استخدام مكبرات الصوت الضوئية 1550 نانومتر في معدات نقل HFC

لماذا 1550 نانومتر هو الطول الموجي السائد للنقل البصري لمركبات الكربون الهيدروفلورية

تشكل شبكات الألياف المحورية الهجينة (HFC) العمود الفقري لتلفزيون الكابل وتوزيع الإنترنت عريض النطاق لمئات الملايين من المشتركين في جميع أنحاء العالم. في هذه الشبكات، تحمل الألياف الضوئية إشارات النطاق العريض من رأس الكابل إلى عقد الألياف الموزعة في جميع أنحاء مناطق الخدمة، حيث يتم تحويل الإشارة الضوئية إلى ترددات لاسلكية وتوزيعها عبر الكابل المحوري على المنازل والشركات الفردية. إن اختيار 1550 نانومتر كطول موجي تشغيلي لقطاع النقل البصري هذا ليس اختياريًا - فهو نتاج ميزتين فيزيائيتين حاسمتين تحددان اقتصاديات وأداء النقل البصري لمسافات طويلة. تُظهر الألياف القياسية أحادية الوضع الحد الأدنى المطلق من التوهين عند حوالي 1550 نانومتر، مع خسائر نموذجية تبلغ 0.18-0.20 ديسيبل/كم مقارنة بـ 0.35 ديسيبل/كم عند نافذة 1310 نانومتر المستخدمة في التطبيقات ذات الوصول الأقصر. يُترجم هذا الانخفاض في فقدان الألياف بشكل مباشر إلى امتدادات مكبر صوت أطول، ومراحل تضخيم بصري أقل، وانخفاض تكلفة البنية التحتية لكل كيلومتر من المصنع.

الميزة الحاسمة الثانية هي توافر مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFأs) - مضخمات بصرية عملية وموثوقة وفعالة من حيث التكلفة تعمل بدقة في النطاق C 1530-1570 نانومتر والنطاق L 1570-1620 نانومتر، وكلاهما يتركز على نافذة نقل 1550 نانومتر. قامت EDFAs بتحويل النقل البصري لمسافات طويلة من خلال تمكين التضخيم البصري المباشر دون التحويل البصري الكهروضوئي (OEO) المكلف والمقدم لزمن الوصول الذي تتطلبه تقنية المكرر التجديدي السابقة. بالنسبة لشبكات HFC على وجه التحديد، فإن الجمع بين فقدان الألياف المنخفض وتضخيم EDFA يمكّن من نقل بصري يمتد من 40 إلى 100 كيلومتر بين مراحل التضخيم، مما يسمح لمشغلي الكابلات بخدمة مناطق خدمة جغرافية كبيرة من مرافق الرأس المركزية مع بنية تحتية منخفضة بشكل كبير للعقدة مقارنة بالبدائل ذات الطول الموجي الأقصر.

كيف تعمل مكبرات الصوت الضوئية 1550 نانومتر في أنظمة HFC

A مضخم بصري 1550 نانومتر في نظام نقل HFC يعمل عن طريق تضخيم الإشارة الضوئية المحمولة على الألياف مباشرة دون تحويلها إلى إشارة كهربائية. التكنولوجيا السائدة هي مضخم الألياف المشبع بالإربيوم، والذي يستخدم طولًا قصيرًا من الألياف الضوئية التي تم تطعيم قلبها بأيونات الإربيوم (Er³⁺). عندما يتم ضخ الألياف المشبعة بالإربيوم بضوء ليزر عالي الطاقة عند 980 نانومتر أو 1480 نانومتر، يتم إثارة أيونات الإربيوم إلى حالة طاقة أعلى. عندما يمر فوتون إشارة طوله 1550 نانومتر عبر الليف المخدر، فإنه يحفز أيونات الإربيوم المثارة لإصدار فوتونات إضافية بنفس الطول الموجي والطور - وهي عملية تسمى الانبعاث المحفز الذي ينتج كسبًا بصريًا متماسكًا. تعمل آلية الكسب هذه على تضخيم الإشارة عبر عرض النطاق الترددي الذي يمتد على النطاق C بأكمله، مما يجعل EDFAs متوافقًا مع كل من أنظمة نقل HFC ذات الطول الموجي الواحد وأنظمة الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDM) التي تحمل قنوات متعددة في وقت واحد على ليف واحد.

في محطة بصرية نموذجية تعمل بمركبات الكربون الهيدروفلورية، يقوم جهاز الإرسال الأمامي بتحويل طيف إشارة التردد اللاسلكي المدمج - والذي قد يمتد من 5 ميجاهرتز إلى 1.2 جيجاهرتز لأنظمة DOCSIS 3.1 - إلى إشارة ضوئية باستخدام ليزر مُشكل مباشرة أو مُشكل خارجيًا يعمل عند 1550 نانومتر. يتم بعد ذلك إطلاق هذه الإشارة إلى محطة توزيع الألياف. عندما تكون قوة الإشارة مخففة إلى مستوى من شأنه أن يقلل من نسبة الموجة الحاملة إلى الضوضاء (CNR) في عقدة الألياف، يتم إدخال مكبر صوت بصري في الخط لاستعادة قوة الإشارة إلى المستوى المطلوب. تستمر الإشارة المضخمة عبر امتدادات ألياف إضافية حتى تصل إلى عقدة الألياف، حيث يقوم الكاشف الضوئي بتحويلها مرة أخرى إلى إشارة كهربائية RF لتوزيعها على الجزء المحوري من الشبكة.

أنواع المضخمات الضوئية 1550 نانومتر المستخدمة في نقل مركبات الكربون الهيدروفلورية

تشمل عائلة منتجات مكبر الصوت البصري 1550 نانومتر المستخدمة في شبكات HFC العديد من تكوينات مكبر الصوت المتميزة المُحسّنة لمواقع مختلفة في بنية النقل البصري. يعد فهم مكان تطبيق كل نوع وخصائص الأداء التي تحدد كل منها أمرًا ضروريًا لمهندسي الشبكات الذين يقومون بتصميم أو ترقية المحطة الضوئية لمركبات الكربون الهيدروفلورية.

مكبرات الصوت الداعمة (مكبرات الصوت اللاحقة)

يتم وضع مكبرات الصوت المعززة مباشرة بعد جهاز الإرسال الأمامي لزيادة قوة الإطلاق في محطة توزيع الألياف. نظرًا لأن إشارة الإدخال موجودة بالفعل عند مستوى طاقة مرتفع نسبيًا من جهاز الإرسال، فقد تم تصميم مكبرات الصوت المعززة للحصول على طاقة خرج عالية بدلاً من رقم ضوضاء منخفض - تتراوح مواصفات طاقة الخرج النموذجية لمكبرات الصوت المعززة لمركبات الكربون الهيدروفلورية من 17 ديسيبل مللي واط إلى 23 ديسيبل مللي واط أو أعلى لعمليات نشر معماريات الوصول عالية الانقسام أو التوزيع (DAA). تتمثل الوظيفة الأساسية لمضخم التعزيز في التعويض عن فقدان إدخال المقسمات الضوئية التي تقسم الإشارة إلى مسارات ألياف متعددة تخدم قطاعات مختلفة من منطقة الخدمة، بالإضافة إلى توهين نطاق الألياف الأول. يقوم مضخم معزز للواجهة الأمامية بقدرة خرج تبلغ 20 ديسيبل مللي واط بتشغيل مقسم بصري 1:8 (حوالي 9 ديسيبل من فقدان الانقسام) يطلق ما يقرب من 11 ديسيبل في كل من مسارات ألياف الإخراج الثمانية - وهو ما يكفي لدفع مسافات تتراوح من 25 إلى 40 كم قبل الحاجة إلى تضخيم إضافي.

مكبرات الصوت في الخط

يتم نشر مكبرات الصوت المضمنة في نقاط وسيطة في امتدادات الألياف طويلة المدى حيث تنخفض قوة الإشارة إلى أقل من المستوى الأدنى المطلوب للحفاظ على نسبة CNR مقبولة عند العقدة أو مكبر الصوت التالي. يجب أن توازن هذه المضخمات بين الكسب وطاقة الخرج وشكل الضوضاء - يكون رقم الضوضاء بالغ الأهمية بشكل خاص لأن كل مرحلة من مراحل مكبر الصوت في الخط تضيف ضوضاء انبعاث تلقائية مضخمة (ASE) تتراكم على طول المسار البصري وتحد في النهاية من نسبة CNR التي يمكن تحقيقها عند عقدة الألياف. عادةً ما توفر مكبرات الصوت المضمنة لنقل مركبات الكربون الهيدروفلورية كسبًا قدره 15-25 ديسيبل مع طاقة خرج تتراوح من 13 إلى 17 ديسيبل وأرقام ضوضاء تبلغ 5-7 ديسيبل. تحقق مكبرات الصوت المضمنة متعددة المراحل مع إمكانية الوصول إلى منتصف المرحلة - مما يسمح بإدخال المخففات الضوئية أو مرشحات تسطيح الكسب بين مراحل الكسب - أرقام ضوضاء فعالة أقل من التصميمات أحادية المرحلة بقدرة خرج مكافئة.

مكبرات الصوت الموجهة للعقدة (المضخمات المسبقة)

يتم وضع مكبرات الصوت الموجهة للعقدة، والتي تسمى أحيانًا مضخمات التوزيع أو مضخمات الخط البصري (OLAs)، قبل عقدة ليفية أو نقطة مقسم بصري مباشرةً لتضخيم الإشارة إلى المستوى المطلوب لدفع مخرجات العقدة النهائية المتعددة في وقت واحد. تتميز مكبرات الصوت هذه بقدرة طاقة خرج عالية مقترنة بكسب كافٍ للعمل من مستويات طاقة دخل منخفضة - يجب أن توفر خرجًا مناسبًا حتى عندما تنخفض طاقة الإدخال إلى -3 إلى -10 ديسيبل ميلي واط بعد فترة طويلة من الألياف. تتراوح مواصفات طاقة الخرج لمكبرات الصوت الموجهة للعقدة من 17 إلى 27 ديسيبل مللي واط في تكوينات عالية الطاقة، مع وصول بعض المنتجات المتميزة في سلسلة مكبرات الصوت الضوئية 1550 نانومتر إلى 30 ديسيبل مللي واط لتشغيل نسب تقسيم بصرية كبيرة تخدم عمليات نشر العقد الكثيفة.

مواصفات الأداء الرئيسية وكيف تؤثر على تصميم شبكة HFC

يتطلب اختيار مكبر الصوت البصري المناسب بقدرة 1550 نانومتر لتطبيق HFC فهمًا واضحًا لمواصفات الأداء المنشورة في أوراق بيانات الشركة المصنعة وكيفية ترجمة كل معلمة إلى سلوك شبكة حقيقي. يلخص الجدول التالي مواصفات مكبر الصوت الهامة وتأثيراتها على تصميم الشبكة:

يستحق شكل الضوضاء اهتمامًا خاصًا لأن تأثيره يتراكم من خلال سلاسل مكبرات الصوت المتتالية. تضيف كل مرحلة من مراحل مكبر الصوت ضوضاء ASE، ويحدد إجمالي تراكم الضوضاء البصرية نسبة CNR عند العقدة الليفية - وهي المعلمة التي تحدد في النهاية جودة إشارات التردد اللاسلكي الموزعة على الجزء المحوري من مصنع مركبات الكربون الهيدروفلورية. عادةً ما تكون قيمة CNR التي لا تقل عن 52 ديسيبل في العقدة الليفية مطلوبة للحفاظ على أداء مناسب من الدرجة الثانية المركبة (CSO)، والإيقاع الثلاثي المركب (CTB)، وحجم ناقل الخطأ (EVM) لقنوات DOCSIS 3.1 OFDM. يجب على مهندسي الشبكات إجراء حسابات متتالية لأرقام الضوضاء عبر جميع مراحل مكبر الصوت من الرأس إلى العقدة للتحقق من توافق CNR قبل الانتهاء من وضع مكبر الصوت ومواصفاته.

وضع المضخم البصري في بنية عقدة HFC

لقد تطورت بنية شبكات HFC الحديثة بشكل ملحوظ مع إدخال العقدة 0 (عمق الألياف)، وبنية الوصول الموزع (DAA)، وعمليات نشر PHY/MACPHY عن بعد، وكلها تغير مكان وضع مكبرات الصوت الضوئية والأداء الذي يجب أن تقدمه. يعد فهم كيفية تعيين مضخم الصوت لهذه البنى المتطورة أمرًا ضروريًا للمهندسين الذين يقومون بترقية مصنع مركبات الكربون الهيدروفلورية الحالي لدعم DOCSIS 3.1 وخدمات DOCSIS 4.0 المستقبلية.

العمارة التقليدية من الألياف إلى العقدة

في بنية HFC التقليدية، يقوم جهاز إرسال بصري واحد عالي الطاقة 1550 نانومتر عند الطرف الأمامي بتشغيل محطة توزيع الألياف من خلال سلسلة من المقسمات الضوئية ومكبرات الصوت المضمنة لخدمة عقد ألياف متعددة، تخدم كل منها ما بين 500 إلى 2000 منزل. يتم وضع مكبرات الصوت الضوئية على فترات زمنية يحددها التوهين المتراكم للألياف وفقدان الانقسام للحفاظ على طاقة الإدخال الكافية في كل عقدة في اتجاه المصب. يستخدم التكوين النموذجي مضخمًا معززًا للواجهة الأمامية يقود مقسمًا أساسيًا بنسبة 1:4 أو 1:8، مع مكبرات صوت مضمنة موضوعة على مسافة 15-30 كم في اتجاه مجرى النهر للتعويض عن توهين مدى الألياف قبل أن تغذي المقسمات الثانوية عقد الألياف الفردية. تم تحسين طوبولوجيا الشجرة النجمية لبناء مصنع ألياف اقتصادي ولكنه يركز على مكاسب كبيرة في مكبر الصوت في السلاسل الطويلة التي تتحدى أداء CNR.

بنيات الوصول العميق والموزع للألياف

تعمل البنى العميقة للألياف على دفع الألياف إلى مكان أقرب إلى العميل، مما يقلل من مناطق خدمة العقد إلى 50-150 منزلًا ويزيل معظم سلسلة مكبر الصوت المحوري. تعمل عمليات نشر PHY عن بعد وMACPHY DAA عن بعد على نقل معالجة الطبقة المادية DOCSIS من الرأس إلى عقدة الألياف، والتي تحتوي الآن على إلكترونيات رقمية نشطة مدعومة عبر البنية التحتية للألياف. تغير هذه البنيات متطلبات النقل البصري بشكل كبير: تحمل الأطوال الموجية للألياف الفردية أو قنوات WDM إشارات رقمية مخصصة لكل عقدة بعيدة، ويجب أن تدعم سلسلة مكبر الصوت البصري 1550 نانومتر تشغيل WDM بكسب ثابت عبر جميع القنوات النشطة في وقت واحد. مطلوب EDFAs عالي الطاقة متوافق مع WDM مع مرشحات تسطيح الكسب المتكاملة والتحكم التلقائي في الكسب (AGC) للحفاظ على مستويات طاقة ثابتة لكل قناة حيث تتم إضافة العقد أو إزالتها من الشبكة دون إعادة التوازن اليدوي للمحطة الضوئية.

اعتبارات عملية لنشر مكبرات الصوت 1550 نانومتر في مصنع مركبات الكربون الهيدروفلورية

يتطلب النشر الناجح لمكبرات الصوت الضوئية 1550 نانومتر في معدات نقل مركبات الكربون الهيدروفلورية الاهتمام بالعديد من العوامل الهندسية والتشغيلية العملية التي لا يتم تضمينها في مواصفات ورقة البيانات وحدها. يمكن أن ينحرف الأداء الميداني بشكل كبير عن الأداء المميز في المختبر عند تركيب مكبرات الصوت في بيئات شبكة حقيقية ذات جودة ألياف متغيرة، ومشكلات في نظافة الموصل، والتدوير الحراري في العبوات الخارجية.

• نظافة الموصل والتفتيش: تعد الموصلات الضوئية في منافذ إدخال وإخراج مكبر الصوت المصدر الوحيد الأكثر شيوعًا لفقد الإدراج غير المتوقع وتدهور الإشارة في محطة بصرية تعمل بمركبات الكربون الهيدروفلورية (HFC). يمكن لموصل APC الملوث أن يضيف 1-3 ديسيبل من فقدان الإدخال ويولد انعكاسات خلفية تؤدي إلى زعزعة استقرار تشغيل مكبر الصوت. يجب فحص جميع الموصلات باستخدام مسبار فحص الألياف وتنظيفها بالأدوات المناسبة قبل التوصيل — في كل مرة، دون استثناء. يجب على المشغلين الحفاظ على نظافة IEC 61300-3-35 من الدرجة B أو أفضل في جميع واجهات موصل مكبر الصوت.
• التحكم التلقائي في الكسب والتحكم التلقائي في الطاقة: يجب أن تتضمن مكبرات الصوت الضوئية HFC دوائر AGC أو دوائر التحكم التلقائي في الطاقة (APC) التي تحافظ على طاقة خرج ثابتة حيث تختلف مستويات إشارة الإدخال بسبب تغيرات مصنع الألياف، أو تغيرات الخسارة الناجمة عن درجة الحرارة، أو إعادة تشكيل الشبكة الأولية. بدون AGC/APC، يؤدي انخفاض طاقة الإدخال - الناتج عن تدهور الألياف أو تقادم الموصل أو تغيرات المسار البصري - إلى انخفاض متناسب في طاقة الخرج التي تتدفق عبر مكبرات الصوت النهائية ويقلل CNR في عقد الألياف. يعد تحديد مكبرات الصوت ذات استقرار طاقة الخرج بمقدار ± 0.5 ديسيبل عبر نطاق تشغيل طاقة الإدخال الكامل ممارسة قياسية لمحطة بصرية موثوقة تعمل بمركبات الكربون الهيدروفلورية.
• العزل البصري وإدارة الانعكاس الخلفي: يؤدي تشتت Brillouin المحفز (SBS) وتشتت Rayleigh الخلفي في امتدادات الألياف الطويلة إلى توليد ضوضاء بصرية يمكنها إعادة الدخول إلى مراحل مكبر الصوت وتقليل الأداء. يجب أن تشتمل مكبرات الصوت المعززة عالية الطاقة التي تعمل فوق 17 ديسيبل ميلي واط على عوازل بصرية في كل من منافذ الإدخال والإخراج، ويجب أن يتضمن تصميم مصنع الألياف هامشًا كافيًا لخسارة الإرجاع البصري. تُفضل الموصلات المصقولة APC (ORL عادة> 60 ديسيبل) ووصلات الاندماج (ORL> 60 ديسيبل) بشدة على موصلات UPC (ORL عادةً 45-50 ديسيبل) في أنظمة نقل عالية الطاقة تبلغ 1550 نانومتر.
• الإدارة الحرارية في العبوات الخارجية: تتعرض مكبرات الصوت الضوئية المعتمدة على مركبات الكربون الهيدروفلورية (HFC) المنتشرة في قواعد خارجية أو حاويات هوائية لدرجات حرارة محيطة تتراوح من -40 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية في العديد من المناطق الجغرافية. تعد صمامات الليزر الثنائية لمضخة مكبر الصوت - مصادر 980 نانومتر أو 1480 نانومتر التي تدفع كسب EDFA - مكونات حساسة لدرجة الحرارة وتتأثر جميع طاقة الخرج وطول الموجة وعمرها بدرجة حرارة التشغيل. يعد تحديد مكبرات الصوت المزودة بمبردات كهروحرارية (TECs) على وحدات ليزر المضخة والتحقق من الأداء المقدر عبر نطاق درجة حرارة التشغيل الكامل أمرًا ضروريًا للنشر الخارجي الموثوق. يتم الآن تقديم نطاقات درجة حرارة التشغيل الممتدة من -40 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية من قبل الشركات المصنعة الرائدة لسلسلة مضخمات الصوت الضوئية HFC لتلبية هذا المطلب بشكل صريح.
• إدارة الشبكات والمراقبة عن بعد: تتضمن سلسلة مكبرات الصوت الضوئية 1550 نانومتر الحديثة لتطبيقات HFC واجهات إدارة الشبكة المتوافقة مع SNMP، ومراقبة الطاقة الضوئية في منافذ الإدخال والإخراج، ومضخة الليزر الحالية وقياس درجة الحرارة عن بعد، ومخرجات الإنذار للظروف خارج النطاق. يتيح دمج إدارة مكبر الصوت في نظام إدارة الواجهة الأمامية (HMS) أو نظام إدارة العناصر (EMS) الخاص بمشغل الكبل التعرف على الأخطاء بشكل استباقي قبل حدوث حالات فشل تؤثر على الخدمة، ويوفر بيانات اتجاه الأداء اللازمة لجدولة الصيانة الوقائية قبل أن يصل تدهور المكونات إلى عتبات نهاية العمر الافتراضي.

اختيار سلسلة مكبر الصوت البصري 1550 نانومتر المناسبة لشبكة HFC الخاصة بك

من خلال الفهم الواضح لأنواع مكبرات الصوت ومواصفات الأداء واعتبارات النشر، يمكن لمهندسي الشبكات التعامل مع اختيار مكبرات الصوت بشكل منهجي. يجب أن تتبع عملية الاختيار سلسلة محددة من الخطوات التي تترجم متطلبات تصميم الشبكة إلى مواصفات المنتج:

• تحديد ميزانية الارتباط البصري: احسب الخسارة الإجمالية من جهاز إرسال الرأس إلى عقدة الألياف الأكثر بعدًا، بما في ذلك توهين مدى الألياف، وخسائر الوصلات، وخسائر الموصل، وخسائر إدخال الفاصل البصري. تحدد ميزانية الارتباط هذه إجمالي الكسب المطلوب من جميع مراحل مكبر الصوت مجتمعة وتحدد طاقة الخرج المطلوبة من كل مكبر صوت فردي بناءً على موقعه في السلسلة.
• حساب CNR في العقدة الليفية: باستخدام رقم الضوضاء المتتالية لجميع مراحل مكبر الصوت من الرأس إلى العقدة، قم بحساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) الضوئية المتوفرة عند إدخال الكاشف الضوئي للعقدة. قم بالتحويل إلى RF CNR باستخدام مؤشر التعديل وعمق التشكيل البصري لإشارة التردد اللاسلكي واستجابة الكاشف الضوئي. تحقق من أن نسبة CNR المحسوبة تلبي الحد الأدنى المطلوب للتشكيل عالي الترتيب المستخدم في محطة التردد الراديوي - عادةً 256-QAM OFDM لـ DOCSIS 3.1، مما يتطلب CNR أعلى من 52-54 ديسيبل.
• تحقق من توافق WDM إن أمكن: بالنسبة للشبكات التي تستخدم أطوال موجية متعددة على ليف واحد، تأكد من أن سلسلة مكبر الصوت المحددة توفر كسبًا ثابتًا عبر جميع الأطوال الموجية العاملة في وقت واحد وأن خيارات مرشح تسطيح الكسب متاحة لتكوينات مكبرات الصوت المتعددة المتتالية حيث قد يؤدي تراكم إمالة الكسب إلى اختلال غير مقبول في قوة القناة.
• تأكيد المواصفات المادية والبيئية: قم بمطابقة عامل شكل مكبر الصوت — بطاقة هيكل مثبتة على حامل، أو وحدة مستقلة مكونة من وحدة واحدة، أو قاعدة خارجية — مع البنية الأساسية للتركيب المتاحة. تحقق من نطاق درجة حرارة التشغيل، وخيارات جهد مصدر الطاقة، وتصنيف حماية الدخول للنشر في الهواء الطلق، والامتثال للمعايير ذات الصلة بما في ذلك IEC 60825 للسلامة من الليزر وTelcordia GR-1312 لتأهيل موثوقية EDFA.