PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰

2019-11-04 22:45:47

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供稿：网友

　　1、前言
　　G.983系列标准描述了一类PON网络，这些网络基于波分双工和时分复用技术[1]。通常人们称这些网络为宽带PON（即BPON），BPON具备数字传输的能力，速率从155Mb/s到1244Mb/s不等。这些网络是第一种被定义为专业数字式的网络，具有两个波长：1310nm用于上行链路，1550nm用于下行链路。
　　
　　自从基本的G.983.1系统问世以来，人们越来越明白视频覆盖业务将成为一种颇有价值的业务。由于视频业务从传统意义来说是一种广播业务，因此为PON系统增加一个广播通道就显得非常实用和便利。后来的G.983.3标准决定使用WDM技术[2]，国际电信联盟（ITU）公布的G.986.3建议提出了通过波长分配提高服务能力的宽带接入系统（参看图1）。这个建议指定1490nm波长用于下行的语音和数据信号，1550nm波长用于下行的视频信号，1310nm用于上行的语音和数据信号。下行数字发射波长范围一般是很窄的，从最初的100nm宽变成更小的20nm宽，中心波长为1490nm，而上行波长范围依然在以1310 nm为中心的100nm区域内。
　　
　　新的波长分配方案提出了一对被称为“增加带宽”的应用，包括密集波分复用（DWDM）点对点覆盖业务，以及一种广播视频覆盖业务。利用波长来完成所承载视频业务的传播，然而，这种标准（G.983.3）并没有规定精确的波长、功率电平以及信号模式。因此，这等于说由系统供给商来定义视频业务传送时的信号参数。
　　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图一）

　　综合各方面因素的考虑，波长分配方案是最好的。许多网络设备和器件制造商已经接受了ITU的G.983.3建议。因此，今天许多光纤网络运营商都正在安装这种系统，这些系统由光线路终端（OLT）、光网络终端（ONT）、WDM耦合器和1×N分波器组成（图1）。
　　
　　G.983.3方案中的“增加带宽”处于EDFA从1530nm到1560nm通带区域内，这就答应使用廉价的放大器来覆盖波长，这对视频传输的场合而言就显得尤为重要。不仅如此，G.983.3标准也可以在B-PON下行波长和覆盖波长之间形成一条很宽的保护波段，从而使滤波隔离地更轻易些。
　　
　　无论如何，任何波长分配计划都会在150nm范围内放置2个下行波长，这样互相之间就产生了拉曼效应。作为G.983.3系统里的一个事实，我们将分析这种效应对PON系统的实际影响到底如何？
　　
　　2、理论
　　G.983.3系统中的情形是这样的：数字信号（1490nm波长，功率大约为0 dBm）扮演着模拟视频信号波长（C波段波长，功率大约为17 dBm）的拉曼泵浦的角色。这种效应已经由Phillips [3]用公式表示出来。其要害结果串扰率（CCR）由公式一表示。由于拉曼效应具有低通（low-pass）特性，因此越低的视频通道性能降级地就越厉害。
　　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图二）

　　从表一我们可以看到具体参数定义。起源于一个NRZ信号光谱的数字信号有效调制指数mint表示为：
　　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图三）

　　应该要说明的是公式2是近似的表述，而不是完全相同的表述。在这里，公式2发现调制指数mint通过一个因子被夸大，因此也就过高地估计（overestimates）了CCR数值（达到5dB）。这可以通过计算总的数字信号功率来证实上述推断。我们也因此证实我们的公式2是正确的，在以下的计算里我们将采用这个公式。表一提供了所有使用过的参数值。
　　
　　表一：完整的参数列表
　　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图四）

　　通过给予的这些参数，我们可以计算出给模拟视频信号造成的所有CNR劣化。理解CNR与链路距离之间的关系是十分重要的，因为无论是接收功率还是拉曼干涉都与距离有很大关系。相关结果显示在图2中。在这里，损耗诱导降级与拉曼诱导降级（degradation）之间达到了一种平衡。图中显示，CNR曲线在感爱好的距离上都比较平坦，可以预期对业务的影响是比较小的。
　　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图五）

　　在那些需要额外盈余（margin）的地方，有一种非常简单的方法来减少拉曼效应所带来的影响。由于拉曼影响仅存在低通道领域，因此增加这些通道的调制指数就可以摆脱拉曼效应的影响。
　　
　　在北美地区，只有通道2到6（channels 2 through 6）属于低波段区域，通道7（channel 7）高于108MHz，比通道2高两倍。因此通道7和更高的通道都不受拉曼干涉的影响。
　　
　　3. 试验
　　G.983.3覆盖系统的性能已经通过一个商用三工器（triplexer）在实验室得到验证。视频发射机包含了一个能产生82个模拟通道的矩阵发生器，一个摩托罗拉GX2外调制1550nm发射机和一个EDFA放大器。数据发射机是采用了量子桥（编者注：该公司已经被摩托罗拉收购）QB5000 OLT (NRZ 622 Mb/s)中的1490nm下行发射机代替。这两个发射机都通过衰减器来将其输出功率控制在要求水平，接着再耦合进一根单独PON光纤上，该光纤配有WDM器件。而光纤支线（feeder fiber）是10公里长，非常接近拉曼效应最坏情况下所对应的的光纤长度。在光纤的输出端连接一个分路器（splitter），接着再增加一个衰减器来控制传送到ONT triplexer上的视频功率。在所有的状况下，模拟视频功率控制在–4.5 dBm左右，这对系统而言是最理想的灵敏度。
　　
　　CNR，CSO以及CTB性能指标通过在整个波段随选一个通道来测量的。在所有的情况下，CSO和CTB都处于高50领域，因此不会产生失真。对通道CNR测量的结果显示表二上。一共有四种情况，第一种情况是在完全没有数据信号的状况下进行视频操作，所有的通道性能表现都是很好的。注重甚高通道都低于48 dBc，不过我们发现这主要是由triplexer电路的输出段额外RF损耗引起的，而不是光信号本身的原因。
　　
　　表2：G.983.3 系统在四种不同情况下的CNR测试结果
　　 PON网络中视频业务传送过程中的拉曼串扰（图六）

　　第二种情况是数字功率为–6 dBm（在实际应用中最低的）。只有通道2出现了性能降级，其他通道依旧工作在令人满足的48 dBc CNR上。当光纤长度达到10公里，拉曼效应增大，这也是理论上所预期的。第三种情况是数字功率运行在–3 dBm（在实际应用中的最高点），在这种情况下，我们发现低通道受到拉曼串扰的严重影响，它们的CNR值也降到48 dBc以下。注重这种情况比实际中最差情况更糟糕一些，实际最差的情况是10公里处的视频功率为-2dBm。在本次试验过程中，视频水平（video level）比我们在野外实际测量的要低2.5dB，因此，本次测试是有一定实际意义的。
　　
　　第三种情况跟第四种情况类似，只不过在第四种情况里，那些受影响的低通道都被预先补偿了2dB。这增加了信号的强度，使这些通道的CNR值恢复到48 dB以上。我们注重到这并没有给发射机性能造成不适当的影响。第四种情况最后证实了G.983.3系统在最糟糕的状况下仍能通过对低通道的预加重来优化系统性能。

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