波分复用（WDM）技术在有线电视传输中的应用

zjol

摘 要：先容了在南（宁）-昆（明）铁路原有PDH数字通信系统上应用WDM技术开通模拟有线电视（CATV）传输系统，阐述了该WDM系统的工作原理，计算了关键参数、分析了测试数据、展望了应用前景。

     
     　　关键词：通信、有线电视。波分复用
     
     一、前言
     
     　　在原有数字通信系统上通过WDM方式开模拟有线电视传输系统在铁道部尚属首例。 WDM就是在同一根光纤上同时传输两个或两个以上波长的传输系统，它能充分利用光纤的带宽资源，成倍地提高系统的容里。
     
     　　南昆铁路全长898.7正线公里，其中柳州铁路局管辖520公里。南昆铁路沿线多属于贫困地区，职工物资学问生活贫乏，因此全线开通有线电视节目是极其必要的。南昆铁路由于设计较早，所开光纤芯数不多，为8芯光缆，其中4芯开通1550nm波长的干线SDH系统，另外4芯开通1310nm波长的局线PDH系统，因此南昆铁路沿线已无多余光纤供有线电视使用。如果为CATV系统另外敷设光缆或沿线小站均上地面卫星接收设备，则投资巨大，很不现实。为响应信息产业部提出的2000年以前村村通有线广播电视的号召，实现南昆沿线站站通有线电视，大家选择了WDM的方式，即在原有1310nm波长的PDH系统上开通1550nm波长的CATV系统，选用1550nm波长是为了尽量延长CATV系统的传输距离，减少地面卫星接收站的数量。将通信信号与有线电视信号合纤传输，节省了投资，充分利用了现有资源，是解决沿线小站职工看电视难问题的一条捷径。
     
     二、WDM器件、WDM系统工作原理及关键参数考虑
     
     　　1、WDM器件
     
     　　WDM系统的核心部件是WDM器件，其特性好坏在很大程度上决定了整个系统的性能。WDM器件是对光波长进行合成与分离的器件，进行合成的称为合波器，进行分离的称为分波器。最常用的器件有两种，即光纤熔锥型WDM器件和薄膜滤波器型WDM器件。
     
     　　◆光纤熔锥型WDM器件
     
     　　光纤熔锥型器件是将多根光纤在热熔融条件下拉成锥形，并稍加扭曲，使其熔接在一起，通过锥形区的消失波耦合达到各自波长所需的耦合光功率。这种器件无需波长选择器件，十分简单，易于批量生产。其最大优点是插入损耗低，可达0.05dB。此外还具有很好的光信道带宽／信道间隔比和温度稳定性，能得到较高的隔离比，制造成本也比较低。不足之处是尺寸稍大，波分复用信道数较少（小于10个）。
     
     　　◆薄膜滤波器型WDM器件
     
     　　薄膜滤波器型器件通常由一二十层不同材料、折射率和厚度的介质薄膜按照设计要求组合起来，通过对不同波长形成通带和阻带来达到对不同波长进行合成和分离的作用。这种器件的优点是结构紧凑，与光纤参数几乎无关，信号通带很平坦，插入损耗较低，可达0.4dB。缺点是设计和制造比较麻烦，产量较低，价格也高于熔锥型器件。
     
     　　在本工程中选用了熔锥型器件，取得了很好的效果。
     
     　　2、WDM系统工作原理
     
     　　南昆铁路WDM系统由几十个区段组成，每个区段通过WDM器件插入CATV系统后，其工作原理完全相同。单一区段的WDM系统组成如图1。在CATV光发送站，用合波器将数字通信光信号（1310nm波长）与模拟有线电视光信号（1550nm波长）合在一根光纤中传输，在接收站通过分波器分开， 1310nm信号送至PDH光接收机，1550nm信号送至一光分路器（最后一站直接送至光接收机），一部分信号继续向下一站传输，另一部分光信号（0～2dBm）送至CATV光接收机，这样在同一根光纤中就实现了通信与有线电视的复用。
     
      
     
     　　3、WDM系统关键参数考虑
     
     　　◆WDM器件隔离度的选择
     
     　　由图1知，PDH系统发送和接收光功率均很低，其发送机采用LED（发光二极管）光源，其光谱宽度很宽。CATV系统采用的是LD（激光二极管）光源，其发送光功率大，光谱宽度窄。在接收端，两者光功率相差40～50dB，若分波器没有很高的隔离度，则两个光信号之间将产生严重的串扰。下面以全线可能产生串扰最严重的一段来计算所需的最小隔离度。
     
     　　假设光纤合波器的信号来自EDFA（光纤放大器），经合波后传20公里到达下一站，从分波器1550nm光口输出的光功率为：17dBm-0.5dB×-0.5dB×2-0.25dB／Km×20Km＝9dBm（1）
     
     　　第一个0.5dB为活动连接器的插入损耗，从EDFA输出光信号约经过4个活动连接器到达分波器输出端；第二个0.5dB为合波器和分波器的平均插入损耗；0.25dB／Km为光纤对1550nm波长光信号的平均衰减。
     
     　　PDH系统的接收灵敏度为-42dBm（“0”、“1”均匀分布时的光功率），若是全“1”光功率约为-42＋3＝-39dBm（假设原PDH系统消光比远大于10dB），如要求消光比为8.2dB（参照STM-1SDH系统），即最大1550nm串扰光功率应比最小1310nm接收光功率还低8.2dB，从而推出PDH系统所容许的最大1550nm串扰光功率为：-39-8.2=-47.2dBm（2）
     
     　　（1）式-（2）式得分波器对1550nm波长的隔离度为：
     
     　　9-（-47.2）＝56.2dB
     
     　　所以分波器对1550nm波长的隔离度只要＞57dB即可满足所有区段的要求。为满足分波器对1550nm波长超高隔离度的要求，在制造分波器时采用了多级隔离的技术，如图2所示，这样生产的分波器对1550nm波长的隔高度可达60dB以上。
     
      
     
     　　由于1310nm波长光信号平均比1550nm波长光信号低20dB以上，所以分波器对1310nm波长仅用低隔离度即可。
     
     　　◆WDM器件插入损耗的选择
     
     　　系统的另一重要参数是插入损耗。原有PDH系统各区段富余度在7～12dB之间。根据原设计系统富余度应大于4.1dB，因此，在系统各区段插入一对WDM器件后，其引入的插入损耗必须小于3dB（包括一对活动连接器），而熔锥型WDM器件的最大优点之一正是引入的插入损耗小，因此选择了这种器件。
     
     　　◆延长CATV系统传输距离的方法
     
     　　CATV光传输系统应用的是1550nm波长，由于1550nm光发射机的输出功率有限，往往借助于EDFA来放大光信号，但由于光纤的非线性效应影响，此时光发射机的驱动电路中必须装有特设的SBS（受激布里渊散射）抑制电路，使得注入光纤最大功率被限制在16～17dBm之间，这样导致CATV系统最远传输距离限制在65Km以内，而本工程中CATV信号传输距离大部＞65Km。为了解决这一难题，本工程中采用了大功率光发射机（一般1550nm光发射机输出为＋6～＋7dBm，本次采用光发射机输出为＋9～＋10dBm），在技术上应用了远端EDFA泵浦和高灵敏度光接收的方法，解决了上述长距离传输的问题，图3表明了这种加大传输距离的技术方案示意图。
     
      
     
     三、南昆铁路WDM系统组成
     
     　　南昆铁路柳州铁路局管辖520公里，由于模拟CATV系统不可能传输这么长的距离，因此全线分为4套独立的系统，在平果、百色、兴义、八渡四站分设地面卫星接收站和光发射机，每套光发射机输出分成两路，向两边共辐射到130公里的范围。图4是其中一套系统设计方案示意图。图4中从前端到A节点是20.75Km，采用的是远端泵浦的方法，此时EDFA置于A节点。从A节点到D节点大约50Km，各站采用高灵敏光接收的方法，每个站点输出C／N（载噪比)指标均大于50dB，符合有线电视技术规范的要求。从前端到另一方向H光节点采用的也是同样的方法。图4CATV系统所覆盖的范围为132.24Km，整个南昆铁路采用了4套相似的方案，实现了南昆铁路全线光纤有线电视传输。
     
      
     
     四、南昆铁路WDM系统运行状况及测试结果
     
     　　波分复用系统在全线开通前选择了一段条件最差，距离最长的几个区段做试验，该试验段试运行一个月后进行了全面的性能指标测试。如CATV系统的C／N、CTB、CSO；数字通信系统的误码率、抖动；WDM器件的插入损耗、隔离度等指标，测试结果表明，数字通信系统原有指标不受影响， CATV系统指标满足设计要求，如下所示：
     
     　　PDH系统指标：
     
     　　（a）2M通道24小时误码率≤n×10-9（n为中继段数）
     
     　　（b）最大容许输出抖动：1.5UIP-P（f1～f4）；0.2UIP-P（f3～f4）CATV系统技术指标（传输59路PAL电视信号满频道时，指标必须达到以下要求）：
     
     　　（a）C／N＞50；C／CSO＜-60；C／CTB＜-65
     
     　　（b）接收机接收光功率：0～-4dBm；传输带宽：48～860MHz
     
     　　WDM器件：
     
     　　（a）一对WDM器件插入损耗（包括两个活接头）＜3dB
     
     　　（b）分波器对1550nm波长的隔离度＞57dB、对1310nm波长的隔离度＞18dB
     
     　　试验段运行验收通过以后，在南昆铁路全线进行了推广，整个系统包括4个前端、30个光节点，于2000年春节前全线开通。系统运行4个月后，进行了终验，指标均达到以上要求。表1列举了其中一段终验的测试记录。
     
     五、讨论
     
     　　1、利用WDM技术在不增加光纤的情况下实现了南昆铁路光纤有线电视传输，有效地利用了现有资源。
     
     　　2、选用插入损耗很小的熔锥型WDM器件，保证了原有通信系统具有足够的系统富余度。
     
     　　3、采用了特制的超高隔离度的分波器，成功的将WDM技术应用于低功率LED与高功率LD光信号之间的混合传输系统。
     
     　　4、CATV系统采用了远端泵浦及高灵敏度接收等技术。解决了南昆铁路远距离光纤有线电视传输的技术难题。
     
     　　5、由于WDM系统同一根光纤中的不同波长彼此独立，可用不同波长传播不同类型的信号，如数字通信信号（不管是PDH信号还是SDH信号）和模拟有线电视信号，这样在铁路数字通信网络的平台上又构筑了一个宽带的模拟平台。
     
     　　综上，在数字通信系统上通过波分复用的方式开模拟有线电视系统在技术上是完全可行的，它特别适合铁路早期敷设的少芯数的光缆线路。通过波分复用可充分利用现有光纤资源，融合各种不同的业务，成倍提高系统容量，加速信息化建设步伐，为铁路沿线站站通广播电视提供了一个行之有效的方法。