光工作站的結構及原理

1、光工作站的結構及原理第四部分 光工作站的結構及原理 傳統(tǒng)的CATV廣播分配網(wǎng)，隨HFC網(wǎng)絡的改造，向通信式的雙向交互網(wǎng)發(fā)展，光纖網(wǎng)絡和無源電纜分配網(wǎng)將是HFC網(wǎng)絡架構的主導模式。HFC網(wǎng)絡的目標就是成為一個能為本地區(qū)（城市）提供多種信息業(yè)務服務的寬帶多媒本通信平臺；從目前的HFC網(wǎng)絡發(fā)展態(tài)勢看起具有明顯的特點：光纖向用戶逐步延伸，光接點的服務半徑越來越小，雙向用戶逐漸增多，RF放大器的應用越來越少，光接點以后的網(wǎng)絡可靠性得到大幅度提高。隨著用戶對服務質(zhì)量要求的提高，光接點最終將是無源分配網(wǎng)絡，即不采用RF放大器，只由光接收設備提供高電平信號，覆蓋結點周圍用戶。普通的光接收機將無法再勝任作為光接

2、點接收設備的高要求，為適應這一發(fā)展，解決雙向用戶共享帶寬的制約，提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，可升級的通信型光站應運而生，其將是寬帶HFC用戶接入網(wǎng)的主導設備。各個生產(chǎn)廠家推出的光工作站的具體結構及功能并不一致，作為光工作站其與光接收機有明顯的區(qū)別。（1）按功能結構區(qū)分。光工作站一般具有多于4個獨立的高電平輸出端口，每端輸出電平一般要求大于110dB，以適應直接用于用戶分配，增加覆蓋的要求。而光接收機的輸出電平一般不高，既使是高電平輸出光接收機，其最大輸出也一般低于108dB；光工作站具有完備的功能模塊（或預留插口），而光接收機由于采用小外殼，功能模塊單元相對很小，主要功能僅是實現(xiàn)光電轉換，即使有回傳發(fā)射

3、模塊，也相當簡單，無法適應未來雙向光接點的較高要求。（2）按可靠性區(qū)分。光工作站一般都采用高冗余度，通常都對關鍵的功能模塊實現(xiàn)備份，常見的功能備份有如下幾種：a、電源備份，通常光工作站可插入兩個高效開關電源，在一個電源出現(xiàn)故障時，內(nèi)部控制單元可自動切換到另一個電源。b、光備份，光備份有光接收備份、光發(fā)射備份。光接收備份：光工作站可插入2個以上的光接收功能模塊，分別接收不同路由的光信號，當一路出現(xiàn)故障時，控制單元將及時切換到另一路；光發(fā)射備份：光工作站可插入2個以上的回傳發(fā)射模塊，組成回傳模塊熱備份。光接收機一般結構簡單，不采用模塊插接結構，更談不上功能備份，其可靠性相對較低，（3）按網(wǎng)絡應用區(qū)

4、分。a、普通光接收機主要用于光接點的主干線傳輸，作為光接點的前端使用，用戶覆蓋主要由RF放大器延伸的電纜網(wǎng)完成，故系統(tǒng)指標分配一般為：前端（0.1）：光纜（0.4）：電纜（0.5），光纜部分的指標一般為：C/N49 dB，CTB65dB，OSO50dB。因而在工程應用中光接收機一般采用低光功率輸入，通常為2dBm或更低。這樣既能保證C/N指標，又能降低工程成本，由于光接收機輸出電平相對較低，失真指標得到較好的改善，其后續(xù)干線傳輸可以級聯(lián)更多的放大器，增加光接點覆蓋范圍。b.光工作站主要用于直接覆蓋用戶，因而電纜部分不需要分配指標。故系統(tǒng)指標分配一般為前端（0.1）：光纜（0.7）：用戶端接收設

5、備（0.2），光纜部分的指標為：C/N=45.6dB、CTB=56dB、CSO=56dB。也就是說光工作站可以通過提高輸出電平來增加覆蓋。因而在工程應用中，光工作站都實行高光功率輸入，一般為01dBm之間，與一般的光接收機相比，其RF輸出電平可增加78dBuv，一個端口的輸出電平理論上相當于3臺一般光接收機的覆蓋能力（此處的一般光接收機是指輸出電平較低，100dBuv直接覆蓋用戶的情況）。從上面的比較可以看出，光工作站一般采用超大鑄鋁外殼，功能完備，采用模塊化插接結構，提供高可靠的冗余備份，成本較高，價格不菲。光工作站的結構。 早期的光工作站一般為國外公司設計生產(chǎn)，近幾年來國內(nèi)的一些廠家通過消

6、化吸收進口光工作站，紛紛推出了自主知識產(chǎn)權的光工作站，由于受外殼鑄模的限制，幾乎清一色采用一種鑄鋁外殼，在產(chǎn)品特色上大打折扣，由于結構單一，各功能模塊的配置也差不多，下圖為最常見的光工作站的結構。 該光工作站采用電源模塊、下行光接收模塊、上行光發(fā)射模塊雙備份結構，同時省掉了自動增益控制單元電路。其信號流程如下：下行光接收模塊將入射的主通道光功率轉換成電信號，經(jīng)過低噪聲放大后進入主備匹配電路，經(jīng)阻抗匹配的電信號進入前置放大單元電路，該電路包含一到二級放大模塊，另設有檢測單元及增益、均衡控制（控制四個端口的輸出參數(shù)）；經(jīng)過前置放大的信號經(jīng)過一四分配器分成回路，每路都設有增益、均衡及頻響校正單元電路

7、，最后經(jīng)高線性功率倍增放大模塊放大，經(jīng)雙向濾波器濾波獨立輸出，每個端口都是獨立功率倍增放大。每路回傳信號由雙向濾波器濾出，經(jīng)過增益、均衡單元的調(diào)整后四路混合，同時如果本地有RF及數(shù)據(jù)信號也可與之混合，混合的回傳信號經(jīng)過功率放大后分成2路，分別也入主備回傳發(fā)射單元模塊。（1）下行主、備光通道切換，以提高HFC網(wǎng)絡的可靠性。下行通道設置一主一備光接收模塊，當主通道出現(xiàn)故障時，切換開關將接通備用光接收模塊，則備用通道正常輸出，當主通道恢復正常時，便自動倒換回去。（2）上行光通道切換，其可完成上行主、備切換，通常有兩種方案可供選擇：一是在光工作站內(nèi)設置兩個上行光發(fā)射模塊和切換開關及控制電路，這種方案需

8、要前端網(wǎng)管設備和光工作站內(nèi)的應答器來完成控制，如果不能實現(xiàn)自動控制，可以用手動控制切換，由于國內(nèi)CATV網(wǎng)管標準還沒有出臺，因而采用這種方案的光工作站，也只有實現(xiàn)手動切換解決主備轉換，第二種方案是在光工作站內(nèi)只設置2個上行光發(fā)射模塊，由前端光接收機和切換開關進行控制，采用這種方案，無需增加網(wǎng)管便能保證在主通道發(fā)生故障后，由前端完成切換到備用通道。（3）電源備份，電源備份是指采用2只高效開關電源，正常情況下，整機由主電源供電，一旦主電源出現(xiàn)故障，則控制單元將啟用備用電源給整機供電，同時隔離主電源。上述所有的主備單元模塊可以實現(xiàn)熱插拔。 一般人都認為AGC控制是光工作站檔次的象征，光工作站應該具有

9、AGC控制電路，以確保光工作站各端口輸出電平的穩(wěn)定，實際上如果在光工作站中設置AGC電路，則導頻信號及正常電視信號與由變阻二極管、電阻網(wǎng)絡組成的電調(diào)衰減器，將引入新的非線性失真。實驗測試表明：采用AGC回路后，載波組合二次差拍比C/CSO劣化1-2 dBuv，C/CTB劣化2-3 dBuv，由于光工作站是高電平輸出，失真指標的裕量留得并不多，如果加AGC電路，非線性失真將加大。在干線放大器中采用AGC電路是因為放大器的輸出電平較低、非線性指標較高，相對于AGC的功能效應，由AGC造成的非線性失真對放大器的影響可以忽略不計，另外此處所舉光工作站沒有網(wǎng)管單元，只留有網(wǎng)管接口，只是各關鍵工作參數(shù)的匯

10、集接口，通常網(wǎng)管單元檢測的工作參數(shù)是：下行入射光功率，上行發(fā)射光功率、各工作電壓、各端口的輸出電平等關鍵參數(shù)；而網(wǎng)管的控制參數(shù)可以有：切換上行發(fā)射模塊；在整機自動切換困難時由前端控制切換下行光接收模塊及電源等，相對來說控制功能比檢測功能復雜的多，絕大多數(shù)光工作站只有檢測功能便可以。如果有確定的網(wǎng)管標準，只須插入網(wǎng)管應答模塊，即可實現(xiàn)網(wǎng)管控制功能。 二、光工作站各功能模塊的原理。 前面已對光接收機作了詳盡的講述，光工作站如果去掉模塊備份功能，其原理和光接收機是一樣的。無論是各功能組件的功能、調(diào)節(jié)還是整機的調(diào)試也是相類似的。 1下行光接收單元。下行光接收單元實現(xiàn)光電轉換及射頻放大。該單元電路一般包

11、括PIN光探測器、低噪聲前置放大器、光功率顯示功能電路、主、備光接收模塊切換功能電路等幾部分。PIN光探測器是光工作站的核心，不同檔次的光工作站采用的光接收模塊是不一樣的，高檔的光工作站一般都采用進口集成一體化光接收模塊，中檔的機型通常都采用國產(chǎn)一體化組件，而經(jīng)濟型光站一般都采用分離組件，（即PIN管匹配電路）。光功率指示在光接收單元中是比較重要的功能電路，現(xiàn)行的產(chǎn)品受整機空間的制約，一般都采用57只發(fā)光二極管分檔指示光功率，用數(shù)碼管或液晶指示的產(chǎn)品并不多見。主接收模塊單元與備用接收單元應該是完全一樣的，也有的產(chǎn)品主接收模塊采用高檔進口組件，而備用接收模塊采用分離組件，以降低成本，因為絕大部分

12、時間里是主接收模塊在工作，備用模塊只是在有故障時短暫使用。由于備用模塊的時效性不高，通常也不加光功率指示電路，主備控制切換單元電路在主鏈路出現(xiàn)故障時主備切換。其控制原理并不復雜，最常見的控制信號生成框圖如下： 光功率檢測單元生成的光功率指示電壓與切換基準中壓比較并放大，生成控制信號，基準電壓的設定與光功率的判斷標準有關，如果光功率設定在8DBM以下時為無光功率輸入則基準電壓就設置的比較低，如果光功率設定在4dbm以下時為無信號狀態(tài)則基準電壓就設置的比較高，總得說來基準電壓的設置跟隨光功率有無的判定值的變化而變化，不同廠家的產(chǎn)品并不一致，由前級電路生成的小電流驅(qū)動控制信號再經(jīng)過驅(qū)動放大，最后到達

13、切換控制器件，該器件一般都采用高精度繼電器來充當。整個切換控制電路是根據(jù)光功率的有無判斷，從而連動控制光接收模塊的工作電壓，實現(xiàn)切換。在正常情況下，主接收模塊有光功率輸入，則切換控制電路就通過繼電器接通主接收模塊的電源，如果主接收模塊沒有光功率輸入，則切換控制電路將沒有控制信號輸出，繼電器不吸合從而連通備用接收模塊的電源，使之工作。匹配混合電路實現(xiàn)主、備光接收模塊通路的混合及阻抗匹配，正常情況下，主接收模塊工作，其線路傳輸阻抗將不受備用接收模塊的影響；反過來，當備用接收模塊工作時也不會受到主接收模塊的阻抗影響。下行光接收單元對光工作站整機的載噪比影響較大，要提高整機的載噪比，首先應選擇響應度高

14、的光電探測器，由于光工作站的入射光功率較大，系統(tǒng)的載噪比主要受限于激光器的相對強度噪聲，對于接收設備，只要適當降低量子噪聲和熱噪聲，便可滿足C/N的要求。高檔光工作站都采用飛利浦公司的帶有低噪聲前置放大器的光接收組件，它集高響應度的PIN光探測器和越低噪聲、寬動態(tài)推挽放大器于一體，其具有極低的噪聲系數(shù)，對提高整機的載噪比有極大幫助。從模塊化設計的角度考慮，通常光接收模塊、低噪聲前置放大器、光功率顯示集成到一個插件中，也就是說此處共有兩個插件（主備插件），主備切換控制及匹配混合電路是光工作站RF主板上的內(nèi)容。 2、前置放大單元電路，該部分電路是從匹配混合電路的輸出開始直到四路分配器件終止。其基本

15、功能是實現(xiàn)信號的低噪聲、低失真寬帶放大。該電路對光工作站整機的載噪比、失真指標影響較大，依不同的整機指標要求，對該單元放大模塊的選擇有多種組合模式，當要求光工作站端口的輸出電平大于110DBM時，通常是采用上圖所示的兩級放大模塊級聯(lián)，通常前級模塊采用BGY785AD后級采用普通的推挽放大模塊，只所以采用這種配置是因為前置放大的噪聲對C/N影響較大，實驗測試表明，達林頓型推挽模塊（BGY785AD）比普通推挽模塊BGY785A的CTB、CSO指標改善45db，如果對光工作站的指標有更高的要求，該兩級模塊可考慮采用砷化鎵工藝放大模塊，以保證有更高的C/N及失真指標。如果光工作站要求的輸出電平相對較

16、低，如大于104DBUV，該單元電路只采用一只放大模塊即可。該單元電路屬于光工作站基板上的內(nèi)容，除了放大模塊還通常都配置1到2個檢測端口，及增益調(diào)節(jié)，均衡調(diào)節(jié)，頻響校正等附屬電路。檢測端口的設置無論對整機生產(chǎn)過程中的組裝高度還是應用過程中的維護都有重要的意義，在工程應用中，此檢測端口在不用時最好用負載匹配，以防在光工作站在高增益工作狀態(tài)下引起自激振蕩。均衡器、增益衰減器基本上都采用插件結構。在光工作站中不止一處設有增益、均衡調(diào)節(jié)，采用固定值插件對整機調(diào)試有好處，可以精確的控制各端口的輸出電平，同時采用固定插件也便于系統(tǒng)升級時更換更高級的插件，通常光工作站的基板平臺都設計在1HZ，通過轉換放大模

17、塊及功能調(diào)節(jié)插件可實現(xiàn)在線帶寬升級。頻響校正是光工作站的關鍵電路，由于光工作站采用模塊插件結構，走線相對繁雜，阻抗匹配不好控制，從而導致整機的平坦度略差，如果沒有頻響校正，平坦度指標將很差。通過頻響校正器的阻抗調(diào)整及平坦度調(diào)節(jié)，可保證光工作站的平坦度在國標以內(nèi)。相對于光接收機中的頻響校正而言，該電路通常有68個可調(diào)頻段。 3輸出端口功率驅(qū)動單元電路。該單元電路是指從四路分配器始、至各端口輸出止。該單元電路包含四個端口處理通道，相當于四臺單模塊放大器。經(jīng)前置放大單元的信號進入一四分配器，分成平衡的四路輸出，每路輸出是相對獨立的RF通道，其一般包含增益調(diào)節(jié)、均衡調(diào)節(jié)、頻響校正、功率放大、雙向濾波器

18、（或預留）、端口檢測等單元電路。增益調(diào)節(jié)、均衡調(diào)節(jié)實現(xiàn)本端口輸出電平的增益、均衡靈活調(diào)整，也有的光工作站只有前置放大單元中的增益、均衡調(diào)節(jié)器件，此處不再單獨設置。由于光工作站后面的分配網(wǎng)相對較復雜，如果個別端口要求后面再級聯(lián)放大器構成小范圍的同軸分配網(wǎng)，有無增益、均衡調(diào)節(jié)將對指標有較大影響，此處設有增益、均衡調(diào)節(jié)可以靈活控制本端口的輸出電平，降低本端口的輸出電平并使其傾斜輸出，可改善失真指標，利于本端口級聯(lián)放大器。增益調(diào)節(jié)、均衡調(diào)節(jié)一般都采用固定插件式，采用固定插件除了接觸穩(wěn)定性（要求為鍍金插針、插孔）需要注意以外，總的說來其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性相當高，另外還起到提升整機工藝造型的作用。此處的頻響校正器

19、可以實現(xiàn)每個端口的靈活調(diào)整，只有前面一級頻響校正將無法兼顧四個端口的平坦度，其構成原理相對比較簡單，只有23個頻段的調(diào)整范圍。功率放大模塊實現(xiàn)對RF信號的低失真、高電平趨動。在高電平輸出情況下，該模塊的指標對整機失真指標貢獻最大，因而此處的放大模塊全都采用功率倍增放大模塊，使用功率倍增模塊可比普通模塊CTB、CSO指標分別改善34 dBuv，對于高檔的光工作站一般都選用價格較高的砷化鎵硅功率倍增模塊，可有效的降低噪聲和失真，并減少整機功耗。在實際工程應用中應視不同的性能要求選型配置，同時在整機的裝配、調(diào)試時應兼顧四端口的輸出電平、C/CTB、C/CSO指標，控制好各級放大模塊的最佳輸入電平，才

20、能保證整機的CSO、CTB指標。雙向濾波器是光工作站中較關鍵的器件，其指標對光工作站的影響較大，一個好的雙向濾波器不僅要有良好的平坦度、反射損耗指標，還要有極小的插損，不同廠家的產(chǎn)品，雙向濾波器的插損有較大差異，如果插損過大，將浪費光接收機的增益。為了實現(xiàn)對四個端口輸出信號的檢測，每個端口都設有20 dBuv檢測端口，可實現(xiàn)對各端口的在線檢測。4回傳通道結構?；貍魍ǖ缹τ诠夤ぷ髡緛碚f，其重要性不亞于正向通道，各個輸出端口雙向濾波器的低通濾波輸出信號經(jīng)過增益調(diào)節(jié)與均衡調(diào)節(jié)插件，匯集到四路混合器，經(jīng)過高隔離度混合構成一路回傳信號，同時本地的專用RF、數(shù)據(jù)信號也可通過專用端口輸入，經(jīng)過輸入匹配、增益

21、調(diào)節(jié)單元與回傳信號合成一路，該信號進入5200MHZ的低噪聲放大模塊進行功率放大。經(jīng)功率放大的回傳信號經(jīng)一二分配器分成2路，送入二只光發(fā)射模塊進行回傳發(fā)射，光發(fā)射模塊內(nèi)一般都包含一個5200Mhz、低增益的放大模塊。回傳光發(fā)射模塊的RF驅(qū)動電平應根據(jù)工程實際情況進行調(diào)試。目前光發(fā)射模塊所采用的回傳激光器主要有兩種：一種是法布里珀羅激光器（FP-LD），其單模輸出功率約1-2mW，用于傳輸2路調(diào)幅TV信號、24路數(shù)據(jù)回傳信號系統(tǒng)。另一種是DFB激光器，其噪聲和失真比FPLD低，其致冷型的單模輸出功率可達1624MW，傳輸頻道數(shù)較多，傳輸距離較遠；不致冷型的單模輸出功率約24mw，在回傳應用中一般都采用不致冷型，在實際工程應用選型中可根據(jù)傳輸距離長短、傳輸頻道數(shù)的多少和性能質(zhì)量要求選擇相應的激光器。另外回傳插件應用還需選擇頻率分割范圍，目前常用的頻率分割有以下幾種：542/53750(860)MHZ，535/47750(860)MHZ，565/87750(860)MHZ，4575