EPON_CATV网络中光接收机的电路分析与选型要求

1、有线电视技术EPON+CATV网络中光接收机的电路分析与选型要求 设备器件1前 言近年来 EPON 技术已成为电信运营商的接入网 技术标准 , 其主要有组网结构简单 、 带宽容量大 、 支持 多业务以及运行稳定等特点 。 在这种趋势下 , 各地广 电网络公司都把 EPON 作为新的双向网络技术 , 来建 设一张 EPON+CATV双向网络 。 当前应用在 EPON+ CATV 网络中主流的光接收机的电路结构如何 、 有何 特点 , 并如何去选用是我们最关心的问题 , 也是本文 的重点 。2EPON+CATV网络中光节点的变化EPON+CATV网络与现行双向 HFC 网络相比 , 光 节点主要有

2、以下三方面的变化 。2.1光节点的信号传输功能由双向变成单向双向 HFC 网络中的光工作站实现了正反向信号 的光电转换和频分复用的功能 , 而采用 EPON 技术组 网的 CATV 网络只传输了正向有线电视信号 , 网络的 双向功能是通过 EPON 网络来实现 , 使得光节点的信 号传输功能由双向变成单向 , 设备由双向光工作站变 成单向光接收机 。2.2光节点覆盖范围变小 , 其单位密度增加现行的双向 HFC 网络设计规范要求每个光工作 站覆盖用户数不超过 500户 , 一般都在 200400户之 间 。 对光工作站附近的区域直接无源分配 , 离光工作 站 距 离 较 远 区 域 用 一 级

3、 双 向 放 大 器 进 行 覆 盖 , 而 EPON+CATV网络 , 光接收机基本到楼幢 (FTTB 或者 到二三幢楼了 , 覆盖的用户数一般都在 120户左右 , 使 得 光 节 点 的 覆 盖 范 围 比 双 向 HFC 网 络 明 显 缩 小 了 。显而易见 , 光节点覆盖的范围缩小了 , 覆盖同样 的用户数 , 需要的光节点数量就多了 , 其单位密度就 增加了 。2.3光节点的接收光功率可适当降低光节点覆盖范围的缩小 , 实现了信号的无源分 配 , 系统指标只由前端和光网络两部分组成 , 取消了 有源电缆网络的指标 , 这就使我们在保持系统 C /N 指标有一定富裕度的前提下 ,

4、可适当降低系统 C /N 指标中对光网络系统的指标要求 , 也就是可适当降低 光接收机的接收光功率 。 光接收机的接收光功率的降 低 , 减少对光发射功率的需求量 , 从而降低分前端内 光传输平台的建设成本 。3光接收机的典型电路分析3.1整机电路3.1.1设计理念目前市场上应用在 EPON+CATV网络中主流的 光接收机的设计理念主要有三个 :(1 符合现行技术标准 , 降低设备的成本 。 主要从 关键器件的选用入手 , 尽量减少使用集成度高 、 可靠 性高的模块 , 多选用了砷化镓 InGaAs 技术的分立元 件与微波集成电路 。(2 整机低功耗设计 , 降低网络运行后的电能消 耗 。 通

5、过减少高功耗模块使用量和应用开关电源电屠 川 董立波 中广有线绍兴分公司摘要 :本文首先比较了 EPON+CATV网络与双向 HFC 网络中光节点的变化内容 , 而后从整机电路和单元电路两 个方面详细分析了光接收机内部电路结构 , 最后提出了光接收机的各种功能的适应范围和具体的选型要求 。关键词 :光接收机 电路结构 PIN 光电管 光功率指示 光 AGC 类网管应答器有线电视技术 路 , 能大幅度降低整机的功耗 , 提高电源的转换效率 。(3 丰富的功能满足不同的网络需求 , 光 AGC 、 光 功率指示和网管等都是今后网络运行维护工作中十 分有用的功能 。3.1.2电路分析典型光接收机的电

6、路结构见图 1。 光接收机的输入光信号经 PIN 光电管光电转换后经阻抗匹配网络 输出射频信号 , 输出信号经多级微波放大集成电路进 行级间放大 , 最后至输出级砷化镓功率倍增模块进行 功率放大 , 放大后的信号经二分配实现双端口输出 。光接收机中对输出信号的控制和调节是通过级 间的光 AGC 单元电路 、 固定插件式的衰减器和均衡 器来实现的 。 电源模块为整机提供各种不同要求的直 流电压 。 其他功能电路包括 II 类网管应答器 、 光功率 指示电路和有源 EoC 信号混入电路等 。3.2单元电路3.2.1PIN 光电管光接收单元光接收机中的光电转换部分使用由 PIN 光电管组成的光接收单

7、元 , 具体电路结构见图 2。 PIN 光电管工作在反向偏置状态下 , 输出电流 Ir 随输入光功率的 变化而变化 , 其输出两路信号 , 一路是反映被调制射 频信号的瞬时电流 , 其经阻抗匹配网络后输出射频信 号 Vo , 另一路是反映光功率大小的平均电流 , 其经运 算放大器 I /V 转换后变成光功率对应电压 , 作为光功 率指示电路和光 AGC 电路的输入信号 。在光接收机中应用的 PIN 光电管作为关键器件 , 要求线性好 、 暗电流小 , 才能确保整机的性能指标 。3.2.2光功率指示电路光功率指示电路分两种 , 一种是 LED 指示 , 另一种是数码管显示 , 其单元电路结构分别

8、见图 3和图4。 前者是把光功率对应电压经放大后 , 同时输入多路电压比较器 , 每个电压比较器的基准电压代表一种光 功率下的对应电压 , 接收光功率大于某个对应电压基 准值时 , 电压比较器输出高电平 , 点亮相应的 LED , 而 低于对应电压基准值时 , 其输出低电平 , 对应的 LED 不发光 。 而后者增加了带 A /D 转换功能的单片机及 数码管显示驱动电路 , 把转换后的 mW 数值经对数计 图 3LED指示单元电路结构图设备器件图 1典型整机电路结构图 2PIN光电管光接收单元电路结构图有线电视技术设备器件 算后变成 dBm 数值 , 并驱动数码管让其在开盖时进 行显示 。3.

9、2.3光 AGC 电路光 AGC 功能是指光接收机的整机增益受接收到的光功率控制 , 在光功率控制范围内不管其如何变 化 , 都能保持输出电平基本不变 。 因为接收到的光功 率 dBm 与输出电平 dB V 按 12的关系变化 , 在正常 范围内光功率增加 1dB , 输出电平则增加 2dB 。 光AGC 的原理就是在光功率的变化同时 , 使可控调衰减器的衰减值同步变化 , 光功率减少 1dB , 使可控衰 减器的衰减值减少 2dB , 从而保证其输出电平的稳 定 。 光 AGC 可控制的范围越大 , 级间放大的增益也就 越大 , 这样才能补偿光功率减少带来的输出信号变小 的问题 , 具体的电

10、路结构见图 5。 常见的可控衰减器有两种 , 一种是模拟电压控制 的电调衰减器 , 另一种是数控衰减器 , 通过输入衰减 量参数来控制其衰减值的大小 , 其控制精度比较高 。3.2.4II 类网管应答器在 EPON+CATV网络中的光接收机使用的网管 单元都是 II 类网管应答器 , 具体电路结构见图 6。 通过把网管应答器连接至专用的状态监测接口 , 并给其 配置一个专用的 IP 地址 , 使得应答器能通过 EPON 网络中的网管 VLAN , 把光接收机的各种运行参数实 时传输至网管服务器 , 可配合相应的网管软件实现对 状态数据的采集 、 判断 、 分析和统计功能 , 并能以图表方式进行

11、显示 。应答器内的典型芯片是集成以太网口带 A /D 功 能的 8位单片机 。 光接收机内各种传感器输出的各种运行参数 , 包括温度 、 电压 、 电流 、 接收光功率以及输 出射频功率等统一转换成电压信号输入单片机 A /D 转换接口 , 并经 A /D 转换变成数字信号 ; 而开关量信 号直接由单片机的 I /O 引脚输入 。 单片机把上述各种 数 字 化 的 状 态 信 号 按 国 标 网 管 MIB 库 要 求 封 装 成SNMP 数据包 , 经以太网口发送至网管服务器 。4选型的要求4.1性能指标的要求 4.1.1最低接收光功率光功率的降低直接关系到整个网络系统的 C /N ,而光链

12、路的 C /N 决定着整个系统的 C /N , QAM 数字 信号的功率因子比较大 , 驱动激光器的平均功率要求 比模拟信号的峰值功率低 610dB, 这就意味着作为 数字信号的关键指标 C /N 比传输模拟信号时的标称 值低相应的数值 。 目前传输的 64QAM 数字信号要求C /N 不低于 31dB , 将来传输 256QAM 信号对 C /N 的 要求比 64QAM 更高 , 综合考虑其他的非线性指标 , 建议 C /N 要求达到模拟信号的国标值 。 一些厂家的说 明书中声称其生产的光接收机在最低 -7dBm 接收光 功率时正常工作 , 但牺牲的是系统的 C /N 指标 , 为了 使 C

13、 /N 指标留有富裕量 , 同时使网络运行更加稳定 , 建议接收光功率不低于 -5dBm 。我 们 对 1310nm 二 级 光 网 络 和 1550nm 光 网 络 在 -5dBm 接收时的 C /N 指标进行了计算 , 结果表明 系统 C /N 能达到要求 , 具体 C /N 指标分配见表 1(单 位 :dBc 。4.1.2每端口的最大输出电平每端口的最大输出电平是由两个条件决定的 , 一是整个光接收机的增益 , 二是输出级的非线性指标 。 在要求的最低接收光功率条件下 , 整机的射频增益过 低 , 使输出电平达不到要求 , 也就是无源可覆盖的用图 4数码管指示单元电路结构图图 5光 AG

14、C电路结构图图 6II类网管应答器电路结构图有线电视技术户减少 ; 而输出级的电平过高 , 使非线性指标 CSO 与 CTB 劣化严重 , 会影响数字信号的 MER 和 BER 。 输 出级选用砷化镓功率倍增放大模块可提高非线性指 标 , 在保持相同的指标要求下 , 可输出更高的电平 。 4.2各种功能的适用范围和选型要求4.2.1光 AGC 功能光 AGC 功能可确保在可控范围内 , 接收光功率 变化的情况下 , 使光接收机的输出电平基本不变 , 这 就可大大减少我们对光接收机的周期性检测维护工 作量 , 而且可使我们的网络运行得更稳定 。但光 AGC 不像射频 AGC 直接由射频信号进行

15、控制 , 它是间接地通过光功率变化来调节级间的衰减 量 , 从而控制整机的射频增益 。 在 1550nm 系统中 , 只 有一台外调制光发射机 , 统一的光调制度 , 这就决定 着光接收机的输出信号只与接收的光功率有关 , 就能 使光 AGC 功能在 1550nm 系统中很好地工作 。 对于二 级 1310nm 系统 , 这需要统一品牌和规格的二级光发 射机 , 使它们有相同的射频驱动信号和光调制度 , 这 样才能使光 AGC 发挥作用 , 达不到此要求 , 建议暂时 不考虑光 AGC 功能 。4.2.2II 类网管应答器实现网管功能对光接收机的网管需求其实比光工作站要求低 , 一是光节点的功

16、能单一化 , 只传输单向正向信号没有 了反向信号 , 二是覆盖范围小出问题影响范围也小 。 但对重要的集团用户如机关 、 饭店和宾馆等地方 , 有 很大的应用价值 , 我们可通过网管应答器实时掌控光 接收机的运行状态 , 出现问题能及时报警 , 并能迅速 派维修人员进行处置 , 能大大缩短集团用户故障恢复 时间 。II 类网管应答器取消了射频调制和解调电路 , 其 成本比 I 类网管应答器大大降低 , 而运行更为稳定 。 II 类网管应答器需要专用的以太网接口 , 这就要求我们 在 EPON+CATV网络设计规划时 , 最好能使光接收机 与 ONU 安装在同一个 保 护 箱 体 内 或 管 线

17、 距 离 比 较 近 , 便于其连接 ONU 的以太网口 。4.2.3有源 EoC 信号的混入功能有源 EoC 信号的混入功能是通过双工滤波器来 实现 , 目前主流的四种有源 EoC 技术中 HomePNA 和 HomePlug 走 40MHz 以 下 的 低 端 , 而 WiFi 降 频 和 MoCA 走 860MHz 以上的高端 , 需要根据具体的应用 技术来定制双工滤波器 。而 目 前 主 流 的 有 源 EoC 设 备 都 自 带 了 多 口 的 CATV 信号混入功能 , 无需再使用混合器 , 这个功能 一般不予考虑 。4.2.4整机的使用环境分立元件与微波放大集成电路对工作环境要求

18、 较高 , 特别是高温很容易使其性能恶化 , 其信号过载 能力 、 耐高温能力和性能指标没有整体放大模块好 。 这就要求此类光接收机最好工作在接入机房室内或 楼道内 , 如安装在室外要求做到通风散热条件良好 , 避免夏季高温的烘烤 。4.2.5输出端口的选择我们明确了每端口输出的最大电平 , 无源覆盖的 用户数和用户终端电平这三个前提条件 , 就可以来选 择光接收机的输出端口数 。 经计算 , 106dB V 的端口 输出电平 , 要求终端电平 72dB V 左右 , 对于规则的 多层公寓或高层公寓能无源覆盖用户 60户左右 , 二 端口输出就能覆盖 120户左右 , 能满足光接收机覆盖 范围

19、的规划要求 。4.2.6光功率指示功能的选用我们平时在维修过程中 , 经常会碰到需要用光功 率计来判断输入光功率是否正常 , 此时光接收机中的 光功率指示功能是非常实用和有效的 。 通过它 , 就能 不带光功率计也能方便地判断接收光功率是否有问 题 。 LED 指示方式 , 成本略低 , 但精度不高 ; 而数码管 显示方式 , 精度好 , 但成本略高 。 两种方式各有所长 , 可根据实际的要求进行合理选用 。4.2.7设备的外形尺寸在新建的住宅小区中 , 以楼道内或井道内箱体安 装方式居多 , 特别是嵌入式箱体又不能做得很大 , 这 就对光接收机的外形尺寸提出了新要求 :外形尺寸紧 凑 , 便

20、于箱体内安装固定 , 同时又要散热效果良好 。 我 们在选型时 , 需要注意这方面的要求 , 免得影响今后 的安装和维护工作 。4.2.8供电方式与避雷接地EPON+CATV网络中的光接收机以无源分配方 (下转第 98页 设备器件光网络类型C /N国标值计算值前端指标一级光链路 二级光链路 三级 EDFA 光网络1310nm43 45.55652471550nm 44.745表 1C /N 指标分配表(1 1310nm 系统中一级光链路中光接收功率 :0dBm, 二级链路中 接收功率 :-5dBm 。(2 1550nm 系统中各 EDFA 输 入 光 功 率 为 +5dBm, 光 接 收 机

21、接 收功率 :-5dBm , 其中三级 EDFA 分别为中心机房一级光放大 , 分前 端一级光前置放大和一级光直接覆盖 。有线电视技术 (上接第 92页 式覆盖用户 , 其供电方式就可直接选用 AC220V 市电 供电 , 可取消 AC60V 集中供电的供电器 , 降低网络建 设成本 。 但在市电供电中需要考虑避雷与接地的问 题 , 为保证今后的稳定运行 , 每个光接收机必须要有 可靠的接地线 , 使光接收机外壳和电源线的地线接地 良好 , 如有条件的话可在市电进线处安装 AC220V 避 雷器 , 做到避雷器的接地线与以上接地线在同一点可 靠接地 。5结束语本文是我公司在对国内众多设备厂家的光接收机 进 行 选 型 和 测 试 工 作 的 总 结 , 希 望 能 给 广 大 的EPON+CATV网络的建设者带来启示 。 我们在选型时 , 需要从当地的网络现状 、 组网规划要求和功能需 求出发来选择 , 同时需要兼顾品牌 、 价格和售后服务 三方面的因素 。参 考 文 献1黄瑞灿 , 陈友群 .光接收机功率测量指示电路 .有线电视技术 ,2003年第 22期 2程远东 .一款应用于 FTTH 的 CATV 光接收机的设计 .光通信技术 , 2006年第 7期3施国强 , 黄吴