Usando amplificadores ópticos de 1550 nm em equipamentos de transmissão HFC

Por que 1550 nm é o comprimento de onda dominante para transmissão óptica HFC

Ums redes híbridas de fibra coaxial (HFC) formam a espinha dorsal da televisão a cabo e da distribuição de internet de banda larga para centenas de milhões de assinantes em todo o mundo. Nessas redes, a fibra óptica transporta sinais de banda larga do headend do cabo para nós de fibra distribuídos pelas áreas de serviço, onde o sinal óptico é convertido em RF e distribuído por cabo coaxial para residências e empresas individuais. A escolha de 1550 nm como comprimento de onda operacional para este segmento de transporte óptico não é arbitrária – é o produto de duas vantagens físicas decisivas que definem a economia e o desempenho da transmissão óptica de longa distância. A fibra monomodo padrão exibe sua atenuação mínima absoluta em aproximadamente 1550 nm, com perdas típicas de 0,18–0,20 dB/km em comparação com 0,35 dB/km na janela de 1310 nm usada em aplicações de alcance mais curto. Essa redução na perda de fibra se traduz diretamente em extensões de amplificador mais longas, menos estágios de amplificação óptica e menor custo de infraestrutura por quilômetro de planta.

A segunda vantagem decisiva é a disponibilidade de amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFAs) - amplificadores ópticos práticos, confiáveis ​​e econômicos que operam precisamente na banda C de 1530–1570 nm e na banda L de 1570–1620 nm, ambas centradas na janela de transmissão de 1550 nm. Os EDFAs transformaram a transmissão óptica de longa distância, permitindo a amplificação óptica direta sem a dispendiosa conversão óptico-elétrico-óptica (OEO) que introduz latência, exigida pela tecnologia anterior de repetidor regenerativo. Especificamente para redes HFC, a combinação de baixa perda de fibra e amplificação EDFA permite extensões de transmissão óptica de 40 a 100 km entre os estágios de amplificação, permitindo que as operadoras de cabo atendam grandes áreas geográficas de serviço a partir de instalações centralizadas de headend com infraestrutura de nós drasticamente reduzida em comparação com alternativas de comprimento de onda mais curto.

Como funcionam os amplificadores ópticos de 1550 nm em sistemas HFC

A Amplificador óptico de 1550 nm em um sistema de transmissão HFC funciona amplificando diretamente o sinal óptico transportado pela fibra sem convertê-lo em um sinal elétrico. A tecnologia dominante é o amplificador de fibra dopada com érbio, que utiliza um curto comprimento de fibra óptica cujo núcleo foi dopado com íons de érbio (Er³⁺). Quando a fibra dopada com érbio é bombeada com luz laser de alta potência em 980 nm ou 1480 nm, os íons de érbio são excitados para um estado de energia mais elevado. Quando um fóton de sinal de 1550 nm passa através da fibra dopada, ele estimula os íons de érbio excitados a emitir fótons adicionais exatamente no mesmo comprimento de onda e fase - um processo denominado emissão estimulada que produz ganho óptico coerente. Esse mecanismo de ganho amplifica o sinal em uma largura de banda que abrange toda a banda C, tornando os EDFAs compatíveis com transmissão HFC de comprimento de onda único e sistemas multiplexados por divisão de comprimento de onda (WDM) que transportam vários canais simultaneamente em uma única fibra.

Em uma planta óptica HFC típica, o transmissor headend converte o espectro de sinal de RF combinado - que pode abranger de 5 MHz a 1,2 GHz para sistemas DOCSIS 3.1 - em um sinal óptico usando um laser modulado diretamente ou modulado externamente operando a 1550 nm. Este sinal é então lançado na planta de distribuição de fibra. Onde a potência do sinal foi atenuada a um nível que degradaria a relação portadora-ruído (CNR) no nó de fibra, um amplificador óptico é inserido em linha para restaurar a potência do sinal ao nível necessário. O sinal amplificado continua através de extensões adicionais de fibra até atingir o nó da fibra, onde um fotodetector o converte novamente em um sinal elétrico de RF para distribuição pela porção coaxial da rede.

Tipos de amplificadores ópticos de 1550 nm usados na transmissão HFC

A família de produtos de amplificadores ópticos de 1550 nm usada em redes HFC abrange diversas configurações distintas de amplificadores otimizadas para diferentes posições na arquitetura de transmissão óptica. Compreender onde cada tipo é aplicado e quais características de desempenho definem cada um é essencial para engenheiros de rede que projetam ou atualizam instalações ópticas HFC.

Amplificadores Booster (Pós-Amplificadores)

Amplificadores booster são posicionados imediatamente após o transmissor headend para aumentar a potência de lançamento na planta de distribuição de fibra. Como o sinal de entrada já está em um nível de potência relativamente alto do transmissor, os amplificadores de reforço são projetados para alta potência de saída em vez de baixo ruído - as especificações típicas de potência de saída para amplificadores de reforço HFC variam de 17 dBm a 23 dBm ou superior para implantações de arquiteturas de acesso distribuído ou de divisão alta (DAA). A principal função do amplificador booster é compensar a perda de inserção de divisores ópticos que dividem o sinal em vários caminhos de fibra atendendo diferentes segmentos de área de serviço, bem como a atenuação do primeiro vão de fibra. Um amplificador amplificador de headend com potência de saída de 20 dBm acionando um divisor óptico 1:8 (aproximadamente 9 dB de perda dividida) lança aproximadamente 11 dBm em cada um dos oito caminhos de fibra de saída - o suficiente para conduzir extensões de 25 a 40 km antes que amplificação adicional seja necessária.

Amplificadores em linha

Amplificadores em linha são implantados em pontos intermediários em extensões de fibra de longa distância, onde a potência do sinal caiu abaixo do nível mínimo necessário para manter o CNR aceitável no próximo nó ou amplificador. Esses amplificadores devem equilibrar ganho, potência de saída e figura de ruído - sendo a figura de ruído particularmente crítica porque cada estágio do amplificador em linha adiciona ruído de emissão espontânea amplificada (ASE) que se acumula ao longo do caminho óptico e, em última análise, limita o CNR alcançável no nó de fibra. Amplificadores em linha para transmissão HFC normalmente fornecem ganho de 15–25 dB com potência de saída de 13 a 17 dBm e valores de ruído de 5–7 dB. Amplificadores em linha de múltiplos estágios com acesso intermediário - permitindo a inserção de atenuadores ópticos ou filtros de nivelamento de ganho entre os estágios de ganho - alcançam valores de ruído efetivos mais baixos do que projetos de estágio único com potência de saída equivalente.

Amplificadores de condução de nó (pré-amplificadores)

Amplificadores de acionamento de nó, às vezes chamados de amplificadores de distribuição ou amplificadores de linha óptica (OLAs), são posicionados logo antes de um nó de fibra ou ponto divisor óptico para amplificar o sinal até o nível necessário para acionar várias saídas de nó downstream simultaneamente. Esses amplificadores são caracterizados por alta capacidade de potência de saída combinada com ganho suficiente para operar com baixos níveis de potência de entrada - eles devem fornecer saída adequada mesmo quando a potência de entrada caiu para -3 a -10 dBm após um longo vão de fibra. As especificações de potência de saída para amplificadores acionados por nós variam de 17 a 27 dBm em configurações de alta potência, com alguns produtos premium da série de amplificadores ópticos de 1550 nm atingindo 30 dBm para acionar grandes taxas de divisão óptica atendendo implantações de nós densos.

Principais especificações de desempenho e como elas afetam o design da rede HFC

A seleção do amplificador óptico de 1550 nm correto para uma aplicação HFC requer uma compreensão clara das especificações de desempenho publicadas nas planilhas de dados do fabricante e como cada parâmetro se traduz no comportamento real da rede. A tabela a seguir resume as especificações críticas do amplificador e suas implicações no projeto de rede:

A figura do ruído merece atenção especial porque seu impacto é composto por cadeias amplificadoras em cascata. Cada estágio do amplificador adiciona ruído ASE, e o acúmulo total de ruído óptico determina o CNR no nó da fibra – o parâmetro que define a qualidade dos sinais de RF distribuídos pela porção coaxial da planta HFC. Um CNR de pelo menos 52 dB no nó de fibra é normalmente necessário para manter o desempenho adequado de segunda ordem composta (CSO), batida tripla composta (CTB) e magnitude de vetor de erro (EVM) para canais DOCSIS 3.1 OFDM. Os engenheiros de rede devem realizar cálculos de ruído em cascata em todos os estágios do amplificador, do headend ao nó, para verificar a conformidade do CNR antes de finalizar a colocação e especificação do amplificador.

Colocação de amplificador óptico na arquitetura de nó HFC

A arquitetura das redes HFC modernas evoluiu significativamente com a introdução do nó 0 (fiber deep), arquitetura de acesso distribuído (DAA) e implantações remotas de PHY/MACPHY remoto, que mudam onde os amplificadores ópticos são colocados e qual desempenho eles devem oferecer. Compreender como o posicionamento do amplificador é mapeado para essas arquiteturas em evolução é essencial para os engenheiros atualizarem a planta HFC existente para oferecer suporte ao DOCSIS 3.1 e aos futuros serviços DOCSIS 4.0.

Arquitetura tradicional de fibra para o nó

Na arquitetura HFC tradicional, um único transmissor óptico de 1.550 nm de alta potência no headend aciona uma planta de distribuição de fibra por meio de uma série de divisores ópticos e amplificadores em linha para atender vários nós de fibra, cada um atendendo de 500 a 2.000 residências passadas. Amplificadores ópticos são colocados em intervalos determinados pela atenuação acumulada da fibra e pelas perdas divididas para manter a potência de entrada adequada em cada nó downstream. Uma configuração típica usa um amplificador amplificador de headend acionando um divisor primário 1:4 ou 1:8, com amplificadores em linha posicionados 15–30 km a jusante para compensar a atenuação do vão da fibra antes que os divisores secundários alimentem nós de fibra individuais. Esta topologia de árvore em estrela é otimizada para construção econômica de plantas de fibra, mas concentra ganho significativo de amplificador em longas cascatas que desafiam o desempenho do CNR.

Arquiteturas de acesso distribuído e profundo em fibra

As arquiteturas profundas de fibra aproximam a fibra do cliente, reduzindo as áreas de atendimento dos nós para 50 a 150 casas passadas e eliminando a maior parte da cascata de amplificadores coaxiais. As implantações remotas de PHY e MACPHY DAA movem o processamento da camada física DOCSIS do headend para o nó de fibra, que agora contém eletrônicos digitais ativos alimentados pela infraestrutura de fibra. Essas arquiteturas alteram significativamente os requisitos de transmissão óptica: comprimentos de onda de fibra individuais ou canais WDM transportam sinais digitais dedicados para cada nó remoto, e a série de amplificadores ópticos de 1550 nm deve suportar operação WDM com ganho plano em todos os canais ativos simultaneamente. EDFAs de alta potência compatíveis com WDM com filtros de nivelamento de ganho integrados e controle automático de ganho (AGC) são necessários para manter níveis de potência consistentes por canal à medida que nós são adicionados ou removidos da rede sem rebalanceamento manual da planta óptica.

Considerações práticas para implantação de amplificadores de 1550 nm em instalações de HFC

A implantação bem-sucedida de amplificadores ópticos de 1550 nm em equipamentos de transmissão HFC requer atenção a vários fatores práticos de engenharia e operacionais que não são capturados apenas nas especificações da folha de dados. O desempenho em campo pode divergir significativamente do desempenho caracterizado em laboratório quando os amplificadores são instalados em ambientes de rede reais com qualidade de fibra variável, problemas de limpeza de conectores e ciclos térmicos em gabinetes externos.

• Limpeza e inspeção do conector: Os conectores ópticos nas portas de entrada e saída do amplificador são a fonte mais comum de perda de inserção inesperada e degradação de sinal em instalações ópticas HFC implantadas. Um conector APC contaminado pode adicionar 1–3 dB de perda de inserção e gerar retrorreflexões que desestabilizam a operação do amplificador. Todos os conectores devem ser inspecionados com uma sonda de inspeção de fibra e limpos com ferramentas apropriadas antes da conexão – sempre, sem exceção. Os operadores devem manter a limpeza IEC 61300-3-35 Grau B ou melhor em todas as interfaces do conector do amplificador.
• Controle automático de ganho e controle automático de potência: Os amplificadores ópticos HFC devem incorporar circuitos AGC ou de controle automático de potência (APC) que mantenham a potência de saída constante, pois os níveis do sinal de entrada variam devido a mudanças na planta de fibra, variações de perda induzidas por temperatura ou reconfigurações de rede upstream. Sem AGC/APC, uma redução na potência de entrada – causada pela degradação da fibra, envelhecimento do conector ou mudanças no caminho óptico – causa uma redução proporcional na potência de saída que se espalha pelos amplificadores downstream e reduz o CNR nos nós de fibra. Especificar amplificadores com estabilidade de potência de saída de ±0,5 dB em toda a faixa operacional de potência de entrada é uma prática padrão para instalações ópticas HFC confiáveis.
• Isolamento óptico e gerenciamento de retro-reflexão: O espalhamento estimulado de Brillouin (SBS) e o retroespalhamento Rayleigh em longos vãos de fibra geram ruído óptico que pode reentrar nos estágios do amplificador e degradar o desempenho. Amplificadores auxiliares de alta potência operando acima de 17 dBm devem incluir isoladores ópticos nas portas de entrada e saída, e o projeto da planta de fibra deve incorporar margem suficiente de perda de retorno óptico. Conectores polidos APC (ORL normalmente> 60 dB) e emendas de fusão (ORL> 60 dB) são fortemente preferidos aos conectores UPC (ORL normalmente 45–50 dB) em sistemas de transmissão de alta potência de 1550 nm.
• Gestão térmica em recintos exteriores: Os amplificadores ópticos HFC implantados em pedestais externos ou gabinetes aéreos experimentam faixas de temperatura ambiente de -40°C a 60°C em muitas regiões geográficas. Os diodos laser da bomba amplificadora - as fontes de 980 nm ou 1480 nm que impulsionam o ganho EDFA - são componentes sensíveis à temperatura cuja potência de saída, comprimento de onda e vida útil são afetados pela temperatura operacional. Especificar amplificadores com resfriadores termoelétricos (TECs) em módulos de bomba laser e verificar o desempenho nominal em toda a faixa de temperatura operacional é essencial para uma implantação externa confiável. Faixas estendidas de temperatura operacional de -40°C a 65°C são agora oferecidas pelos principais fabricantes da série de amplificadores ópticos HFC para atender explicitamente a esse requisito.
• Gerenciamento de rede e monitoramento remoto: As modernas séries de amplificadores ópticos de 1550 nm para aplicações HFC incorporam interfaces de gerenciamento de rede compatíveis com SNMP, monitoramento de potência óptica nas portas de entrada e saída, telemetria de corrente e temperatura do laser da bomba e saídas de alarme para condições fora da faixa. A integração do gerenciamento do amplificador ao sistema de gerenciamento de headend (HMS) ou ao sistema de gerenciamento de elementos (EMS) da operadora de cabo permite a identificação proativa de falhas antes que ocorram falhas que afetem o serviço e fornece os dados de tendências de desempenho necessários para programar a manutenção preventiva antes que a degradação dos componentes atinja os limites de fim de vida útil.

Selecionando a série correta de amplificadores ópticos de 1550 nm para sua rede HFC

Com uma compreensão clara dos tipos de amplificadores, especificações de desempenho e considerações de implantação, os engenheiros de rede podem abordar a seleção do amplificador de forma sistemática. O processo de seleção deve seguir uma sequência definida de etapas que traduzam os requisitos de projeto de rede em especificações de produto:

• Determine o orçamento do link óptico: Calcule a perda total do transmissor headend até o nó de fibra mais distante, incluindo atenuação de extensão de fibra, perdas de emenda, perdas de conector e perdas de inserção de divisor óptico. Este orçamento de link determina o ganho total necessário de todos os estágios do amplificador combinados e estabelece a potência de saída necessária de cada amplificador individual com base em sua posição na cadeia.
• Calcule o CNR no nó da fibra: Usando a figura de ruído em cascata de todos os estágios do amplificador, do headend ao nó, calcule o SNR óptico disponível na entrada do fotodetector do nó. Converta para RF CNR usando o índice de modulação, profundidade de modulação óptica do sinal de RF e responsividade do fotodetector. Verifique se o CNR calculado atende ao mínimo exigido para a modulação de ordem mais alta usada na planta de RF — normalmente 256-QAM OFDM para DOCSIS 3.1, exigindo CNR acima de 52–54 dB.
• Verifique a compatibilidade do WDM, se aplicável: Para redes que usam vários comprimentos de onda em uma única fibra, confirme se a série de amplificadores selecionada fornece ganho plano em todos os comprimentos de onda operacionais simultaneamente e se as opções de filtro de nivelamento de ganho estão disponíveis para configurações de multiamplificadores em cascata, onde o acúmulo de inclinação de ganho causaria um desequilíbrio inaceitável de potência do canal.
• Confirme as especificações físicas e ambientais: Combine o formato do amplificador – placa de chassi para montagem em rack, unidade autônoma de 1U ou montagem em pedestal externo – com a infraestrutura de instalação disponível. Verifique a faixa de temperatura operacional, as opções de tensão da fonte de alimentação, a classificação de proteção de entrada para implantação externa e a conformidade com os padrões relevantes, incluindo IEC 60825 para segurança de laser e Telcordia GR-1312 para qualificação de confiabilidade EDFA.