|
现有广播电视网络改造
2003-05-19 西部广播电视
原作者： 祁权生张中(四川九州电子科技股份有限公司，621000)
1 多功能CATV HFC宽带接入网
目前我国大部分地区有线电视HFC网络已经建成，而更多的网络改造已经转向宽带接入 网的建设，采用HFC网络进行双向改造后，可以提供多种综合信息业务服务。如模拟广播、
电视；数字广播、电视；电视点播(VOD、NVOD)；IP电话；数据通信等多种业务。同时，随 着互联网接入热潮的高涨，各种宽带技术迅猛发展，基于有线电视HFC网络的宽带
互联网接入技术以其强大的带宽及用户资源，越来越显示出其强大的生命力。HFC宽带接入 网已被认为是最佳的宽带多媒体用户接入平台，如何实现这些技术，国内外专家和技术人员
都提出了各自的见解。本文主要就HFC双向宽带网络用户端正、反电平合理设计搭配提出看 法。
11目前CATV HFC多功能宽带接入网的几个趋势
目前CATV HFC多功能宽带接入网的业务比以前单一传输电视信号有了很大发展，在网络的 建设上呈现出几个发展趋势。
1)由模拟技术到数字网络技术的平稳过渡，带来了高质量的图像声音、高容量的数据传输、 高性能的抗干扰接收效果，使电视不再是人们被动收看节目的渠道，而成为主动、
方便地获取信息，相互沟通和娱乐休闲的载体。
2)有线电视网的光纤化程度明显加快，光点的规模已进一步减小，光点到楼已成为一种常见 的网络结构形式。
3)传播方式由单向传输向双向、交互式传输发展。
4)服务方式由单一的服务向多样化、个性化的服务改变，现在已经能提供到每一个用户 的有条件接收系统。
5)运行方式由离散、小规模、低效率的管理方式向集约化、大规模、高效率和高效益的 管理方式改变。
6)CATV系统的高效自动化网络管理成为现代化有线电视网的一个重要标志。
7)有线电视网络的可靠、安全传输成为有线电视的新热点。
12双向CATV HFC多功能宽带接入网众多服务业务
目前经过双向改造的CATV系统用途广泛，业务范围比以前单一传输电视信号有了很大发展， 可以提供多种综合信息业务服务。
121广播电视业务
广播电视业务是CATV HFC网的基本业务，在完成广播电视业务时也有一些新的特点， 现代网 络能实现高质量的数字电视节目播出和传输。数字电视技术涵盖信源编码、信道编码和调制
、条件接收(CA)、用户管理(SMS)、电子节目指南等技术。
122CATV网上的双向数据通信
在CATV网上进行双向高速数据传送时，在用户端利用Cable Modem上网。Cable Modem采用
先进的调制技术(如64QAM)，分为对称和非对称二种。非对称型可为每个用户提供的上行速 率为10Mbit/s，下行通道速率可达30Mbit/s，可用在远程医疗、远程教
学、电视会议等场合，特别适合用高速Internet接入，能完成WWW浏览、收发电子邮件E-mai l、视频游戏、音乐点播、FTP网络文件传输、文件下载等功能，实现信息交流和资料传送。
123VOD(NVOD)视频点播业务
VOD是一种受用户控制的视频分配业务，它使每一个用户可以交互地访问远端服务器所储 存的丰富节目源，在家里可随时点播自己想看的有线电视台服务器储存的电影及各种文艺
节目，实现人与电视系统的直接对话。它还可以提供图文信息和综合服务，也可以对各种播 出节目进行控制和收费。
VOD业务集声音、图像、数据于一体，对网络带宽、存储空间、回传性能要求较高， 可以这样说，VOD业务的实现，标志着信息高速公路的到来。
目前以中央电视台数字电视系统为代表的NVOD视频点播系统实现了人与机顶盒的交互，是 视频点播的重要发展形式。
124电子商务及家庭银行
全球范围的Internet日益普及与发展，推动了网上电子商务的发展。电子商务作为商 业贸 易领域中的一种先进的交易方式已经席卷全球。可以用CATV
HFC与Internet相连，建成一个 能提供交互式服务的网络设备系统，并进一步开展商业服务。
125会议电视、远程教育
会议电视和远程教育是集数据、声音、图像于一体的多媒体业务，对带宽要求非常高，是数 据宽带网质量好坏的又一重要标志，也是CATV宽带网应用的又一特色。
126CATV网上的电话
在CATV网上传电话业务，这种方式叫网络电缆电话(Cablephone)，其特点是不仅可以提供普 通电话，也可以提供宽带的电信业务，包括64Kbit/s数字电话、ISDN、电视电话
等。
127现代智能小区建设
在CATV双向网上，可以建成完善的智能小区，完成电子报警监控、周边红外、单元可视对讲 、家庭自动控制、三表远传、电子公告、背景音乐、停车场管理等。
现代CATV网的特点是有广泛的市场和广阔的发展前景，有线电视在21世纪将成为重要的社会 信息媒介。
2双向传输CATV系统
CATV系统只是单向(下行)传输电视信号的模式已不能满足信息社会的多功能、多业务的要 求。将双向传输技术应用于CATV系统，为有线电视系统带来了勃勃生机及广阔的发展前景，
使其从单向单一功能电视信号分配网向交互式多功能综合信息服务网发展，为社会提供丰富 多 彩的业务。如交互式通讯、计算机联网、电缆电话、付费电视点播(VOD、NVOD、IPPV)、电
视购物、会议电视、社会调查、多媒体业务等。
在目前的有线电视网络基础上拓展多功能业务要解决许多问题，如光节点的分布密集度，网 络拓朴结构的安全、可靠性，双向传输，接入系统的噪声入侵，光纤
冗余度、网络管理等，因而必须根据现有网络的实际情况，制定统一的有线电视多功能开发 规划方案和技术方案，逐步实施。
21双向CATV系统网络结构
在HFC网络结构中，信号采用光纤和同轴电缆混合传输，上行信号首先从用户端经过 分配网络传送到光节点(频率分割法)，然后通过上行光纤网传回到前端进行处理，这里采用空间分
割法传输，即单独用一芯光纤传输上行信号。因此上行光纤传输网除暂时使用带宽较窄外( 一般为5～65MHz，扩展带宽为5～200MHz)，与下行光纤网设计方式是一
样的。典型的光双向传输系统见图1。
22上下行通路的频率划分
在HFC网的同一根电缆上进行双向多功能的传输必须进行上下行频道的划分。 目前较常用的分割方式是广播电影电视总局批准的GY/T106-99标准中推荐的上行频段为5～6
5MHz，下行频段为85～1000MHz。
23HFC网中的Cable Modem系统 HFC网Cable Modem传输数据的框图见图2。
Cable Modem的头端设备CMTS的以太口可以直接与以太网相连。服务器用于组成本地局域网 ，如不需要本地局域网，CMTS输出的下行信号经过
图1光双向传输系统结构图
图2HFC网Cable Mo dem传输数据框图
上变频器以频分复用的方式合入有线电视 下行信号。在光缆传输部分，上下行信号分开单独传输，上行信号送到CMTS的上行输入端口
。最新的CMTS带有千兆以太口，根据不同的数据量可以配多个下行插板，上行端口也可以根 据要求数量来配置。对于大型城市，图2的CATV网框图结构可以作为一个分前端，主前
端可以以 环行光纤网结构与其相连，模拟CATV与数字网络分别用光纤传到分前端，一方面数据网可以 以 ATM或千兆以太网方法传输，以提高传输效率，另一方面各分前端的数据上下行频率可以重
复使用，这一点对于需占用大量频率资源的VOD特别重要。
用户分配网由电缆组成，上下行信号都在一根电缆内传输。
24上行噪声
上行噪声来源：
1)窄带干扰，主要是频道为5～30MHz内的短波广播信号及单频连续干扰。
2)宽带脉冲噪声，来自电弧放电和产生电磁场的电气设备的干扰。
3)内部噪声，直接来自有线电视系统内部的组成设备的干扰。
4)共模干扰，由设备的非线性失真所引起的干扰。
噪音的侵入主要有二个途径：一是用户室内的电视机信号输出端，是产生强干扰的源 头(相 当一部分来自用户自身，主要来自电视机的中频)，其产生的上行干扰能量集中在5～35MHz频段(呈单调下降曲线)，其频谱能量强度高，一般在70～90dB霽；
二是环境电磁干扰侵入电缆而形成，如短波电台信号等，对常用的电缆侵入产生的干扰强度 一般在10～60dB，即电缆呈现“接收天线”效应。
3光点用户数的确定
31光点用户数对上行指标的影响
在CATV网上述指标中传输指标较容易达到，但入侵和汇聚噪声问题较为严重，也较难处理 ，但减少每个光节点覆盖的用户数是一个最好的方法。
双向CATV的上行通道与下行通道的不同主要在于下行通道是广播式的，整个系统只有一个中 心，可以花较大的成本将前端的指标做的十分好，光纤传输干线的指标也可以做的很好。系
统中即使有部分不重要的用户(比如距离较远，用户数较少)，指标做的不高也不会影响其他 用 户。而反向通道则不然，在整个系统中所有用户的反向信号要向网络中心汇聚，产生漏斗效
应和入侵噪声，也就是说在整个网络中任意一个点有干扰都会传到中心而影响整个系统的可 靠性。所以双向HFC网的关键在于上行通道的指标。
上行通道的带宽可根据所需的数据传输速率设定。在同样的带宽内，QPSK调制的速率比16QA M调制方式低，但其抗干扰性能好，适用于噪声干扰较大的上行通道，而16QAM调制适用于信
道质量好且要求高速传输数据的场合。
在CMTS设备中，为了减小上行通道的干扰，一个下行通道一般对应多个不同频率的上行 通道，CMTS根据信道的噪声状况自动跳频到干扰较小的通道，而用户察觉不到跳频的过程。
另外，由传输设备的非线性产生，波形失真也会在上行通道中呈离散的噪声尖峰。
显然，上行通道的矛盾是漏斗效应和入侵噪声，这是上行信号采用频带利用率并不高， 但 抗干扰能力较强的QPSK编码方式的原因，除此以外，为减少漏斗效应将每个光节点的用户数
控制在200～500户或更少。
32光点用户数对上网速率的影响
在上行通道中，数据传输速率比下行通道低，整个通道被分成多个时间片，每个Cable Mode m根据前端设备提供的参数确定使用相应的时间片。
Cable Modem系统的每一个下行通道可支持500～2000个Cable Modem用户，工作时每个Cable
Modem用户实时分析下行数据中的地址，通过地址匹配确定数据的接收。当用户数量较多时 ，下行数据量增大，每个用户的平均速度下降。例如，一个下行通道中有1000个用户，平均
速度为40Mbit/s/1000＝40Kbit/s。这个速度是指每个用户同时下载数 据的 情况，在实际传输中，系统可以动态地分配带宽，使某个用户在很短的时间内占用一切可
用 的带宽完成数据的下载。因此，平均速度只是一个最小数据。在前述情况中，每个用户的实 际传输速度应为40Kbit/s～40Mbit/s。
光点的用户数量愈少，用户上网速率愈快，一般控制在200～500户或更少比较合适，当然， 在Cable
Modem系统建设的初期，一个光点内用户很少，可以多个光点合用一个上、下行通 道。
4同轴电缆系统的设计
41上行传输的有利条件
411传输损耗非常小
用同轴电缆传送上行信号，其传输损耗非常小，见表1。
表1同轴电缆传输损耗
频率MHz损耗 dB电缆型号515305065100750
75-518263647536719
75-713182330344313
75-909131823262310
75-1206091317192474
从表1可见，上行传输远比下行传输的损耗小，所以，对于双向放大器的上行 实际 工作增益可以很低(约1/3)，这意味着如果用同样水平的放大器件，其动态范围增加15～20
dB。
由于电缆损耗小，各上行信号电缆路由虽然在工程中有长度误差，但造成的信号电平损耗差 也很小，这是上行回传设计的有利条件(即使误差几十米，造成的各用户上行电平差也能在
容 许误差范围内)。尤其在HFC条件下，电缆和放大器级数少，电缆长度误差对下行信号(频率 高)传输要求严格，而对上行信号肯定在容差范围内(这是今后上行调整“傻瓜化”的基础)
。
412信号总合成功率小
由于上行频带窄，可能在极限条件下传输的群信号总合成功率比下行群信号的总合成功率小 很多(约为1/10)，这意味着在同样放大器件条件下，上行信号的平均单路信号电平比下行信
号的单路信号电平高10dB左右。这就是说，上行信号的工作电平可以高10dB，意味着抗干扰能力提高10dB(放大器的热噪声可以不予考虑)。
413上行数字信号对非线性失真不敏感
如果上行传输的是数字信号，其工作条件更宽松，因为数字信号对非线性失真不 敏感，即使总合失真成分相对于信号为－28dBc，对传输条件最苛刻的256QAM
方 式也能高品质传输(在这种条件下，对RF电视信号是绝对不允许的)。而且，产生的失真成 份 的分布也均匀，意味着网络中的有源设备的有效动态范围也比传输多路电视信号时的动态范
围大。
414上行电平高
上行信号源自于用户室内端口，按规定，上行端口信号必须小于114dB霽(按IEC6 072 8-10/CDV规定)，考虑上行信号电平受中心CMTS的管理而留有余地，也有较强的抗干扰能力
。
42双向同轴电缆网设计原则
421按下行传输原则确定放大器间距，按上行传输进行回传电 平(增益)设计，按下行传输调试。
422采用集中放大分配方式的入户分配器材。楼房的每个单元( 十余用户)为一个最基础的汇集点，安装一台集中分配箱。由于集中分配箱保证了到各用户
的下行入户电平一致和各用户上行后汇集电平一致的要求，可将这个集中分配箱在 整个网络中视为一个基础点，即上行信号的起点(也是下行信号的设计终点)，将网络设计工
作量和实际调试量减少90%(假设12户为一个单元)。
423在网络设计时，尽量不使用分支损耗大于12dB的 分支器。尽量采用分配器作分路器材，以保证各支路上行路由的总损耗之和(电缆及分路器
材传输损耗之和)近似相等。由于下行增益可在放大器内调整，便可总结出“按上行传 输设计，下行输入电平可高不可低”的原则。
424网络路由尽量设计为多级星型传输结构，称为对称 性设计。因为多级星型结构由中心到用户的分配过程正是由各用户上行逐级汇集的过程，只
要保证了对称性，上行/下行电平就必然一致。
425正确选用双向光工作站。在双向传输条件下，要求光机能 在内部对N个端口的上行电平分别调整后汇集，上行调试在光节点处
细调即可，非常简便(才保证今后维护调试的可行性)。
5双向网数据传输的参数指标
51下行通道参数指标
目前传统的HFC有线电视系统主要有三大技术指标：载噪比C/N，复合 三次差拍比CTB，复合二阶失真CSO。
HFC网络下行通道的载噪比国标是43dB(到用户端)，而DOCSIS标准对CMTS的载噪 比要求是35dB。
DOCSIS标准与CATV国标对下行RF信道的传统传输特性指标见表2。 通常满足CATV国标的HFC网都能满足DOCSIS标准对下行通道的要求。新的HFC有线电视系统
由于要传数字信号，在技术指标上又有很多新的特点和要求。 表2DOCSIS标准与CATV国标对下行RF信道的传统传输特
性指标
参数DOCSIS标准CATV国标
频率范围88～860MHz85MHz～1GHz
RF信道间隔6MHz8MHz
最大传输延时设计带宽内≤08ms
载噪比≥35dB≥43dB
CSO≤－50dB≤－55dB
CTB≤－50dB≤－55dB
载波幅度波动05dB/6MHz
CMTS带宽内最大群延时波动75ns/6MHz
交流哼声－26dBc(＜5%)≤3%
突发噪声以10Hz平均值不大于25ms
信号电平倾斜50～750MHz：16dB±15dB
CM输入端的最大电平17dBmV(77dB霽)用户电平67＋5dB霽
CM输入端的最小电平－5dBmV(55dB霽) 用户电平67－5dB霽
511调制差错比(MER)
调制差错比类似于模拟系统中的信噪比。对于64QAM调制信号，要求MER≥27dB； 对于256QAM调制信号，要求MER≥31dB。
512比特差错率(BER)
定义为错误比特和发送比特总数之比，有时简称为误码率。它是描述数字传输链路质量的 主要参数，与测试点的载噪比有关，因此与载噪比同时测量。
513射频载波的相位噪声
相位噪声可在发射端引入，或者在接收端因本振不稳定而引入。载波恢复电路中环路带宽之 外的相位噪声会使I/Q平面上的星座点出现圆形模糊。这会降低系统的工作裕量(噪声裕量)
，并可直接加大比特误码率。
514Cable Modem系统吞吐量
用电缆调制解调器系统分析仪从中心机房FTP服务器下载指定的文件，通过不停下载文件， 测出吞吐量(KB/s)并报告结果。
515Cable Modem系统最大有效下载数据速率
使用测试软件，通过FTP文件下载(文件大于100MB)。由于Cable Modem系统能够动 态分配带宽，因此测出的文件传输速率是变化的。这种变化主要体现在刚开始时速率较小，
然后逐渐增大，最后趋于一个稳定的较大值。因此用于测试的下载文件不应小于100 MB，记录最大值，并在多种测试条件下测试比较。最大有效下载数据速率是动态变化的，
它与系统在线的Cable Modem数量、在线的用户数量、同时下载文件的用户数量、系统信噪 比、头端的处理能力等密切相关。
516差错秒、严重差错秒
Cable Modem系统采用FEC代码修正下行系统传输错误，这种错误主要来自下行系统的突 发干扰。如果错误非常严重，则FEC不能修正，在大多数情况下，差错秒、严重差错秒应
该为零。
52上行通道参数指标
HFC网络上行信号的调制解调体制为QPSK(正交相移键控)，为达到10－8的符号差错 概率，高斯噪声背景下解调器所需的载噪比为152dB，考虑上行通道中窄带连续
波的干扰和冲激干扰的影响，取载噪比为25dB可以满足可靠传输的要求。所以DOCSIS标准上 行RF信道取CNR≥25dBc。DOCSIS标准上行RF信道的传输特性指标
见表3。
表3DOCSIS标准上行RF信道的传输特性指标
参数DOCSIS标准
频率范围5～42MHz
最大传输延时设计带宽内≤08ms
载噪比≥25dB
载波侵入功率比≥25dB
载波干扰(噪声、失真及交扰调制的和)侵入功率比≥25 dB
突发噪声在大多数情况下，以1kHz平均值不大于10ms
幅度波动05dB/MHz(5～42MHz)
群延时波动200ns/MHz
交流哼声－23dBc(＜7%)
上行RF信道还应测试上行信噪比(S/N)、块差错率(BKER)、丢包次数、P ing时间和上行最大有效文件传输速率。
6上行噪声汇聚的解决办法
上行噪声汇聚的原因很多，要解决此问题须从多方面入手。
61正确规划频率资源
611在作频率规划时对网络作充分测试，避开噪声较大的频点 ，尽量不采用上行频段为5～30MHz的分割方式，因为此种方式可选择上行频率太
少。
612充分发挥CMTS设备功能。一个CMTS设备的不同上行通道可 以有多个不同频率，合理选择每个上行通道的频率，可减少上行噪声汇聚。
62隔离噪声源
在所有干扰中，以电视机输入端口引入的干扰最为严重，尤其是一些有故障的陈旧电视机， 噪声电平可达95dB以上。解决电视机干扰的办法是在
干扰噪声较大的地方加装高 通滤波器。对Cable Modem直接到户的网络，九州电子科技股份公司专门推出了一种多媒体
用户终端盒MTUB-1。该用户盒有两个RF输出口，其TV口接电视机，并且带有专门设计的高通 滤 波器，可以较好地隔离电视机本振泄漏等给反向通道带来的噪声，有效地提高了双向数据传
输的可靠性。
图3
63多用户型Cable Modem
九州电子科技股份公司的宽带接入单元方式(多用户型Cable Modem)可以同时满足15户上 网，有可靠的供电模块和温控散热模块，此方式较每户一台Cable
Modem的显著优点是减少 了系统中的Cable Modem数量，有效地克服了回传噪声。
64编码方式
采用具有较强抗干扰能力的调制方式和合适的编码方式，如QPSK、16QAM、S-CDMA等。但我 们在工程实践中感到改变编码方式抗干扰效果并不理想，还必须解决网络上的很
多问题。
7上行通道的调试
上行通道的调试也十分重要。一般地说，CMTS的下行输出电平为50～61dBmV(110 ～121dB)，接收的输入电平为－16～26dBmV；Cable
Modem接收的电平为 －15～15dBmV；上行信号的电平为8～58dBmV(QPSK)或8～55dBmV(16QAM)。上下行信号经HFC网络传输衰减后，电平数值应满足这些要求。
每个CM(用户Cable Modem)上行发送的RF电平都是自适应的，最高发送电平可达117dB霽(不同厂家的产品不一样)。但CMTS上行的入口电平一般只要求60dB霽左
右，因此要在合适的位置(一般是CMTS上行入口)加上适量的衰减器，使输入到CMTS上行入口 的电平恰到好处，同时使传输中的RF上行电平尽可能高，以提高载噪比，如送入CMTS的上行
电平过高，CM会自动降低发送电平，使传输通道中载噪比下降。
网管软件可以指示各个CM的发送电平，同时可进行CM上行信号的测试。先让CM正常工作，然后登录到头端CMTS，通过CMTS查看此CM的工作情况和运行的各个参数指标，包括载噪比
、电平等，以检查上行各个通道是否调试合理。
|
