 该单元电路一 般包括 PIN 光探测器 低噪声前置放大器 光功率显示功能电路 主 备光接收模块 切换功能电路等几部分 PIN 光探测器是光工作站的核心 不同档次的光工作站采用 的光接收模块是不一样的 高档的光工作站一般都采用进口集成一体化光接收模块 中档的机型通常都采用国产一体化组件 而经济型光站一般都采用分离组件 即 PIN 管 匹配电路 光功率指示在光接收单元中是比较重要的功能电路 现行的产 品受整机空间的制约 一般都采用 5 7 只发光二极管分档指示光功率 用数码管或 液晶指示的产品并不多见 主接收模块单元与备用接收单元应该是完全一样的 也有 的产品主接收模块采用高档进口组件 而备用接收模块采用分离组件 以降低成本 因为绝大部分时间里是主接收模块在工作 备用模块只是在有故障时短暂使用 由于 备用模块的时效性不高 通常也不加光功率指示电路 主备控制切换单元电路在主链 路出现故障时主备切换 其控制原理并不复杂 最常见的控制信号生成框图如下 光功率检测单元生成的光功率指示电压与切换基准中压比较并放大 生成控制 信号 基准电压的设定与光功率的判断标准有关 如果光功率设定在 8DBM 以下时 为无光功率输入则基准电压就设置的比较低 如果光功率设定在 4dbm 以下时为无 信号状态则基准电压就设置的比较高 总得说来基准电压的设置跟随光功率有无的判 定值的变化而变化 不同厂家的产品并不一致 由前级电路生成的小电流驱动控制信 号再经过驱动放大 最后到达切换控制器件 该器件一般都采用高精度继电器来充当 整个切换控制电路是根据光功率的有无判断 从而连动控制光接收模块的工作电压 实现切换 在正常情况下 主接收模块有光功率输入 则切换控制电路就通过继电器 接通主接收模块的电源 如果主接收模块没有光功率输入 则切换控制电路将没有控 制信号输出 继电器不吸合从而连通备用接收模块的电源 使之工作 匹配混合电路 实现主 备光接收模块通路的混合及阻抗匹配 正常情况下 主接收模块工作 其线 路传输阻抗将不受备用接收模块的影响 反过来 当备用接收模块工作时也不会受到 主接收模块的阻抗影响 下行光接收单元对光工作站整机的载噪比影响较大 要提高 整机的载噪比 首先应选择响应度高的光电探测器 由于光工作站的入射光功率较大 系统的载噪比主要受限于激光器的相对强度噪声 对于接收设备 只要适当降低量子 噪声和热噪声 便可满足 C N 的要求 高档光工作站都采用飞利浦公司的带有低噪声 前置放大器的光接收组件 它集高响应度的 PIN 光探测器和越低噪声 宽动态推挽放 大器于一体 其具有极低的噪声系数 对提高整机的载噪比有极大帮助 从模块化设 计的角度考虑 通常光接收模块 低噪声前置放大器 光功率显示集成到一个插件中 也就是说此处共有两个插件 主备插件 主备切换控制及匹配混合电路是光工作站 RF 主板上的内容 2 前置放大单元电路 该部分电路是从匹配混合电路的输出开始直到四路分配 器件终止 其基本功能是实现信号的低噪声 低失真宽带放大 该电路对光工作站整 机的载噪比 失真指标影响较大 依不同的整机指标要求 对该单元放大模块的选择 有多种组合模式 当要求光工作站端口的输出电平大于 110DBM 时 通常是采用上 图所示的两级放大模块级联 通常前级模块采用 BGY785AD 后级采用普通的推挽放 大模块 只所以采用这种配置是因为前置放大的噪声对 C N 影响较大 实验测试表明 达林顿型推挽模块 BGY785AD 比普通推挽模块 BGY785A 的 CTB CSO 指标改 善 4 5db 如果对光工作站的指标有更高的要求 该两级模块可考虑采用砷化镓工 艺放大模块 以保证有更高的 C N 及失真指标 如果光工作站要求的输出电平相对较 低 如大于 104DBUV 该单元电路只采用一只放大模块即可 该单元电路属于光工 作站基板上的内容 除了放大模块还通常都配置 1 到 2 个检测端口 及增益调节 均 衡调节 频响校正等附属电路 检测端口的设置无论对整机生产过程中的组装高度还 是应用过程中的维护都有重要的意义 在工程应用中 此检测端口在不用时最好用负 载匹配 以防在光工作站在高增益工作状态下引起自激振荡 均衡器 增益衰减器基 本上都采用插件结构 在光工作站中不止一处设有增益 均衡调节 采用固定值插件 对整机调试有好处 可以精确的控制各端口的输出电平 同时采用固定插件也便于系 统升级时更换更高级的插件 通常光工作站的基板平台都设计在 1HZ 通过转换放大 模块及功能调节插件可实现在线带宽升级 频响校正是光工作站的关键电路 由于光 工作站采用模块插件结构 走线相对繁杂 阻抗匹配不好控制 从而导致整机的平坦 度略差 如果没有频响校正 平坦度指标将很差 通过频响校正器的阻抗调整及平坦 度调节 可保证光工作站的平坦度在国标以内 相对于光接收机中的频响校正而言 该电路通常有 6 8 个可调频段 3 输出端口功率驱动单元电路 该单元电路是指从四路分配器始 至各端口输 出止 该单元电路包含四个端口处理通道 相当于四台单模块放大器 经前置放大单 元的信号进入一四分配器 分成平衡的四路输出 每路输出是相对独立的 RF 通道 其一般包含增益调节 均衡调节 频响校正 功率放大 双向滤波器 或预留 端 口检测等单元电路 增益调节 均衡调节实现本端口输出电平的增益 均衡灵活调整 也有的光工作站只有前置放大单元中的增益 均衡调节器件 此处不再单独设置 由 于光工作站后面的分配网相对较复杂 如果个别端口要求后面再级联放大器构成小范 围的同轴分配网 有无增益 均衡调节将对指标有较大影响 此处设有增益 均衡调 节可以灵活控制本端口的输出电平 降低本端口的输出电平并使其倾斜输出 可改善 失真指标 利于本端口级联放大器 增益调节 均衡调节一般都采用固定插件式 采 用固定插件除了接触稳定性 要求为镀金插针 插孔 需要注意以外 总的说来其调 节稳定性相当高 另外还起到提升整机工艺造型的作用 此处的频响校正器可以实现 每个端口的灵活调整 只有前面一级频响校正将无法兼顾四个端口的平坦度 其构成 原理相对比较简单 只有 2 3 个频段的调整范围 功率放大模块实现对 RF 信号的 低失真 高电平趋动 在高电平输出情况下 该模块的指标对整机失真指标贡献最大 因而此处的放大模块全都采用功率倍增放大模块 使用功率倍增模块可比普通模块 CTB CSO 指标分别改善 3 4 dBuv 对于高档的光工作站一般都选用价格较高的砷 化镓 硅功率倍增模块 可有效的降低噪声和失真 并减少整机功耗 在实际工程应 用中应视不同的性能要求选型配置 同时在整机的装配 调试时应兼顾四端口的输出 电平 C CTB C CSO 指标 控制好各级放大模块的最佳输入电平 才能保证整机 的 CSO CTB 指标 双向滤波器是光工作站中较关键的器件 其指标对光工作站的 影响较大 一个好的双向滤波器不仅要有良好的平坦度 反射损耗指标 还要有极小 的插损 不同厂家的产品 双向滤波器的插损有较大差异 如果插损过大 将浪费光 接收机的增益 为了实现对四个端口输出信号的检测 每个端口都设有 20 dBuv 检 测端口 可实现对各端口的在线检测 4 回传通道结构 回传通道对于光工作站来说 其重要性不亚于正向通道 各个输 出端口双向滤波器的低通滤波输出信号经过增益调节与均衡调节插件 汇集到四路混 合器 经过高隔离度混合构成一路回传信号 同时本地的专用 RF 数据信号也可通 过专用端口输入 经过输入匹配 增益调节单元与回传信号合成一路 该信号进入 5 200MHZ 的低噪声放大模块进行功率放大 经功率放大的回传信号经一二分配器 分成 2 路 送入二只光发射模块进行回传发射 光发射模块内一般都包含一个 5 200Mhz 低增益的放大模块 回传光发射模块的 RF 驱动电平应根据工程实际情 况进行调试 目前光发射模块所采用的回传激光器主要有两种 一种是法布里 珀罗 激光器 FP LD 其单模输出功率约 1 2mW 用于传输 2 路调幅 TV 信号 2 4 路 数据回传信号系统 另一种是 DFB 激光器 其噪声和失真比 FP LD 低 其致冷型 的单模输出功率可达 16 24MW 传输频道数较多 传输距离较远 不致冷型的单模 输出功率约 2 4mw 在回传应用中一般都采用不致冷型 在实际工程应用选型中可 根据传输距离长短 传输频道数的多少和性能质量要求选择相应的激光器 另外回传 插件应用还需选择频率分割范围 目前常用的频率分割有以下几种 5 42 53 750 860 MHZ 5 35 47 750 860 MHZ 5 65 87 750 860 MHZ 45 750 860 M