《广电宽带城域网技术》 HFC网正向光纤链路常规设计总概要

1、1广电宽带城域网技术 HFC网正向光纤链路常规设计总概要2光缆线路设计内容光缆线路路由选择光缆线路敷设方式选择光缆与光纤选型光缆线路敷设安装要求光缆线路防护设计光缆线路传输指标设计光纤传输的色散补偿3光缆干线传输系统的结构4HFC正向光链路具体设计一.设计步骤和方法5HFC光链路具体设计步骤（一）调查研究和收集资料，（二）确定结构和划定片区，（三）计算损耗和定分光比，（四）归纳整理和计算指标。6（一）调查研究和收集资料1.调查研究：对服务区域内的基本自然条件、用户分布和地理环境全面了解，尤其是行政管辖范围、交通道路设施、通信或广播杆路、桥梁管孔位置、城镇建设规划等实际情况，在详细调研勘察基础上

2、，进行综合分析，做到心中有数，并进行必要的数据整理。2.收集资料：尤其是光设备（光发射机、光接收机、光分路器、光活动连接器）的技术参数和价格，厂商提供的光链路实测性能指标曲线、光纤传输特性和光缆机械物理性能等，并进行性能价格比较，为器材选用、设定估算标准提供依据。7（二）确定结构和划定片区1. 按照本地区有线电视系统的整体规划和技术方案，充分考虑未来业务的发展需求，根据“布局合理、路径最短、易于施工、便于升级”的原则，确定出光缆干线、支线的拓朴结构、路由走向及分叉点位置。8（二）确定结构和划定片区2.根据当前所采用的HFC网络的结构形式和工作带宽，划定片区，确定光节点具体位置。片区的大小要考虑

3、今后光纤进一步向用户端延伸和再分割小区的需要。一般说来，若采用光纤到路边的FTTC形式，片区的用户数约为500户，若采用光纤到最后一个放大器的FTTLA（无源同轴网）形式，片区的用户数约为100户。片区范围越小，工作带宽就越宽。光节点原则上应定在片区的中央。9（二）确定结构和划定片区3. 在光路结构和光节点确定的基础上，实测出各段光缆的段长、各光节点至光分路器的距离，并给各光缆段、各熔接点、各光节点及各片区命名编号。绘制设计图：（1）光缆干线结构图（2）片区分布示意图图中应明确标定各段光缆路由走向、各熔接点和各光节点具体位置、各片区分布的范围。10（三）计算损耗和定分光比1根据所设定的光接收机

4、平均输入光功率Pr(dBm)和光分路器输入光功率Pt(dBm)（若光发射机后不加光放大器，即为光发射机平均输出光功率；若光发射机后加有掺铒光纤光放大器EDFA，即EDFA的饱和输出光功率）以及工作波长，确定：（1）光纤链路所允许的最大链路损耗A（dB）， （2）分别计算出各光节点至光分路器的光路损耗 Bi（dB），（3）光分路器该路输出臂处的所需要的光功率Pi(dBm)，（4）该路的光分路器允许插入损耗Li(dBm)。（各符号意义详见后述）11（三）计算损耗和定分光比2. 通过四个步骤：（1）“归类”（即按各路Bi（dB）的数值大小依次排列）（2）“分组”（即将同一个光分路器后所带动的光接收机

5、编成一组，编组中应考虑充分利用光发射机的输出光功率，并尽可能将同一干线上的光节点由同一台光发射机驱动）（3）“定比”（即具体确定各光分路器各路输出的分光比）（4）“复算”（对全网光发射机、光放大器、光节点配置方案及分光方案进行多次估算和反复验算），以达到最隹的设备配置和最优的分光效果。（计算方法详见后述）12（四） 归纳整理和计算指标1列出片区基本数据表，表中包括片区编号、片区名称、片区面积、所辖行政范围、覆盖用户数、光节点至前端（或分前端）距离、分支熔接点编号、备注等。2按照干线结构、光缆长度、所划定片区位置及光分配方案，确定各光纤熔接点和接续盒位置以及各段光缆的光纤芯数。绘制光缆干线熔接示

6、意图，图中重点注明每条干线所属各段光缆段长和芯数、光纤之间的相互熔接关系。3. 列出干线基本数据表，表中包括干线编号、所属片区数量、分支熔接头和直通接头数量、各类多芯光缆的段数及段长等。13（四） 归纳整理和计算指标4. 根据厂商提供的光链路实测性能指标曲线，进行实际使用指标的换算，判断光链路是否达到设计要求。（详细换算法则后述）5. 综合各种基本技术资料，结合实际实施阶段的要求，制定光缆干线施工方案。应当指出，上述四个步骤在具体设计中往往是“交叉作业、反复计算、仔细推敲、综合考虑”的过程，不是一蹴而就的。考虑的重点：（1）光纤的最大损耗、（2）光发射机的最大输出光功率、（3）光链路的性能指标

7、、（4）分光器的插入损耗、（5）光接收机允许的最小输入光功率、（6）整条光链路的裕度等都应是贯彻始终应考虑的重要因素。14 光发射机光K1%分K2%路Ki%器Kn%活动连接器熔接点光纤光接收机光缆长度Di(Km)Li(dB)损耗Bi (dB)A(dB)PtPrP1PiPnP2活动连接器光链路构成示意图15二. 估算标准的设定在具体设计计算中，确当设定比较符合实际的估算标准是保证设计正确性和准确性的重要一环。以下所列出的是常规设计中的估算标准，在具体设计中可根据所选用的设备和器材的性能加以修正。（一）单模光纤的损耗系数 dB/km工 作 波 长 不计熔接头损耗 计入熔接头损耗 （nm） dB/k

8、m dB/km 1310 0.35 1550 0.20 16估算标准的设定（二）光纤活动连接器损耗LcdB 通常光发射机和光接收机各有一个光纤活动连接器，其损耗约为个，故光纤活动接器总损耗 = 2 Lc = 20.5 = 1dB。 （三）熔接头损耗：小于个；为便于简化计算，通常可将其归并在损耗系数 中计算。17（四）光分路器损耗LidB1光分路器损耗Li(dB)=理论分光损耗+分光器的插入损耗Li(dB)= 10lg(100/K)(dB)+Li(dB)。 2理论分光损耗=10lg(100/K)；其中为分光器的分光比。分光器的插入损耗Li(dB)与分光器的实际构造方法有关，具体可参见表格。18(

9、1)常用12熔锥型分光器损耗表分光比 高输出端损耗 低输出端损耗 高/低端的差值 （dB） （dB） （dB） 50/50 3.5 3.5 055/45 3.3 4.2 0.960/40 2.8 4.7 1.965/35 2.4 5.3 2.970/30 2.0 6.0 4.075/25 1.7 6.8 5.180/20 1.4 7.9 6.585/15 1.1 9.3 8.290/10 0.9 11.3 10.419分光器的选择原则：若已知两路光损耗的差时，就可选择与上表中（dB）最接近的分光器，从而保证各使各个光节点接收机的输入光功率Pr(dBm)基本相等。目的：各个光链路的指标基本相同。

10、当分路多于两路时，就需用几个12分光器进行组合分光。20 不均匀的分光器值得指出，对于不均匀的分光器，其各输出臂的插入损耗是不同的，也即插入损失功率不同。以分光比为60/40的12分光器具体说明这个问题。设12分光器输入光功率为10mw(10dBm),当无插损时，高脚理论输出功率为10606mw（），低脚理论输出功率为10404mw（6dBm）。实际有插损时，可按上表计算得：高脚实际输出功率为10（），低脚实际输出功率为10（），实际输出总功率为（）。高脚的插入损耗则为，低脚的插入损耗则为6，总的插入损耗则为10。高脚的插损功率为6，低脚的插损功率为4，合计插损功率为10。21计算结果归纳分光

11、器端口 输入 输出高脚 输出低脚 输出合计无插损时 10dBm 7.78dBm 6dBm 10dBm理论功率 10mw 6mw 4mw 10mw 实际功率（ dB ） 实际功率 （真值） 插入损耗（ dB ） 插损功率 221N分光器(2)有文献报导,采用12熔锥型分光器级联构成的1N分光器附加损耗 Li（dB）也可按下表估算。1N分光器类型 附加损耗 Li（dB） 23连续熔融拉锥1N分光器（3）采用连续熔融拉锥技术制造的1N分光器（N = 29）附加损耗Li(dB)可做得比较小，如下表所示。24分光器的附加损耗值分光器类型1N附加损耗 Li(dB)120.2130.3140.4150.45

12、160.5分光器类型1N附加损耗 Li(dB)170.55180.6190.71100.81110.925（五）光纤长度Dkm原则：光纤长度通常按实际丈量的杆公里长度再加5%计算, 即设计光纤长度D = 1.05(实际距离)。实际距离的误差应50米。26（六）光链路裕度(预留余量)Lm(dB)工作波长1310 （nm）预留余量0.5(dB)工作波长1550 （nm）预留余量0.3 (dB) 27（七）光接收机平均接收光功率PrdBm工作波长（nm） 平均接收光功率(dBm) 1310 -2+1 1550 0接收光功率太低，造成光链路噪声指标不满足要求；CNR太低。接收光功率太高，造成光链路失真

13、指标不满足要求；CTB、CSO太低。同时有可能烧毁光接收机中的光检测器。28（八）光链路最大允许损耗A（dB）max工作波长 最小接收光功率 链路最大允许损耗（nm） Pr(dBm)min A（dB）max 1310 -2 Pt(dBm)+2 1550 0 Pt(dBm)29三.指标分配和合成（一）指标分配原则 一级调幅光缆系统的指标分配，可参考下表。在750 MHz系统中，支线放大器占相当大的份额，若采用倍功率输出的放大器，可串接23台，光节点所带户数在2000户以下。 两级调幅光缆系统的指标分配，可参考下表，在750 MHz系统中，不用支线放大器的结果是光节点所能带户数降到100户左右。3

14、0一级调幅光缆系统的指标分配表指标 CNR(dB) CTB(dB) CSO(dB) 份 额指 标份 额 指标份 额指 标前 端 25.0%50.0-驱动放大2.5%60.010.0%76.010.0%65.0光缆链路60.0%46.225.0%68.025.0%61.0支线放大10.0%54.025.0%68.025.0%61.0分配放大2.5%60.040.0%64.040.0%59.0总 计 100.0%44.0 100.0%56.0 100.0%55.031两级调幅光缆系统的指标分配表指标 CNR(dB) CTB(dB) CSO(dB) 份 额指 标份 额 指标份 额指 标前 端 25.

15、0%50.0-驱动放大2.5%60.010.0%76.010.0%65.0光缆链路70.0%45.650.0%62.050.0%58.0分配放大2.5%60.040.0%64.040.0%59.0总 计 32（二）指标计算公式指 标 CNR(dB) CSO(dB) CTB(dB)国 标 43dB 54dB 54dB设计值 44dB 55dB 55dB规 律 功率叠加 功率叠加 电压叠加 符合10lg转换法 符合10lg转换法 符合20lg转换法33公式说明(1)公式中，角标s表示系统指标，角标i表示第i个部分的部分指标，ai表示第i部分所占的份额（占比），ai总是小于1的。 (2)CSO的叠加

16、规律，在频率道数较少时，符合15lg转换法，即介于功率叠加和电压叠加之间。但当频道数较多时，可以按功率叠加处理。 (3)为了表达上的方便，在下同的场合，CSO(dB)、 CTB(dB)的值有时写成正数，有时写成负数，其实质都是反映相对电平的概念。写成正数时，是指C/CSO和C/CTB。写成负数时，是指CSO/C和CTB/C。符号取正取负本身并不重要，绝对值的大小才是问题的本质。34分配公式核心问题：已知总指标和占比，求部分指标。CNRi(dB) =CNRs(dB)-10lgai CSOi(dB) =CSOs(dB)-10lgai CTBi(dB) =CTBs(dB)-20lgai其中，角标i表

17、示部分指标，角标s表示总指标，ai是部分指标占总指标的占比。占比ai总是小于，但大于0 。定义域（0，1）。10lgai是个负数，部分指标的数值总是大于总指标。占比ai越小，则部分指标的数值越大，也就是对该部分的指标要求越高。35合成公式核心问题：已知部分指标，求总指标。CNRs(dB) =-10lg10-CNRi(dB)/10CSOs(dB) =-10lg10-CSOi (dB)/10 CTBs(dB) =-20lg10-CTBi(dB)/20划分的部分越多，总指标比部分指标下降得越多。（越合成，总指标越差）总指标总是小于最差的部分指标。指标越合成，总指标下降得越多。36四.指标换算和调整光

18、端机设备选定以后，整个光链路在额定测试条件下（额定频道数、额定链路损耗等）的技术指标也就随之确定。（由厂家产品说明书提供）在实际工作状态（由运行商决定）下的运行指标可进行必要的换算。目的：知道在实际运行时光链路的实际指标。注意：在光链路中，噪声指标和失真指标是互相牵连的，可以在光链路上可以调整。37光调制度光调制度是RF 信号功率和激光器标称光功率之比。通常光调制度有两个概念，一个是每频道的光调制度m ，另一个是整个工作频带内总的光调制度M。两者关系为：M = mN。其中，N 为工作频道数。若每频道的光调制度m =4 %， 则59 个频道的平均总调制度M 为4 % 59 1/2 = 30. 7

19、 %。实践证明平均调制度在25 %35 %之间可获得较好的线性。38光调制度的调整目前的光发射机有两种状态可供选择：一种是自动增益控制(AGC)，另一种是手动增益控制(MGC) 。如果光发射机工作在AGC 状态，当工作频道数N 或输入RF 电平变化时，RF 信号处理电路输出到激光器的总的RF 信号功率基本恒定，从而使总的光调制度M 不变，每频道的光调制度m 自动调整；当光发射机工作在MGC 状态，工作频道数N 变化或输入电平在一定范围变化时，总的光调制度M 也将变化。为使M 不变，必须手动调节射频RF 输入电平。39MGC 状态RF输入电平调整Vi (N) = Vi(NR) + 10 lg (

20、NR/N)式中：NR额定工作频道数；N 实际工作频道数；Vi (N)N 个频道下的RF输入电平；Vi(NR)额定负荷状态下的RF输入电平。工作频道数增加， RF输入电平减小，总的光调制度不变，以保证较好的线性。40（一）光发射机每频道输入射频电平保持不变(m不变)时设额定频道数为NR，实际频道数为N， NR频道下的光调制度为mR，总的所有频道光调制度为MR=mRNR , 由于光发射机每频道输入射频电平保持不变, m=mR , 一般NNR ,MMR ,则实际运行指标为: CNR(dB) = CNRR(dB) CTB(dB) = CTB R(dB)+20lg(NR /N) CSO(dB) = CS

21、O R(dB)+10lg(NR /N)m是单个频道的光调制度，一般为左右，M是总的光调制度，它是N个m的几何平均值。当m不变时，光链路载噪比不变。当m不变时，光链路失真指标改变，频道数越多，指标下降得越多。 41（二）光发射机总的光调制度保持不变(M不变)时总的光调制度保持不变,意味着每频道输入射频电平E要加以改变。设额定频道数NR下的每频道输入射频电平为ER , 实际频道数N下的每频道输入射频电平为E, 则实际运行指标为: CNR(dB) = CNRR(dB) +10lg(NR /N) CTB(dB) = CTB R(dB)+20lg(NR /N)+220 lg(ER/E ) CSO(dB)

22、 = CSO R(dB)+10lg(NR /N)+210 lg(ER/E )42（三）NTSC制转为PAL制时由于NTSC制的等效噪声带宽为3.95 MHz ，PAL制的等效噪声带宽为，则PAL制的载噪比为: CNRPAL (dB) = CNRNTSC(dB)-10lg(5.75 /3.95) = CNRNTSC(dB)-1.6(dB)43（四）指标的调整规律在实际工程中，可应用下列规律：1当接收光功率在-2+2dBm时, 接收光功率降低1 dB , 光链路的CNR(dB) 降低1 dB。接收光功率越高，则光链路的载噪比越高。2光发射机输入射频电平增大1 dB，光链路的CNR(dB)将增大1

23、dB，CTB(dB) 将降低2 dB， CSO(dB) 将降低1 dB。光发射机输入射频电平越高，则光链路的载噪比越好，但失真指标越差。因此，两者之间是互相牵连的。44实际光链路指标调整举例已知：光发射机额定输入射频电平=96dBV时，光链路的dB，CSO=60dB ，CTB=65dB，光接收机输出射频电平= 96dBV 。现要求实际光链路指标，CSO=61dB ，CTB=68dB，问应如何进行调整？解：实际光链路指标与额定指标的差别是：CSO提高61-60=1dB ，CTB提高68-65=3dB，CNR降低51.2-46.2=5dB。根据光链路指标的调整规律（光发射机输入射频电平增大1 dB

24、，光链路的CNR将增大1 dB，CTB将降低2 dB， CSO) 将降低1 dB ） ，可将光发射机射频电平调整为94.5dB V（即调低）。实际的 CSO=60+1.5=61.5 dB， CTB=65+21.5=65+3=68dB ， ，光接收机输出射频电平= 96-1.5=94.5 96dBV，可满足要求。45五.分光方案的计算（一）光路损耗的计算 设光发射机发送光功率为PtdBm，光接收机接收光功率为Pr(dBm)，则光路损耗A(dB)是指发送端至接收端整个光链路上所有损耗之和，可表示为 A(dB)=Pt(dBm)-Pr(dBm) =D+10lg(100/K)+Li+2Lc+Lm 式中，

25、为光纤计入熔接头损耗的损耗系数，单位是dB/km；D是光纤长度，单位是km；K是光分路器的分光比；Li为光分路器的插入损耗，单位是dB，数值取决于所采用的具体分光器；Lc为活动光连接器损耗，对于防反射角度型FC-APC连接器，通常取个；Lm为光链路预留余量，单位是dB,可根据工作波长不同，取。46关键环节在光纤星形拓朴结构的网络中，为使各条光纤链路性能指标基本一致，各光节点接收光功率大致相等。所以，各光链路的光路损耗A(dB)是一样的。光节点越远，相应分得的光功率越多。光纤长度越长的光链路，其分光比K%的值也相应大些。正确给定光功率的分配方案是光纤链路设计中最关键的环节。公式简化：当工作波长为

26、1310nm时，若取Pr(dBm)=-2 dBm，=0.4 dB/km，上式可简化为 A(dB)= 0.4D+10lg（100/K） = 0.4D+10lg（100/K）+247（二）分光比的估算1、从接收端向光分路器倒算光分路器的输入光功率 分别计算出各光节点至光分路器的光路损耗 Bi（dB）,以及光分路器该路输出臂处的所需要的光功率Pi(dBm)并将其转换为Pi(mW),将所有Pi(mW)相加得出光分路器总的输出光功率PO(mW),并将其转换为PO(dBm)，则有： PO(mW)=Pi(mW)第i路的分光比为 i= Pi(mW)/ PO(mW)光分路器的输入光功率为 Pt(dBm) = P

27、O(dBm)+ Li+ Lc = PO(dBm)+0.5+0.5= PO(dBm)+1第i路的分光损耗为 Li(dB) = Pt(dBm) - Pi(dBm)48分光比的估算2、从光分路器输入端正算各光节点实际的接收光功率和光链路裕度 按照Pt(dBm)和i选取合适的光发射机、光放大器、光分路器，然后计算出实际的各光节点接收光功率和光链路裕度。49（三）进行光链路指标的验算在实际光链路结构确定后，应根据系统分配指标和实际性能指标之间是否符合的验算。计算公式已在前文中罗列，不再细述。50 问题讨论在调幅光纤链路中，主要使用哪些设备和器件？它们各有什么功用？光发射机：电光变换（E/O）光接收机：光

28、电变换（O/E）活动连接器：光端机与光纤互连光分路器：将一路光输入分成N路光输出光纤接续盒：对熔接光缆加以固定和保护光放大器：将输入光功率放大后输出供电电源：向光有源设备供电51环形拓扑一级光链路环形拓扑光纤链路是中国大中型有线电视城域网的主要光纤干线网络拓扑结构，而且城域网一级光纤干线一般采用1550nm 双环结构构成具有自愈能力的热冗余备份环（也有采用1310nm 激光发送机构成环形光纤传输干线）；在可靠性要求较高的大型城域网中，冗余备份光纤环路的路由也与主环路不同路由，以确保路由及设备都能够提供良好的备份功能。52环形拓扑一级光链路逻辑上仍然是星型结构53环形1550nm 光链路环形15

29、50nm 光链路的覆盖范围一般都在50km 以内，1550nm 发送机及EDFA 一般都放置于主前端机房，由于单级最大传输距离在50km 以内，受激布里渊散射（SBS）及自相位调制（SPM）对传输信号非线性失真特性（CSO）的影响可以得到很好的控制，设计时不必专门进行色散补偿设计计算，非线性失真指标也可以得到较好的控制，系统设计时主要考虑载噪比性能。如果选用性能优良的1550nm 传输设备，环行光链路的指标：载噪比51dB、CTB65dB、CSO65dB。541550nm光链路的相关问题（1）1550nm光链路的计算方法与1310nm相似，但应注意：（1）1550nm光设备用于距离20 km传

30、送， 1550nm光设备价格高于1310nm光设备。（2）1550nm光发射机一般与光放大器EDFA连用；通常有两路输出，典型为27dBm；传送距离 60 km ，无需中继；传送距离60 km，需中间加一级光放大器，典型传送距离可达100 km。 EDFA可用在光发射机后，也可用在光链路的中间。55（3）光放大器EDFA输出功率等级通常有13、16、19和22dBm。由于受到受激布里渊散射SBS（Stimulated Brillouin Scattering）阈值的限制，入纤光功率等级有13、14、15和16dBm；一根光纤的最大入纤光功率为16dBm。 19和22dBm光放大器的输出光功率要

31、经分光器进行分光；其中，最大分路光功率不得超过16dBm，因此可带几条光链路。（4） 1550nm光链路光纤计入熔接头损耗的损耗系数为=0.25 dB/km；光链路的预留余量Lm=0.3 (dB) 。1550nm光链路的相关问题（2）56受激布里渊散射SBSSBS （Stimulated Brillouin Scattering） 现象：当注入光纤的信号光功率超过一定数值时，将有很强的前向传输信号光转化为后向传输。SRS和介质宏观弹性性质有关。 57（5）只要光放大器EDFA输入光功率在允许范围内，则输出光功率为恒定值（饱和输出光功率）。如16dBm光放大器当输入光功率为07dBm时，输出光功

32、率恒定为16dBm。1550nm光链路的相关问题（3）58（6）光放大器输入光功率Pi对光链路载噪比CNRdB有影响，影响在2dB范围内。规律：输入光功率高，光链路载噪比就相应高，可查阅产品的指标曲线。（图7-8）当Pi=10dBm时， CNRdB=51.3d B，当Pi=9dBm时， CNR dB =51.2d B，当Pi=8dBm时， CNR dB =51.0d B，当Pi=7dBm时， CNR dB =50.8d B，当Pi=6dBm时， CNR dB =50.5d B，当Pi=5dBm时， CNR dB =50.2d B，当Pi=4dBm时， CNR dB =49.9d B，当Pi=3

33、dBm时， CNR dB = 49.4d B，当Pi=2dBm时， CNR dB = 48.9d B。1550nm光链路的相关问题（4）59设计实例设计要求：采用=1310nm，光发射机Tx带W1、W2、W3三个光节点。设定接收光功率Pr=-2dBm ，Lm=0. 5dB ，Lc = 0. 5dB ，= ， Li =0. 5dB 。计算：（1）确定Tx发射光功率Pt；（2）确定分光比；（3）确定光缆段长、芯数；（4）估算光链路指标。2km/82km/120.2km/41.2km/40.6km/4W1W3W260三个光节点的逻辑结构图TxW1W2W3D3=5.2kmD2=4.6kmD1=2.2km61一、反向推算（倒算）1、各光节点的光纤损耗DiD12.2=0.88dBD24.6=1.84dBD35.2=2.08dB2、初定分光器输出端的光功率Pi公式简化：Pi- Di -Lc-Lm =Pi- Di-1 =Pr=-2Pi= Di-1P1= 0.88 P2= P