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HFC网中EDFA的应用研究
http://www.ccatv.com/ 2003-05-19 中国有线电视
HFC网络作为一个宽带接入平台，既能够提供广播电视业务，也能满足日益增长的交互式数字业务需求。在HFC网络中，为节省投资、优化网络，模拟光网络一般分为两级，由总前端和分前端组成的一级光网络采用双向自愈环的方式组网，总前端的光发射机同时沿环的两个方向（顺时针方向和逆时针方向）向各分前端发送光信号，每个分前端的光接收机同时接收两个方向传来的光信号，然后“择优”接收，这种网络光发射机、光分路器、光缆和光接收机组成1+1备份，无论光设备故障还是光缆意外截断，环型网络上各个分前端的信号均不会中断，可确保网络的服务质量；总前端、分前端到各个光节点构成二级光网络，一般采用星型方式组网，考虑到安全性和双向业务需要，一般每台光发射机所带的光节点不超过6个。
一级光网的自愈环一般有两种选择：物理环型、逻辑星型或物理环型、逻辑树型，如图1所示。在大、中城市，总前端到最后一个分前端距离很长，采用1
310 nm工作波长时达不到指标要求，为了解决这一问题往往采用1 550 nm工作波长，并在路由中设置掺铒光纤放大器（EDFA），距离太长时还采用多级EDFA级联。EDFA的引入对网络指标有多大的影响，如何对带有EDFA的网络进行优化，这是本文所要解决的问题。
图1一级光网结构
2 EDFA的噪声
EDFA是基于受激辐射原理实现入射光信号放大的一种光有源器件。泵浦光源将低能级上的电子激发到高能级上，实现粒子数反转分布，在信号光的诱导下，处于高能级激发态下的电子发生受激辐射，发出全同光子，使信号光得到放大，这就是EDFA的工作原理。按这一简单的放大机理来说，EDFA只对光信号进行放大，不会有噪声，其实不然，EDFA高能级上处于激发态的粒子除发生与信号相关的受激辐射外（对光信号进行放大），还会发生与输入信号无关的自发辐射，自发辐射产生的光子叠加在信号光上导致噪声，使被放大的信号的信噪比（载噪比）降低。
在EDFA中，自发辐射导致的噪声谱密度是一种白噪声，其功率谱密度可近似为：
Ssp(ν)=(G-1)nsphν(1)
式中：G，h，ν分别为光放大器的放大倍数、普朗克常数和光子的频率，nsp为自发辐射因子（也称粒子数反转因子），对于二能级系统，如果高、低能级上的粒子数潍N2和N1，则：
nsp＝N2/（N2－N1）(2)
3 EDFA对模拟电视信号的影响
模拟电视信号质量主要由3个指标来衡量，即载噪比 (CNR)、载波复合三次差拍比(CTB)和载波复合二次差拍比
(CSO)，在网络设计时也要对这几个指标进行核算。
AM-VSB光纤传输系统的CSO，CTB指标主要取决于系统的非线性失真大小，EDFA对于载荷在光波上的模拟电视信号而言其线性非常好，几乎不产生CSO，CTB指标劣化。
CNR主要取决于系统的噪声，系统的噪声主要有光发射机噪声、光放大器噪声和光接收机噪声3部分，光发射机噪声由相对强度噪声系数(nRIN)表示，经光接收机后的相对强度噪声功率为：
NRIN＝R2Pr2nRIN△υ(3)
Pr=GPinL(4)
式中:R——光检测器的响应度；
Pr——光接收机的输入光功率；
△υ——接收机带宽；
L——放大器输出口至光接收机输入口的总链损；
Pin——EDFA的输入光功率。
光放大器自发辐射噪声到达光接收机后形成的噪声功率为：
NOA=4(RGPinL)(RSsp)△υ＋
2R2［hνnsp(G-1)L］2△υ（5）
式中：第一项为信号—自发辐射的差拍噪声；第二项为自发辐射—自发辐射的差拍噪声，它们是引入EDFA后新增的噪声，不过相对于第一项而言第二项通常很小，经常被忽略。
光接收机的噪声通常有散粒噪声Nsh和热噪声Nth。
Nsh=2eRPr△υ（6）
Nth=i2n△υ （7）
载波信号功率为：
C＝m2R2P2r/2 （8）
式中：m——调制深度。
各部分对系统总载噪比（CNR）的贡献分别是：
CNRRIN＝（C/N）RIN=m2/(2nRIN△υ) （9）
CNROA＝m2GPs/［8hνnsp(G-1) △υ］ 〖JY〗（10）
CNRth＝m2R2P2r/(2i2n△υ) （11）
CNRsh＝m2ηPr/(4hν△υ) （12）
表1所示为GI公司AM－OMNI－OA光放大器的载噪比（CNROA）指标：
表1AM-OMNI-OA光放大器载噪比
输入光功率(dB)CNR（dB）
252.8
353.6
454.3
655.7
系统总指标为：
CNR＝（CNR-1RIN＋CNR-1OA＋CNR-1th＋
CNR-1sh）-1（13）
以上是从理论上对引入EDFA的系统的CNR进行分析，工程设计中并不需要如此复杂的计算。从上面得到的各表达式来看：光发射机和光接收机自身的载噪比只与光接收机输入功率（Pr）和调制深度（m）有关，与自发辐射因子nsp并无关系，也就是说与是否引入了光纤放大器并无关系，只要光接收机的输入功率和调制深度相同，有没有EDFA光发射机和光接收机的噪声对载噪比的贡献是相同的。因此，在计算带EDFA链路的CNR时，可以先算出光接收机有相同的光输入功率时的无EDFA链路的CNRc（dB），然后查阅到EDFA的CNROA（dB），系统总载噪比为：
CNR=-10 lg（10-CNRc10+10-CNROA10） (14)
从（14）式可以明显看出，EDFA的引入对系统CNR是有损伤的，损伤的大小一般在1～1.5 dB左右。如果EDFA级联，系统的CNR为：
CNR=-10 lg（10-CNRc10+10-CNROA110+
……+10-CNROAn10）
(15)
从（15）式可以看到，级联的光网络段越多，传输距离越长，CNR损伤越大,不过损伤的幅度会随级数的增多而减小，要保证总的CNR值必须以提高接收设备（光接收机或EDFA）的接收光功率为代价。
4 光纤色散影响
色散会引起光波中不同频率分量有不同的群时延，在模拟信号传输中，由于色散的存在会在光纤的输出端形成不同时延的包络分量重叠，引起包络失真，进而使CSO，CTB指标劣化。
在HFC网中，如果要引入EDFA，则工作波长惟1 550 nm。G.652光纤在1 310 nm窗口的色散在1.7
ps/（km·nm）左右，而在1 550 nm窗口的色散约为17 ps/（km·nm），此时G.652光纤是否还可用是设计时必须考虑的问题。
根据理论分析和实验，PAL－D制式的视频信号可容纳的色散约为5 ns。HFC网络中所采用的激光器通常为DFB激光器，其最大20
dB谱宽不大于1 nm，以最大1 nm计，为确保色散满足要求，则：
17 ps/（km·nm）×1 nm×S≤5 nm
S≤5 000/17≈294.1 （km）
由此可见，对于G.652光纤，光网的色散限制距离约为294 km，在此范围可不考虑色散影响，如果HFC的光网络较此还要大，就必须考虑采用G.655光纤。
5 结论
通过上述分析可见：在HFC网络较大时，一般引入EDFA来延长传输距离；引入EDFA后对CSO和CTB几乎没有影响，但对CNR影响较大，必须对此进行核算；
选择网络结构时尽量避免EDFA级联，以便节省光功率，降低网络成本；光网络段的最大距离小于294 km时，可以不考虑色散影响，超过此值应考虑选择G.655等新型光纤。
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