Для обеспечения высокой эффективности применения аналоговых ВОЛС в кабельном телевидении необходим правильный выбор параметров настройки оптического передатчика, который обеспечивает, во-первых, оптимальное соотношение между параметрами CNR (отношение несущей к помехе) и CSO, CTB (интермодуляционные искажения второго и третьего порядка) и во-вторых, получение требуемого уровня сигнала на выходе оптического приемника.
Отсутствие четких и однозначных методик соответствующих расчетов приводит к целому ряду негативных последствий (от неэффективности капиталовложений в оборудование до сложности организации эксплуатации).
Вследствие этого, главной задачей расчетов представляется определение уровня сигнала на входе передатчика с учетом канальной нагрузки, с целью обеспечения требуемого индекса оптической модуляции OMI (optical modulation index).
Приводимые в литературе сведения по указанной проблеме неполны и никем не обобщались, что усложняет применение их на практике.
Например, в работе [1] достаточно подробно освещены вопросы оптимизации параметра CNR, в зависимости от OMI и потерь в оптической линии, для лазерных передатчиков с распределенной обратной связью DFB, однако отсутствуют практические рекомендации по выбору самого индекса модуляции, его перерасчету и установке для конкретного оборудования.
Например, для повышения отношения CNR просто рекомендуется позаботиться о том, чтобы индекс модуляции был максимальным. Вместе с тем, известно, что с увеличением последнего снижаются параметры CSO и CTB (см. рис. 1).
Рис. 1. Зависимость выходных параметров оптической системы от индекса оптической модуляции
Кроме того, разработчики оборудования специфицируют параметры передатчиков на определенную стандартную канальную нагрузку (например, 42 CENELEC или 80 NTSC), естественно, не совпадающую с частотными планами российских сетей. Для передатчиков обычно задается уровень входного сигнала на канал для приведенной там же канальной нагрузки.
Иногда эта информация сопровождается указанием индекса оптической модуляции на канал. Если канальная нагрузка другая, то требуется перерасчет, ибо меняется полная мощность сигнала, каковое изменение требует другого уровня входного сигнала на канал, для получения того же индекса модуляции.
Перерасчет также требуется, если возникла необходимость перейти на другой индекс модуляции для оптимизации соотношения CNR и CSO, CTB.
К сожалению, в отечественной литературе отсутствуют сведения по указанной проблеме, поэтому нам представляется необходимым в настоящей статье рассмотреть ряд основополагающих вопросов.
Индекс оптической модуляции OMI
При подаче на лазер передатчика радиочастотного сигнала происходит модуляция оптического излучения по амплитуде. Используемые в DFB-передатчиках полупроводниковые лазеры имеют вольтамперную характеристику как у обычного диода, т.е., характеристика имеет нелинейный характер с начальной точкой на оси абсцисс, называемой напряжением отсечки. Область слева от этой точки характеризуется отсутствием фототока и, следовательно, лазерного излучения.
На наиболее линейном участке характеристики, путем задания некоторого напряжения V смещения, вызывающего начальный ток смещения I смещ., выбирается рабочая точка, относительно которой и воздействует модулирующий сигнал. Предельным значением для этого сигнала является напряжение насыщения Vo = V смещения — V отсечки, и это соответствует 100% OMI.
Если модулирующий сигнал превышает эту величину, то возникает так называемый эффект клиппирования лазера (clipping), т.е. указанное выше отсутствие излучения. Помимо этого, в области отсечки имеется большая нелинейность передаточной характеристики, что при больших уровнях сигнала приводит к появлению значительных интермодуляционных искажений, особенно вредных при передаче цифровых сигналов.
Обычно в DFB-передатчиках используются специальные схемотехнические методы линеаризации вольтамперной характеристики, но даже эти меры, с учетом приемлемых интермодуляционных искажений, (например, -65dBc) не позволяют получить значение OMI более 34% (для полной мощности сигнала).
На рис.2 представлено классическое определение индекса оптической модуляции. Приведенная на рисунке формула непригодна для практического использования, так как использует внутренние параметры оборудования. Зато она дает наглядное представление о процессе.
Рис. 2. Определение индекса оптической модуляции
Индекс оптической модуляции OMI (в относительных единицах) можно получить из приведенного ниже уравнения по известным значениям уровней входного сигнала Vc и сигнала насыщения Vo, выраженным в dBmV:
OMI = 10 (Vc –Vo)/20 (1)
Однако и выражение (1) удобно только производителям оборудования, которым известно значение сигнала насыщения Vo. Нам это уравнение интересно тем, что мы, наоборот, можем определить величину Vo как предельное значение уровня входного сигнала для конкретного передатчика.
Например, по паспорту для передатчика Optiworx HX-8Lxx-DT фирмы C-COR [2] уровень входного сигнала при передаче 80 каналов NTSC составляет 17 dBmV на канал при OMI 3.5%.
Подставив приведенные значения параметров в уравнение (1), получим 0,035 = 10 (17–Vo)/20, Vo = 46.2 dBmV.
Напомним, что если уровень сигнала полной мощности превысит найденное значение, то возникнет указанный выше эффект клиппирования лазера.
Преобразуем выражение (1) следующим образом.
lg (OMIc/OMIo) = (Vc — Vo)/20.
Оно эквивалентно исходному уравнению (1), поскольку для сигнала насыщения Vo OMIo = 1 (глубина модуляции равна 100%).
Заменив параметры сигнала насыщения (Vo, OMIo) на любой другой уровень сигнала Vx с индексом модуляции OMIx, получаем универсальное выражение для определения любого из четырех параметров по известным трем.
lg (OMIc/OMIx) = (Vc — Vx)/20 (2)
Например, для того же передатчика Optiworx HX-8Lxx-DT можно найти полный индекс модуляции OMIx для 80 каналов (при известных значениях уровня сигнала, модуляции на канал 17 dBmV @ 3.5% и полной мощности входного сигнала Vx = V80).
Сначала найдем полную мощность входного сигнала
V80 = 17 + 10 lg 80 = 36 dBmv.
Далее по формуле (2)
lg (3.5%/OMIx%) = (17 — 36)/20, откуда
OMIx = 31.2%.
Выполним следующее преобразование формулы (2).
10lg (OMIc/OMIx) = (Vc — Vx)/2
Левая часть представляет собой изменение индекса модуляции в dB, получаемое при изменении уровня сигнала от Vc до Vx. Окончательно имеем:
(OMIc — OMIx) dB = (Vc — Vx)/2 dBmV (3)
Этим понятием изменения индекса модуляции в dB иногда пользуются на практике. Например, в паспорте на передатчики LEMT-x-10 серии LASER LINK фирмы Scientific Atlanta указан диапазон регулирования OMI в 8dB [3].
Согласно формуле (3), изменению уровня сигнала на 2 dBmV соответствует изменение OMI на 1dB. Увеличение уровня входного сигнала на 6 dB дает приращение индекса на 3 dB, что, по формуле (2), соответствует удвоению индекса оптической модуляции, представленного в относительных единицах или в процентах.
Канальная нагрузка
Избежать грубых ошибок при определении уровня входного сигнала на оптическом передатчике можно только с учетом конкретной канальной нагрузки в сети. Переход от паспортной нагрузки для аналоговых каналов осуществляется по формуле
X = V + 10 lg(N/Nx) (4),
где X — искомый уровень сигнала в dBmV;
V — паспортный уровень сигнала в dBmV;
N — количество каналов по паспорту;
Nx — количество каналов в сети.
Для упоминавшегося выше передатчика Optiworx HX-8Lxx-DT рекомендуемый в паспорте уровень сигнала на канал составляет 17 dBmV при нагрузке 80 каналов NTSC. Если в сети 112 каналов NTSC, то
X = 17 + 10 lg(80/112) = 15.5 dBmV.
Отметим, что найденное значение уровня сигнала совпадает с рекомендуемой величиной в том же паспорте.
Поскольку расчет производится для немодулированных несущих, формула (4) справедлива для подстановки количества каналов Nx, представленных в любой другой системе телевещания (PAL, SECAM).
Часто в паспорте передатчика указано одно и то же значение уровня входного сигнала на канал для различных максимальных нагрузок (например, 80 NTSC, 60 PAL D/K, 42 CENELEC). Надо иметь в виду, что, при таком уровне входного сигнала и полной нагрузке, передача каналов PAL и CENELEC будет осуществляться с пониженным индексом оптической модуляции, по сравнению с передачей каналов NTSC.
При наличии одновременно аналоговых и цифровых каналов (суммарный сигнал) методика расчета канальной нагрузки имеет определенные особенности. Обе группы сигналов должны иметь различные уровни, причем цифровые сигналы имеют уровень меньше, чем аналоговые сигналы. Обычно принято выдерживать перепад уровней в 6…10 dB, причем величина перепада выбирается, исходя из допустимых интермодуляционных искажений и допустимой величины потери битов.
Для вычисления уровня суммарного сигнала отдельные составляющие должны быть представлены в единицах мощности (mW), а не в относительных единицах (dBmV или dBm). Только в этом случае полная мощность суммарного сигнала выражается в виде алгебраической суммы составляющих:
Ро = Раналог + Рцифр (5).
Преобразование из одной системы единиц в другую производится следующим образом. Для перехода от dBmV к dBm добавляется величина 48.75 dB, а для перехода от dBm к mW используется выражение dBm = 10 lg (mW).
Определение полной мощности Ро
Полная мощность суммарного сигнала не должна превышать полной мощности сигнала, специфицированной для данного передатчика. Выше мы определили для передатчика Optiworx HX-8Lxx-DT полную мощность сигнала при канальной нагрузке 80 NTSC как V80 = 36 dBmV. Примем в качестве примера в дальнейших расчетах Ро = 36 dBmv.
После преобразования единиц измерения имеем
Ро = 36 dBmV = -12.75 dBm = 0.053 mW.
Определение уровня входного сигнала
В качестве канальной нагрузки примем 40 аналоговых каналов и 32 цифровых канала, причем уровни цифровых каналов на 10 dB ниже уровней аналоговых каналов.
Подстановка в выражение (5) даст следующий результат:
Ро = Рх * (40) + Рх * (0.1) * (32),
где Рх — искомая мощность на канал для аналогового сигнала, а коэффициент 0.1 учитывает разницу уровня -10 dB между аналоговыми и цифровыми каналами.
Отсюда
Рх = 0.053/43.2 = 0.00123 mW.Выполнив преобразование мощности из mW в dBmV, найдем уровень входного сигнала Vx на аналоговый канал
0.00123 mW = -29.11 dBm = +19.6 dBmV
Vx = +19.6 dBmV.
Для цифровых сигналов уровень будет на 10 dB меньше, т.е. +9.6 dBmV.
При окончательном определении уровня входного сигнала необходимо выяснить в паспорте на оптический передатчик, как при том специфицирован вид несущих колебаний (обычно это немодулированные несущие). Следует помнить, что при подаче модулированных несущих допустимо увеличивать уровень входного сигнала на 3 dB без опасения превысить полную мощность, поскольку модуляция уменьшает среднюю мощность сигнала как раз на 3 dB.
Практическая настройка передатчика
Обеспечить условия для настройки оптического передатчика — значит подать на его вход радиочастотный сигнал с уровнем, соответствующим канальной нагрузке и требуемому индексу оптической модуляции, а также задать режим его работы. Критерием правильной настройки является получение расчетного значения уровня сигнала на выходе оптического приемника с заданными CNR, CSO и CTB.
Уровень сигнала приемника можно определить графически по предоставляемым производителем оборудования характеристикам или расчетным путем по формуле:
V = R + 20Lg (OMI) + 2P, (6),
где V — уровень выходного сигнала приемника (dBmV);
R — величина, характеризующая коэффициент передачи приемника при OMI=1% и P=0 dBm;
OMI — индекс оптической модуляции (%);
P — входная оптическая мощность (dBm).
Величину R можно вычислить по формуле (6), используя паспортные данные на входные и выходные параметры приемника.
Выбор режима работы передатчика
В каком режиме должен работать передатчик — в режиме ручного регулирования (MGC) или в режиме АРУ (AGC)?
В режиме AGC (Automatic Gain Control), за счет изменения величины внутреннего аттенюатора, обеспечивается постоянный уровень суммарной мощности сигнала на входе лазера. Этот режим рекомендуется использовать при неизменной канальной нагрузке.
При добавлении новых каналов искажения сигнала не меняются, но снижается приведенная мощность на канал на входе лазера, что влечет за собой уменьшение отношения сигнал/шум и уменьшение выходного сигнала оптического приемника ВОЛС.
В режиме MGC (Manual Gain Control) установленная величина внутреннего аттенюатора остается неизменной при любом изменении уровня мощности на входе передатчика, например, при добавлении новых каналов. В этом случае мощность сигнала на входе лазера, отнесенная на один канал, сохраняется постоянной.
При этом остается неизменным и отношение несущая/шум, хотя, за счет увеличения общей мощности на входе лазера, увеличиваются нелинейные искажения сигнала. Тем не менее, ключевым преимуществом работы передатчика в режиме MGC является то, что выходной сигнал оптического приемника ВОЛС не меняется при изменении канальной загрузки.
Заключение
Решение о выборе оборудования для сетей волоконно-оптического кабельного телевидения представляет собой компромиссный процесс, который должен учитывать целый ряд переменных — от основных показателей топологии будущей сети до динамики развития и характера канальной нагрузки.
Кроме того, технические службы и руководство оператора сети кабельного телевидения должны отчетливо представлять влияние на качество услуг последствия, например, введения новых цифровых или аналоговых каналов, изменения конфигурации сети, замены оборудования и т.д.
В этой связи, предложенная методика позволяет решить весьма важную задачу оптимального использования оборудования аналоговых ВОЛС на этапах проектирования и оценки проектных решений, а также при приемке и последующей эксплуатации и развитии сети кабельного телевидения, построенной по гибридной волоконно-коаксиальной технологии.
С.А. Березиков, заместитель генерального директора, к.т.н. В.Е. Рядчиков, ведущий инженер, к.т.н.
(оба — ЗАО «КОМКОР-ТВ»)
Литература
- Теле-Спутник, №3, 1999г. И.Гайович Оптические DFB лазеры для широкополосного вещания.
- http://www.c-cor.net/pdf/products/HX8L_Tx.pdf
- http://www.sciatl.com/customers/pdf/Arris-PDFs/LL-1550EMT.pdf
© Теле-Спутник
