关于PDFA在光纤有限电视系统中的应用

摘要：由于PDFA在1300nm波长窗口优良的放大性能，工程实用型的ＰＤＦＡ的出现，相对与1550nm的光纤ＣＡＴＶ系统，以其优异的性能价格比对我国当前大量铺设的1310nm的ＣＡＴＶ统的兴建、低成本改造与系统升级有着重大的实际意义。本文介绍了工程实用型PDFA的性能参数、应用ＰＤＦＡ后的ＨＦＣ系统的组网方式、应用ＰＤＦＡ后的1310nm波长ＣＡＴＶ系统与1550nm波长ＣＡＴＶ系统的比较。

我国是有线电视大国。有线电视入网用户迄今已近九千万户。而由于国家CATV光纤干线网的建成，全国统一的光纤ＣＡＴＶ网络的实现指日可待，也使光纤局域网的建设迫在眉睫，可以肯定，今后几年会掀起一个光纤有线电视建设与改造的高潮，而工程实用型PDFA的出现将以其优异的性能价格比使现有的光纤ＣＡＴＶ网络建设的格局发生根本性的改变。本文将介绍ＰＤＦＡ的原理、性能参数、应用ＰＤＦＡ后的ＨＦＣ系统的组网方式、应用PDFA后的1310nm波长ＣＡＴＶ系统较1550nm波长ＣＡＴＶ系统在性能价格比上的优势。

掺镨光纤放大器（ＰＤＦＡ）是工作于1300nm波长窗口的，以掺镨光纤作为增益介质，以1017nm附近波长的激光器作为泵浦光源的一种光纤放大器。ＰＤＦＡ的性能主要决定于掺镨光纤、泵浦光源的性能及ＰＤＦＡ的光路设计。

本公司的O-Band工程化实用型ＰＤＦＡ是采用高可靠性半导体泵浦源与高效率的PDF设计技术，并对ＰＤＦＡ光路结构进行优化设计而制造的整机，其功率可高达17dBm以上，工作带宽为1290nm至1320nm，非常低的模拟失真，可广泛适用于1310nm ＣＡＴＶ系统，数字光通信系统，DWDM系统，及光器件性能的测试。其主要性能参数见表1。

光纤通信技术的发展给有线电视网络带来革命性的变化，光纤对信号格式、信号速率传输透明的特性、极大的带宽使在光纤有线网络上传输所有的业务（数据通信、语音、视频等）信号成为可能。光纤有线电视网的宽带资源和网络物理结构为建设三网合一的新型多媒体互联网络提供了良好的物理基础。

一个完整的有线电视互联网络由信息源系统、骨干网系统、接入网系统、用户端系统组成。信息源系统包括所有提供给网络的视音频信息，Internet信息和高速数据广播信息及将这些信息发送到有线电视互联网络上的一切前端设备。信息源一般要位于省（或国家）网络总前端。骨干网系统指的是由国家--省（市）--市（地）--县的光纤有线电视传输网。为环形自愈结构，以利于网络的高稳定性和高可靠性。采用同步数字体系ＳＤＨ或密集波分复用ＤＷＤＭ系统作为传输信号的技术手段，采用的网络传输协议为IP协议。称之为IP骨干网。接入网系统指的是城域网和县乡网，为ＨＦＣ网络结构。由二级光纤网加同轴电缆分配网组成。光纤网采用1310nm或1550nm光工作波长的发射机发射光信号，由相应的光纤功率放大器ＰＤＦＡ(或EDFA)将光功率提升，用光分路器分路后进入光纤，传输至光节点（如距离较远，则需加中继光放大器ＰＤＦＡ或ＥＤＦＡ）。电缆分配网则是从光节点取出信号通过同轴电缆，再经过放大器和分支分配器将信号送至有线电视用户终端处。整个系统的原理图如图1所示。


IP骨干网（省-市-县网）	ＨＦＣ接入网（县-乡-村网）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1 光纤ＣＡＴＶ组网图

根据广电总局提出的"村村通广播电视"的精神，ＣＡＴＶ系统就需要一个整体的传输方案，我国许多地方已采用光纤技术进行了"县--乡(镇)"的联网,但"县--乡镇--村"的联网是今后的发展趋势。大多数县-乡有线电视网络将改建成750MHz带宽的"县--乡--村"ＨＦＣ网。前端到光节点采用光缆传输，每个光节点覆盖500~1500用户，光缆为四芯以上，其中一芯用于传送模拟的电视广播信号，其它作备份。其网络频带划分如下表2。

频带（MHz）	用途
5~65	数据上行
87~108	调频广播
111~550	模拟电视
550~750	数字电视、数据下行

而ＰＤＦＡ的出现将从根本上改变现有的1550nm ＣＡＴＶ系统一统“县--乡--村”ＨＦＣ网络的格局,使1310nmＣＡＴＶ系统在ＨＦＣ系统改造中成为替代1550nm系统的必然选择。

三．应用ＰＤＦＡ后的1310nm波长与1550nm波长ＣＡＴＶ系统的比较

1．“光-电-光”转换的中继方式对有线电视系统性能的限制

有线电视的三大技术指标CNR、CSO、 CTB是在进行有线电视系统设计时首先要考虑的最重要的三个参数。计算方法如下：

其中CNR的指标可以通过提高光功率，提高设备的设计指标，使其在光缆部分中的比例减小，来满足电缆分配系统的要求。但是CSO和CTB的指标完全取决于设备，一般发射机CSO和CTB的设计指标在满信道时为-65dB，在"光-电-光"转换模式下各级光网络中均被占去约20%和30%，那么在二级光网络后留给电缆分配系统中的比例仅为非作50%和30%，根据CTB＝CTB(单台指标)＋201gN(N是放大器的串联级数)，如果采用较为理想的功率倍增式放大器，按单台CTB为-74dB计算得出电缆分配系统经不起3级放大。

因为有线电视系统的性能要求，和"光--电--光" 转换方式本身对传输信号格式、速率的不透明限制了将来的数据通信、语音、视频业务的融合，决定了这种方式在"县-乡镇-村"的联网中不应当存在。

因此最佳的解决方案是利用光纤放大器。利用光放大器直接光信号放大，对于CSO和CTB指标几乎没有影响，只是CNR指标有所劣化，但只要考虑将放大器的输入光功率Pin设计大一些（如Pin>3.5dBm），就可将劣化值控制在1dB以内。

2．应用ＰＤＦＡ后的1310nm与1550nm波长系统的性能价格比较

适合于有线电视系统传输的有1310nm和1550nm光波两个窗口，目前在我国已敷设的有线电视光纤网90％以上都工作在1310nm波段这一窗口。现在运行的"县--乡（镇）"光纤ＣＡＴＶ网要改造成"县--乡--村"光纤ＣＡＴＶ网，在工程实用型ＰＤＦＡ没有出现之前，要进行远距离传输，只能采用全部更换成1550nm系统。但是ＰＤＦＡ使1310nm波长光纤ＣＡＴＶ系统取代1550nm波长光纤ＣＡＴＶ系统具有更优的性价比。

首先，1310nm波长的模拟调制的光信号传输的距离比1550nm波长更远。这是由1550nm波长光在G.652光纤中的色散效应决定的。单模光信号在光纤中传播时，由于其频率不可能是严格的单一频率，其光信号有一定的谱宽，而不同频率的光在光纤中折射率不同造成传播速度略有差别，使光信号的谱宽展宽称之为色散。当调制波形是模拟信号时，则检波后电平随信号频率的增高而降低，表现为非线性失真，使基波的谐波分量增加，ＣＡＴＶ信号在光纤网中传输造成CSO和CTB指标的劣化，从而引起系统性能劣化。1550nm模拟系统由于存在着色散特性制约了其传输距离即使是在加EDFA中继后，也不能超过150公里（虽然其损耗为0.25dB/Km,较1310nm光少0.1dB）。而1310nm波段为G.652的零色散窗口，有实验证明，加ＰＤＦＡ进行中继后，1310nm模拟系统的传输距离可以轻易的达到210公里以上，整个系统的CNR、CSO、CTB指标相比1550nm系统无任何的逊色。

其次，应用ＰＤＦＡ的1310nm系统价格较应用ＥＤＦＡ的1550nm系统远为便宜，特别是在对原有1310nm系统改造时更是如此。对我国一些经济欠发达的中西部地区这一点显的尤为重要。目前1550nm设备昂贵，一台10mW的1550nm光发射机的价格为人民币20万左右，而传输同等距离的1310nm光发射机需要14mW的输出功率，其价格大约为5万人民币；一台17dBm的ＥＤＦＡ价格进口机在人民币16万左右，国产在14万左右。而一台17dBm的ＰＤＦＡ的价格在人民币18万左右。这样，按上述主要设备来考虑：在新建系统时， 1550nm系统比1310nm系统造价要高人民币13万左右；而在原有的1310nm系统基础上进行改造，1550nm系统比1310nm系统造价要高18万左右，这还没有考虑用1550nm系统整个更换1310系统的工程量远远超出1310nm系统基础上直接改造的工程量。尤其在规模中等的改造工程中使用带ＰＤＦＡ的1310nm系统性价比更高，更为经济科学。

工程实用型ＰＤＦＡ的出现，由于其优异的性能价格比，给原有1310nm系统的改造和新建1310nm ＨＦＣ系统提供了一条简捷的、投资少、见效快的途径。使带ＰＤＦＡ的1310nm系统取代1550nm系统成为今后"县--乡--村"ＨＦＣ网络建设的首选方案。对我国特别是相对落后的中西部地区有线电视事业的发展将会起到巨大的推动作用。

1．中国有线电视技术（期刊）
2．光放大器及其应用杨祥林
3． IPG公司内部文献 (www.ipgphotonics.com)
4．光库通讯（珠海）有限公司内部文献 (www.fiber-resources.com)