有线电视网络光分路器的设计

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摘要：阐述了有线电视网络中的重要器件——光分路器在网络中的作用及对其设计要达到的目标，并详细说明了光分路器主要技术指标，解析了光分路器各技术指标在有线电视网络中的计算公式和设计方法。
关键词：光纤；光分路器；分光比
O 引言
    利用光纤传输电视节目具有频带宽、容量大、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠等优点，不仅能扩大有线电视覆盖面，减少传输线路中放大器的个数，提高整个有线电视系统的指标，而且解决了全电缆网放大器维护难的问题。光纤传输网已成为有线电视CATV网络最主要的传输手段。
    在光纤CATV网络中，不管是模拟信号还是数字信号，光分路器是进行光信号分路传输必不可少的光器件。随着网络规模的扩展，以及网络功能的增多，光纤CATV网络蓬勃发展，光节点密集度越来越大，而分路器是光节点扩展的最重要中介设备，网络中需要大量接入光分路器。因此，我们完全有必要对光分路器进行详细的设计和计算。本文主要介绍单一波长的单模光分路器的光学指标并结合作者参与的有线电视光缆网工程施工中的光分路器的设计和使用的一些方法进行解析，希望对数字有线电视网络的建设有所帮助。
1 分路器主要指标
    光分路器是光纤链路中最重要的无源器件之一，其作用是将一路光按一定比例分成多路输出。光分路器类似于电缆传输网络中的分支器、分配器。在实际的运用中，常常用光分路器把光发射机输出的光信号分成强度不等的几路输出，光强较大的一路传输到较远的设备，光强弱的一路传输到较近的距离，以使各个光节点都能得到近似相等的光功率。在进行光分路器的设计前，必须熟悉光分路器的指标。其主要指标有以下几个：
1．1 附加损耗
    光分路器把输入端的光信号按照预定的分光比对各个支路进行分配时，光信号通过光分路器时除分光损耗外，还有光分路器本身对光信号产生的损耗，这种损耗称为光分路器附加损耗。
    附加损耗是分路器最基本的技术指标，它与其他性能指标都有着内在的联系。因此，附加损耗不仅仅衡量器件的光学性能，更重要的是它与器件的抗震性能、温度稳定性和使用寿命也有着内在的联系。为此，我们在选用光分路器时，对厂家的这个指标必须严格筛选。



1．2 分光比
    光分路器对各支路光功率分配的比例称为分光比，分光比定义为光分路器某输出端输出光功率与光分路器输出端总的输出光功率之比。
此指标是光链路的最主要的设计指标参数，后有详解。
1．3 分光比偏差
    分光比偏差是指制造分路器时实际分光比与设计值的偏差。这个偏差使得一路光增加，另一路光减少。本质上并不影响输出总功率。
由于发射端到各光节点的距离各不相同，为保证接收端接收功率一致，分路器的分光比应和传输距离相对应，即：传输距离越远对应该路分光比值越大。若实际使用的分路器与设计分光比有误差，则会导致接收端接收功率不一致。目前，国内生产厂家完全有能力将1×N光分路器的分光比误差控制在±0．5％以内。




                          
                       
                          
                               
1. 4 分光损耗
    分光损耗：不同的分光比对光信号产生的损耗就叫做分光损耗，其值为-10lgK(K为分光比值)。
1．5 插入损耗
    插入损耗包括分光损耗和附加损耗两部分，即插入损耗(dBm)=-10lgk+附加损耗。
2 光网络光分路器的设计、计算
    在HFC网光纤传输干线设计中，当光纤路由及光纤损耗值、光节点数量确定后，就可以设计并计算出每一光纤支路所需的光功率、光分路器的分光比，还能计算出整个光链路所需要的光功率。在计算所述指标时，按照以下计算步骤进行设计。
2．1 每一支路光纤损耗值计算
    当光纤路由确定后，每一支路的光纤链路损耗值就可以得出。目前广电系统大量使用的是G652型光纤。对于1310 nm窗口，G652光纤损耗不超过0．35 dBm／公里，对于1550 nm窗口，G652光纤损耗不超过0．22 dBm／公里。对于已经完工的路由，可以使用光时域反射仪进行测量，得出实际链路的损耗值。每一支路的光纤链路损耗值应留出一定的余量。计算公式如下：
    S=a×lN．
式中：S为支路光链路损耗(dBm)；a为光纤每公里损耗值；lN为光缆各支路距离。
2．2 光接收机接收功率
    目前使用的光接收机，在接收光功率为-4～+3 dBm的条件下，光接收机输出电平范围为96～108 dB。光接收机输入光功率变化对系统指标有一定的影响，通过理论计算和实践检验都能明示。
    当光接收机输入光功率有所提高时，各项系统指标均有较大提高，为电缆分配网留出较多余地。为此，在设计光缆网络时，确定光接收功率为0 dBm±1 dBm。
    这里要提出一下，dBm和mw都是光功率的单位，它们应用的场合不一样。它们可以进行换算。换算公式如下：



   
2．3 活接损耗
    每个光系统包含有多种光设备，如光发射机，光接收机，光放大器等等，而这些设备都需要用FC、SC等法兰进行接头，而这些活动连接头会产生一些损耗，这些损耗应计入光链路所需的总功率。活接头损耗设计值一般为0．5 dBm。
2．4 光分路器的分光比的设计
    设各路的总光功率为∑Pn，某一路所需的光功率为P1，则分光比K1=P1／∑Pn，需要强调的是，某一支路所需的光功率为该支路光纤链路损失功率加上光接收机输入光功率。
    根据光节点路由距离优化组合分组情况，使用以下公式和参数进行计算。
    计算公式：
   


式中：P1，P2，P3为各支路光接收机的输入功率，mw；PN为光纤分路器各支路输出光功率，mw；PT为光发射机的出纤功率，mw；KN为光纤分路器各支路分光比；N为代表自然数1、2、3……；a为光纤每公里损耗：a=0．35 dBm／km(1310 nm窗口)和0．22 dBm／km(1550 nm窗口)；l为光路由长度。
    根据以上公式可得N路出光分路器得各路分光比：
   


2．5 光链路各分路的损耗计算
    设计并计算出光分路器的分光比后，通过以下公式可以计算出光链路各支路的损耗。计算公式为：
    LN(dBm)=-10Lg Kn+a×ln+附加损耗+光连接器损耗．
    为确保网络的长期安全平稳运行，多数情况光链路应留有1 dBm余量。因此，光链路各分路的损耗应做如下设计。
    LN(dBm)=-10lg Kn+a×ln+附加损耗+光连接器损耗+1．
2．6 分光器输入光功率的计算
    根据各支路的上述参数，可计算得出光分路器所需的输入光功率，也就是真个网络需要的总功率。总功率等于各支路的功率损耗。由此可知道所需要的光发射机的功率，上述总功率等于发射机的功率。
    随着模拟和数字电视网络的迅速发展，以及伴随着光纤到户，光网络主要传输设备光分路器在光网络中使用的频率会大大加强，而分路器的设计对整个光网络信号优劣、有无起着决定性的作用。在光纤CATV网络设计时，通过以上详细对光分路器计算和分析，给光网络的稳定运行提供了可靠的保证。