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光学网络技术对将来有线电视网络的影响

2/14/2005来源:视频通信人气:12785

光学网络技术对将来有线电视网络的影响——董建丽 张秋君 波分复用(WDM)可以使用不同的波长在同一个光纤中独立地传播。尽管我们使用1310nm 和1550nm的波长来传输信号已经有好多年了,但现在才真正看到了有商业价值的光放大器,因 为有了这种放大器时,我们才有可能用同一根光纤通过一个相对较窄的光窗口(大约30nm)同 时传送几十路光信号。我们一般称之为Dense WDM传输,或简称为Dense WDM。图1给出了两点 之间通过光纤进行Dense WDM连接的情况。虽然传输Dense WDM流和用一个光放大器放大多个信 号的功能,对于所有的未来的光纤网络来讲是一个关键的因素,但为了能充分利用这些光纤网 络潜在的优点,就需对一些新的光设备进行商业开发。所有的光纤网络可以为有线电视服务商 提供以下经济优势: (1)由于大量减少了光纤的用量,使光纤网络的建设成本降低。 (2)由共用有源光部件来对多个信号加以传输和切换,降低了设备费用。 (3)减少了系统中的有源器件,改进了系统的可靠性。 (4)当光纤折断时,由于光纤的数量少,恢复起来相对容易。 (5)通过共享一个网络和网络中的设备,可以降低网络容量扩展时的投资。 除了以上优点,随着技术的进步,每个网络中心服务范围会扩大(用每个网络中心可以提 供的用户数来衡量),这样有利于网络将来的发展,同时可以降低运行费用。 1 一个全光学网络的构成 Dense WDM技术的运用,可以确保在一根光纤中存在多个光学通道(图2)。相对来说,可 以用以下的方法来比较一个全光学网络和一个光纤网络:带有屏蔽线的多根光纤的光缆组成了 一条极好的链路(SuPerset)。在光缆中的每一根光纤可以被想象为一根虚拟的光缆。一个单 独的波长可以被想象成为一个虚拟的光纤。这样一来,通过对传统的光缆和光纤以及在一个全 光学网络中的对应部分的要求进行转化,就可以很容易理解信号的管理、冗余度和路由等问题。 为了能充分利用在将来使用全光学网络所带来的经济上的好处和操作上的便利,我们需要 一些光学设备,这些光学设备目前在商业上尚不能广泛使用。图3是这些设备的汇总表。从左到 右是说明这些设备预测会出现的顺序。 Dense WDM传输并不是不存在技术问题。在1550nm的窗口进行操作,我们必须注意以下的问 题:光纤的散射性能、在光带通范围内放大器增益的平坦性以及光纤器件的光学稳定性。认识到 这些问题,我们这篇文章主要集中讨论在有线电视系统中全光学网络的潜在应用。 大型城(郊)有线电视网络包含一系列通过光纤环连接在一个或两个主终端(或视频分配 室)上的网络中心和次前端(或视频终端分配室)。这个光纤坏我们一般称之为光纤干线系统。 所有大型光纤干线系统都是数字的,而中等规模的干线系统则一般是数字和高功率线性系统的 结合。通过光纤和电缆混合网络我们可以在中心及其服务区之间实现信号的双向传输。采用的 办法是:通过中心和光节点之间的线性光传输;以及在一个服务区域内,通过光节点和用户之 间的线性射频传输。图4说明了一个典型的干线系统的结构,而图5说明了一个分配系统的结构。 Dense WDM系统不论应用在数字传输还是宽带线性模拟有线电视传输中,都可以带来潜在的经 济效益。预计最早应用 Dense WDM技术的领域是有线电视干线网络,随后是HFC分配系统中。 2在干线系统中使用Dense WDM 光纤干线一般可以覆盖很远的距离。目前在美国最长的干线可以覆盖大约500多公里。如果 用有线电视网来传输高速数据、电话和其它数字服务的话,这些系统通常用末压缩的数字光纤 系统传输所有的视频信号、数据和声音服务,或者用未压缩的数字系统同传统的电信数字系统 相结合,在每一个次前端进行必要的设置,把各种用户需要的服务进行重新混合和传输。较短 系统有时采用数字传输系统(用来传声音和数据)和1550nm的高功率线性传输系统(用来传电 视服务)相结合的方法,分别用不同的光纤进行传输,在中心再把它们混合在一起。 在干线系统中,由于传输的距离很长,每一根光纤都可以看成是一笔很可观的投资。在干 线系统的初期建设中,投资可能会更大一些,因为有时可能要设置专用线路。例如:当遇到一 座大桥横跨在一条河上时就必须对此进行考虑。有人已经为我们演示了可以用不同的光波长把 多个信号混合在一起,现在我们甚至可以得到这种产品。例如在1996年SCTE展示会上,就曾经 演示了DV6000无压缩系统,可以把八个波长进行混合传输,见图6。 这可以为一根光纤提供大约20Gb/s的容量,也就是可以传128个模拟电视频道,或是256个 DS—3频道,或者是128个MPEG—2QAM多工信号流(每个信号流可以最多提供20个MPEG多工频 道), 或者同时传输以上几种信号类型。其它的服务商现在可以提供在一根光纤中传输八个或更多不 同波长数字信号的系统。使用两根光纤组成逆向环可以使系统容量没有任何改变,见图7。另 外在技术上我们可采用一根容量为 1OGb/S的光纤,来实现一个双向WDM系统(具备一定的冗余 度)。 今天,WDM主要用于在传输环中中心之间进行点对点的传输。因为目前从市场上只能买到固 定波长的分光器进行使用。这有个好处是可以减少光纤的使用量,但并不能做在光纤中可以任 意混入或分离一个波长。为了能在任意一个中心动态地增加或减少一个波长,我们需要一个动 态可选择的光学WDM设备。对于高速数字电话系统来说,与传统的电子传输相比,由于数字混合 器和分离器的投资很大,所以利用光纤实现混入和分离的功能可以省不少钱。光学切换可以实 现和TDM切换同样的功能。对于光学混合器在功能上的限制是:制作一个引入和通过的设备很不 容易。 在一个较小的使用1550nm进行有线电视高功率线性传输的系统中,在干线中使用 Dense WDM 的优势并不是十分明显。尽管我们通过实验已经证明数字和线性的光学信号可以同时通过同一个 光放大器,但在实际应用中,由于高速数字传输系统的光学连接衰减是不一样大,所以是不实用 的。举个例子来说,对于一个传输距离在100km左右(几乎是90%的中心之间的距离),传输的 波长是1550nm的2.4Gb/S的一个连接,它的连接衰减大约是29~31dB。典型的高功率线性系统的 连接衰减大约是12~14dB。而且,对于线性系统,经过12~14dB的距离就需要放大器,这个距离 还不到数字系统的一半。在数字系统中使用这些放大器是没有好处的,另外,如果把数字信号和 高功率线性信号混合在一起在同一根光纤中传输,为了能把这些放大器跨接掉,我们必须额外花 费一些费用来为数字系统添置分光器。 3 Dense WDM在 HFC分配来统中的应用 现在我们可以看到建设一个新的使用DenseWDM技术的光纤干线系统,由于减少了光纤和光电 转发器的数量,由此可以节省建设费用和使用费用,而且在将来的双向的HFC传输系统中会节省更 多的投资。 考虑到一般一个中心可以为2O~80个光节点提供信号。一般在中心和每一个光节点之间有4 ~6根光纤连接,因为其中至少2根光纤是用于信号的双向传输,其他的光纤是预留的,用于在将 来将光节点更靠近用户或者将其它业务接入光节点。把光节点数和每一个光节点所需的光纤数相 乘,可以算出在每一个中心需要480根光纤。如果使用WDM技术可以在同一根光纤中传输多个线性 信号,那么在一个中心的光纤数量就可以减少67%,并且具有在将来将光节点扩展到更靠近用户 的能力。 如果光纤网络的条件允许,还可以节省更多的投资。例如:如果从中心到16个节点之间可以 用一根光纤通过16个波长把信号进行传输,那么我们就可以做到用10根光纤为80个节点提供双向 服务。图8为我们解释了这个概念,我们还必须注意的是,在为一个大城市建设一个系统时,这 种系统很可能包含10个或10个以上的中心,所以我们在计算投资的节省值时还必须乘以整个系统 中中心的数量。为了能节省投资,我们必须对激光进行研究,通过研究我可以用1550nm附近波长 的激光实现11O个频道的线性传输;同时我们必须大力开发WDM光学设备,这种设备安装在室外无 保护的环境中应具有极好的性能和稳定性。 人们提出的另一种方法是,从中心到节点之间用一个普通的波长传输普通的广播节目(其带 宽一般为50MHz~55OMHz);所有的窄带信号都有不同的波长传到节点上,在节点通过受光器把 所有这些信号混合在一起。尽管从光学角度这是可行的,而在实际应用中要想在节点通过受光器 把各种信号混合在一起却不是一件很容易的事情。这是因为在每一个节点处,让信号以正确的射 频电平进行混合是一件很困难的事。在这篇文章中我们不想就这一问题的技术细节进行具体的阐 述,我们只要了解受光器的输出信号的射频电平幅度跟输入光学信号的幅度以及调制度的平方成 正比就可以了。这样,当光节点受光器接受两个不同光发射器的输出信号(它们的幅度和调制度 都不同)时,要匹配这两个信号是困难的。 Dense WDM也许对将来返回通路的扩展也大有好处。现在分段向上变换是一种人们认为最理想 的方法,占用四个5~40MHz的返回通道,通过一个光纤把信号传回中心。也许在将来可以用光混 合的方法混合返回通道以代替目前的频率混合的方法。当然,这需要经济实用的多波长光发射器 和能够适应各种自然环境的、安装在光节点上的WDM。 4全光纤网络的挑战 当前全光纤网络的障碍主要在于设备和它的可实现性。ITU根据光学放大器在1550nm附近的 带通范围内的光波长,提出了标准化的频道间隔设想。在数字领域中,高速1550nm波长可提供 40个独立ITU波长的激光束是可实现的,而且它的价格也在逐渐和使用标准的1550nm激光相近。 目前有一些厂商正在致力于多波长光束的研究,以使在将来可以更大幅度地降低成本。但是使用 40个不同的频道,在实施过程中存在着发射机备份问题。这就限制了灵活性。现在较为理想的解 决办法是使用波长可调的激光,如果不能在所有发射机中使用的话,至少可以作为一种万能的备 用方法。这正如在二十世纪八十年代有线电视工业所遇到的情况,当时VSB/AM调制器是用于固 定的频道。波长可调激光的出现可以加速WDM系统的使用步伐。相应地,宽带线性光学设备也必 须有一些重大革新。 另外一个关键的问题是要能得到低成本高效率的WDM设备,这其中包括固定波长的和波长可调 的,室内使用的和室外使用的。在这个领域中,技术发展很快,这类设备已经初见端倪。 Dense WDM技术以及这种技术在全光纤网络中的应用,必将会促进有线电视网络的投资更低, 灵活性更好,可靠性更高。构成这种网络的光学设备也将会在今后两三年中出现,网络经营者也 可以为顾客提供更大的容量和更好的服务。