1550超长距离CATV传输技术研究进展

1550超长距离CATV传输技术研究进展(上)

上海霍普光通信有限公司 刘旭明

一、概述

二十世纪九十年代，随着1550模拟外调制光发射机技术和1550光纤放大技术的成熟，1550模拟传输技术在CATV领域获得了广泛的应用。从1995年国内第一套1550传输系统在辽河油田投入运营到现在已经近十年了。在这十年时间里，光纤传输技术取得了飞速的发展，特别是数字光纤传输技术可以说是突飞猛进。从传输波长来说现在已经发展到数十个波长的DWDM；从传统的C－Band，发展到S－Band + C－Band + L－Band全波段传输；数字传输速率也达到了10Gb/s系统的商用化，目前正向40Gb/s进发。然而模拟光纤传输技术和系统，除了安装和投入运营的系统数目大大增加以外，几乎没有取得实质性的技术进展。

众所周知，1550模拟CATV传输技术在实际应用中受到很大的限制，其中最重要的限制因素就是光纤的色散限制。由于普通G.652单模光纤存在很大的色散，色散系数达到17ps/(nm·km)。如果系统（最高频道CH－22，550MHz）传输距离达到100Km时，色散因素的作用会造成系统的CSO指标很快劣化；当系统传输距离达到130～150Km时，肉眼可以明显观察到CSO指标劣化形成的电视屏幕上的网纹干扰，远远达不到国标所规定的技术指标要求！

目前，国家广电总局积极推动电视的数字化和网络化，在不远的将来系统传输的最高频道会达到CH－42（750MHz）或者CH－56（860MHz），那么色散对系统的限制将更为严重。在传输的频道数增加和频道的频率上升以后，相当一部分现在已经运营的1550传输系统，很有可能不能正常运营！有的已经有不同程度的问题出现了。现在有很多地区有线电视的网络化受阻，就是因为网络传输的距离很长。采用SDH＋编解码方案太昂贵，很多地区无法承受，依靠现有的模拟1550传输技术手段又不能达到网络传输的技术指标要求。因此1550模拟CATV传输技术的色散限制问题已经到了非解决不可的时候了。

二、色散对1550模拟传输系统指标的影响和分析

理论和实验证明，在1550外调制CATV超长距离传输系统中，系统指标主要受到组合二阶失真（CSO）指标的限制，因为1550模拟CATV传输系统中的色散是导致CSO指标劣化的主要原因。

如上图所示，G.652光纤光缆本身具有很大的色散指标（17ps/nm·km），光波在色散介质中不同频率分量有不同的群速率，因此在光纤的输出端形成不同延迟的包络分量的叠加，表现为光波的包络失真，通过光探测器检波后主要表现为电信号的二阶失真。

1、G.652光纤的色散对CSO指标的劣化分析

在1550nm波长大功率超长距离光纤传输网络中，光发射机发射CATV信号时要对光波进行强度调制（AM），不可避免地也造成了相位调制（PM），常称为频率啁啾（chirp）。带有频率啁啾的信号在G.652单模光纤中传输时，受到光波导色散作用产生非线性失真。其二阶非线性失真可表示为：

CSOdsp = 20*log(D*L*Δλ*ω) + 10*log(NCSO) 公式1

其中，L是光纤的长度，D是色散系数。ω是CSO产生处的角频率大小，Ncso是CSO的产物数量多少，Δλ是光信号的谱宽。

公式1中的10*log(NCSO)项就是光发射机本身产生的CSO，公式1中的20*log(D*L*Δλ*ω)项就是光纤色散导致的CSO指标的劣化，其中D*L是链路光纤的总色散。该项也表明如果信号的频率ω（即2* *f）越高（即频道越高），色散对指标的劣化就越大。如果D*L链路光纤的总色散很小或者为零，那么其对CSO指标的劣化就很小或者可以忽略不计，这就是色散补偿技术的原理。

在增加光色散补偿器时，在选取合适的光色散补偿器使两者叠加正好为零色散，即D*L≈0，这样CSOdsp≈10*log(NCSO)。理论上可以完全消除了色散对CSOdsp指标的影响。

2、SPM（自相位调制）对CSO指标的劣化分析

在1550nm波长大功率超长距离光纤传输网络中，由于大功率调幅光信号会导致光纤折射率的变化使光纤中的自相位调制（SPM）现象不可避免。SPM与G.652光纤的色散相互作用，又通过相位—强度（PM－AM）转换过程，造成很大的二阶失真，使网络的CSO指标劣化。具体计算公式如下： 公式2

其中m是1550光发射机每个频道的调制度、K＝2 /λ、n2是光纤的非线性系数，P0是直接进入光纤中的光功率大小， ，L是光纤的长度，Ω是CSO产生处的角频率大小，Ncso是CSO的产物数量多少，D是色散系数。λ是光信号波长，C是光速，Aeff是光纤的有效面积。

公式2表明SPM导致的CSO劣化与光纤中的光功率P0有直接的关系，是成正比关系的！所以控制光纤中的光功率可以有效降低SPM对CSO指标的劣化。

M.C.Wu等人的理论和实验研究表明，SPM导致的CSO劣化较公式1更为复杂，与光发射机内部外调制器的很多参数都有密切的关系。

上图表明，在某一相位调（PM）制度（β）情况下，在某一特定距离时，CSO可以接近背靠背传输方式（TX—RX）的CSO指标，即SPM导致的CSO劣化基本可以忽略，这是一个非常重要的信息！我们可以适当改变光发射机内部的工作参数，控制SPM导致的CSO劣化量。

3、色散对信号电平的影响

在1550超长距离传输系统实验测试时，为了保证测试数据的可比性，我们将每一级EDFA的输入功率和输出功率、光接收机的接收光功率等参数，在加色散补偿和不加色散补偿时，通过光衰减器调节到一致！

测试数据表明，在CH－22频道有无色散补偿输出电平相差2～3dB，没有加色散补偿时输出电平低！从图三和图四可见，频率越高输出电平相差越大，在CH－57频道（860MHz）相差10dB之多。光接收机本身输出有一定的预均衡值（50～860MHz是5dB）。我们仔细重复以上实验依然如此，而以前没有这方面的报道。 从理论上可以定性得到解释是：色散造成光信号（脉冲展宽－针对数字系统）失真，在某种程度上起到了降低光信号调制度的同等效果（实际上光OMI不可能改变），链路越长色散越大、影响越大，电平的变化也越大。当然这种现象要从理论上得到充分的论证还有很多工作要做！（未完待

1550超长距离CATV传输技术研究进展(上)

三、色散补偿技术在1550 CATV超长距离传输系统中的应用

在数字传输系统中，色散补偿技术是比较成熟的、并得到广泛应用，主要应用在10Gb/S、40Gb/S以上的超高速系统中。

目前，实用的色散补偿技术主要有三类：基于色散补偿光纤（DCF -

Dispersion Compensating Fiber）型、基于光纤光栅（Fiber Bragg

Grating ）型和基于F-P腔或G-T腔型。基于以上三种技术的色散补偿模块（DCM）都是面向数字通信系统应用而研究和生产的。我们通过大量的实验研究表明，它们并不适合模拟CATV传输系统的严格要求，有的色散补偿模块甚至还会给信号带来新的失真！

在2003年9月，上海霍普光通信有限公司的1550超长距离色散补偿系统成功在湖南永州地区开通，通过四方代表组织的测试和验收，CNR>50dB、CSO>63dB、CTB>65dB，从投入运营到现在，本传输系统指标高、性能稳定。

在光传输链路中增加了光色散补偿器后，假设某一条光链路的色散是D＋（正的）＝D*L。由于光色散补偿器的色散是负值，选取合适的光色散补偿器使其色散为D－（负的）＝－（D*L），两者叠加正好为零色散。根据公式1，理论上解决1550 CATV超长距离传输G.652光纤色散对CSO等指标的劣化问题，使网络的技术指标能得到充分的保证！即：D总＝D＋＋D－。如下图所示：

在实际应用中，究竟需要多大的色散补偿量与光发射机是有一定的关系。实际网络中和实验研究表明，要使两者完全匹配，总色散正好为零是有困难的、有时也并非是最佳的！实验研究表明色散补偿模块（DCM）的位置也是影响补偿效果的重要因素。除此以外，必须考虑SPM对系统CSO指标的劣化，并采取措施予以优化。

四、1550 超长距离CATV传输技术试验研究进展

1、320公里1550模拟电视传输系统

根据我们色散补偿技术研究的成果，我们在试验室完成了色散补偿320公里的传输系统，实际传输59个PAL/D频道。系统设置如下图六所示。

图中EDFA后面的光可调衰减器为了调整光功率以保证入纤光功率不能超过SBS值，蓝色的小方块表示色散补偿器，上面的数字表示补偿的G.652光纤公里数。光发射机的具体指标参照上海霍普公司FOT-20XL指标（ ）。光接收机采用HOR-200W；光色散补偿器采用HDCM-200系列产品。

HDCM-200系列产品是HOPECOM根据1550 超长距离CATV传输系统的特点专门研制的，特别适合1550 CATV传输系统的高要求，与目前数字传输系统中使用的DCM不同！

上述系统经过仔细的调整，最终系统的详细测试指标如下：

2、405公里1550数字电视传输系统

为了满足将来数字电视联网对传输距离更远的需求，根据客户的要求我们在试验室完成了色散补偿405公里的数字电视传输系统，实际传输20个56QAM频道，最高频道为ch-56。

图七 450公里1500超长距离数字电视传输系统

数字前端的主要设备有：同洲数字卫星接收机、V－Shine复用器、HARRIS

QAM调制器。机顶盒GS-2004B。

仔细调整系统的工作状态所有的QAM频道信号都可以满意的接收。将光接收机的光功率减低3dB系统内的任何频道仍然可以接收解调，说明系统至少有3dB的余量。采用Hirschmann的UPM3300测试，256QAM测量得到：MER=24.0dB、BER＝1.5E-4。64QAM测量得到：MER=28.6dB；BER<1.00E-8。

试验中将一路高清晰度电视（HDTV）码流（32Mbps）输入系统可以稳定地接收，证明系统完全可以在将来实现高清晰度电视节目的超长距离传输。（全文完）