1、HFC傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分析 作者:格爾木有線電視臺 李國林由于設(shè)計(jì)對象是一個(gè)“光纜、電纜CATV綜合網(wǎng)絡(luò)”，其傳輸網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想應(yīng)該是：從目前的以“模擬”為主的“廣播電視網(wǎng)”，逐步過渡到將來的以“數(shù)字”為主的“模數(shù)混合寬帶綜合信息網(wǎng)”。因此，在討論設(shè)計(jì)前，有必要簡單了解一下HFC傳輸?shù)膸追N調(diào)制方式和網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)。1.HFC傳輸系統(tǒng)的幾種調(diào)制方式方案 CATV傳輸系統(tǒng)從調(diào)制方案上分為模擬信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)。根據(jù)信號的接口方式又分為基帶信號傳輸系統(tǒng)和射頻信號傳輸系統(tǒng)。目前應(yīng)用較多的系統(tǒng)是模擬射頻傳輸系統(tǒng)，主要原因?yàn)閂SB-AM系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)相比造價(jià)相對較低，且可采用6MHz帶

2、寬傳輸，它與電纜分配網(wǎng)絡(luò)及前端接口之間匹配良好。當(dāng)選用光纜作干線時(shí)，還要考慮光纜延伸的范圍，決定分配電纜網(wǎng)的大小。光纖傳輸有線電視信號需對電視信號進(jìn)行處理(調(diào)制)，然后對光源進(jìn)行調(diào)制。對光源進(jìn)行調(diào)制分為外調(diào)制和內(nèi)調(diào)制兩種。外調(diào)制光發(fā)射機(jī)采用穩(wěn)定光源(常用YAG固體激光器)由電信號加在外光調(diào)制器上對通過激光束進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，這種外調(diào)制光發(fā)射機(jī)調(diào)制失真小，輸出信號噪聲低，傳輸距離遠(yuǎn)，動(dòng)態(tài)范圍大，負(fù)載能力強(qiáng)，但需對失真進(jìn)行補(bǔ)償，且價(jià)格也較昂貴。電信號直接對分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，稱之為內(nèi)調(diào)制。此類光發(fā)射機(jī)價(jià)格便宜，使用方便，現(xiàn)在被大量采用。根據(jù)對電信號的處理，可分為下面三種調(diào)制方式

3、。1.1幅度調(diào)制光纜傳輸(VSB-AM) 這是一種模擬傳輸方式，常簡稱為AM光纖技術(shù)。這種方式是電視信號對相應(yīng)頻道的載波(VHF或UHF)進(jìn)行殘留邊帶調(diào)幅調(diào)制，然后把各路已調(diào)制的載波混合在一起對激光器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。這是一種模擬的傳輸方式。AM光纜技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以與通常的電纜CATV網(wǎng)兼容；光接收機(jī)輸出信號可以直接作為電纜CATV網(wǎng)的輸入信號，不需解調(diào)和調(diào)制。目前，AM光纜傳輸是最便宜的方式，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種，但對激光器的線性要求非常嚴(yán)格。現(xiàn)在，AM光纜傳輸設(shè)備的典型指標(biāo)為：光損耗10dB，C/N為50dB CSO/CTB為(6063)dB。一級AM光纖鏈路可達(dá)25km。同樣的距離如

4、果用電纜需要50個(gè)放大器級聯(lián)。1.2頻率調(diào)制光纜傳輸(FM-IM) 這也是一種模擬傳輸方式。首先，電視信號對每個(gè)頻道的載波進(jìn)行頻率調(diào)制(FDM)，然后把各個(gè)經(jīng)過FDM調(diào)制后的信號混合起來對激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。采用FM方式有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：傳輸帶寬27MHz，由于寬頻帶增益和加強(qiáng)增益，可以把S/N對C/N改善20dB以上。由于不易受到失真干擾之影響，故可確保較高的光調(diào)制度；于是可大幅度放寬對LD性能之要求。對所要求之接收光功率可降低到約-20dBm。由于不易受到反射光的影響，故可進(jìn)一步降低對接收光功率之要求。采用FM方式尚需解決的技術(shù)問題是與同軸CATV的連接。若內(nèi)裝BS調(diào)諧器在TV接收機(jī)中，則可廉

5、價(jià)地實(shí)現(xiàn)包括HDTV在內(nèi)的衛(wèi)星廣播業(yè)務(wù)之FTTH系統(tǒng)(FiberToTheHome)。 總之，其最大的缺點(diǎn)是原電纜CATV系統(tǒng)不兼容，每個(gè)頻道都需要調(diào)制器和解調(diào)器，因此成本較高。另外，由于FM占用頻帶較寬，傳輸節(jié)目數(shù)量受到限制。其優(yōu)點(diǎn)是對激光器的線性不敏感，靈敏度高，光路允許損耗大，傳輸距離相對AM光纖要長。目前，F(xiàn)M光纖的典型水平是用1310nm波長的單模光纖，允許光損耗為20dB，傳輸距離大于40km。一般可傳輸16個(gè)電視頻道。1.3數(shù)字調(diào)制光纜傳輸(PCM-IM) 數(shù)字光纜傳輸采用脈沖編碼調(diào)制(PCM)方式。這種方式是將基帶電視信號經(jīng)取樣，編碼，復(fù)接后對光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，一般使用68bA/

6、D(模/數(shù))變換。一路電視信號編碼數(shù)率為140Mb/s，經(jīng)過壓縮編碼后可低于34Mb/s。一根光纖能傳輸812路電視節(jié)目，數(shù)字光纜傳輸距離長，單級傳輸距離達(dá)60km，其S/N可達(dá)60dB，CTB和CSO為70dB。這種方式在傳輸中無噪聲積累，無非線性失真，可多次進(jìn)行中繼，仍保持很高的圖像質(zhì)量。同F(xiàn)M光纜一樣，數(shù)字光纜和CATV分配網(wǎng)相聯(lián)接時(shí)，需要增加調(diào)制解調(diào)器，其成本高于FM光纜。但由于其傳輸距離長，傳輸質(zhì)量好，是網(wǎng)間長距離傳輸?shù)淖罴逊绞?，隨著成本的下降，這種方式將會被更普遍地采用，特別是省內(nèi)干線聯(lián)網(wǎng)。光CATV系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展適應(yīng)了社會向信息化方向發(fā)展之必然趨勢。隨著信息化社會之迅速發(fā)展

7、，人們對多媒體技術(shù)之關(guān)注與日俱增。以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，把廣播、通信和信息處理融為一體，不僅進(jìn)行簡單的圖像分配，而且出現(xiàn)了把圖像、聲音、數(shù)據(jù)、圖形等巧妙地組合起來的多媒體業(yè)務(wù)。CATV采用光纖傳輸加上數(shù)字化，則將與B-ISDN之聯(lián)系更緊密，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CATV業(yè)務(wù)之多樣化；并可擔(dān)負(fù)提供多媒體業(yè)務(wù)的重要一翼。 因此，人們對光CATV的數(shù)字化、高質(zhì)量化和雙向化的研究寄予厚望。目前，數(shù)字傳輸方式基本上有兩種：一是直接PCM方式，它不進(jìn)行信號頻帶壓縮；二是按MPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行頻帶壓縮之方式。在中繼回路中，為了確保演播室的質(zhì)量，須采用直接PCM方式。在干線及分配系統(tǒng)中，由于允許一定程度的質(zhì)量惡化，以及由于編碼

8、-譯碼機(jī)價(jià)格之下降，故采用頻帶壓縮方式比要求寬頻帶的直接PCM方式有利。目前，研究開發(fā)數(shù)字傳輸光CATV的關(guān)鍵技術(shù)有：單模光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字/頻帶壓縮技術(shù)以及多媒體技術(shù)。 2 HFC傳輸網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 同軸電纜、光纜、微波和衛(wèi)星是傳輸和分配CATV信號的四種傳輸介質(zhì)，根據(jù)不同的環(huán)境條件和要求構(gòu)成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電纜CATV網(wǎng)基本上都是樹型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)適合于電纜的能量分配，對于光纖傳輸，則以星型結(jié)構(gòu)更為合適。光纜電纜混合CATV網(wǎng)多采用星型光纖傳輸，最后用樹枝型電纜網(wǎng)把信號傳輸?shù)綉?。VSB.AM-FDM傳輸方式的典型應(yīng)用實(shí)例是以美國為代表的光纜脊骨型傳輸網(wǎng)絡(luò)。通常，對CATV的電纜長度分配

9、為：干線系統(tǒng)占10%；分配系統(tǒng)占40%；進(jìn)線系統(tǒng)占50%。在這種網(wǎng)絡(luò)中，由于只有干線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光纖化，故不會大幅度增加系統(tǒng)成本。 2.1 HFC網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 前面已述光纖CATV網(wǎng)是以光纜作為干線的光纜-同軸電纜混合網(wǎng)(HFC)，其電纜部分往往采用樹型拓?fù)?，而光纜部分則基本上都采取星型結(jié)構(gòu)。見圖2。星型拓?fù)涞暮锰幨牵汗夥峙湟淮蔚轿?，所用光分路器少傳輸質(zhì)量好；當(dāng)一部分線路發(fā)生故障時(shí)，連在星型光分路器其他分支上的用戶將不受影響，故網(wǎng)絡(luò)的可靠性高。星型拓?fù)涞奈ㄒ蝗秉c(diǎn)是耗用光纖較多。與之相反，樹型拓?fù)洳捎靡幌盗?分N分路器的級聯(lián)，又造成較多熔接點(diǎn)。這不但引入較大的插入損耗，浪費(fèi)光功率，而且由各光分路器和

10、各熔接點(diǎn)造成的多重反射將使光路的噪聲增加，令非線性失真變大。另外，樹型結(jié)構(gòu)的主干一斷，就會影響后續(xù)分支，故網(wǎng)絡(luò)的可靠性較低。樹型網(wǎng)絡(luò)的唯一優(yōu)點(diǎn)是光量較省。在光纖的單價(jià)已很低的今天，適當(dāng)?shù)囟嘤靡恍┕饫w而換來一系列好處是值得的。但在特大型網(wǎng)絡(luò)中，適當(dāng)利用長距離的光纖超干線而將光分路器置于遠(yuǎn)端，構(gòu)造雙星型或類似結(jié)構(gòu)如圖3所示，也是可取的。具體采用什么結(jié)構(gòu)要視光節(jié)點(diǎn)的地理位置及其他因素而定。 2.2 光纖到節(jié)點(diǎn)(FibretotheFeederl簡稱FTF) 這是目前新建CATV網(wǎng)的主要傳輸模式。從中心前端或分前端按星型輻射方式敷設(shè)光纜到各個(gè)分配節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。從節(jié)點(diǎn)再以星型-樹型方式敷設(shè)支

11、線電纜和用戶電纜到該區(qū)域中各用戶家庭，如圖4所示。圖3雙星型拓?fù)鋱D4光纖到節(jié)點(diǎn)(FTF)在這種模式的電纜網(wǎng)中不使用干線放大器。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)區(qū)域通常較小，以延長放大器能夠服務(wù)的范圍為限，大約覆蓋20005000戶家庭。一條支線上的放大器不超過三至五個(gè)。這是當(dāng)前光電結(jié)合CATV網(wǎng)的典型模式。2.3 光纖到路邊(FibretotheCurb，簡稱FTC) 進(jìn)一步縮小FTF模型中一個(gè)光節(jié)點(diǎn)的服務(wù)區(qū)域，讓光纖盡可能地滲透到用戶的附近，到達(dá)一個(gè)路邊(Curb)平臺，以充分利用光纖傳輸?shù)膬?yōu)越性。一個(gè)Curb管轄的范圍在512戶以下，通常只含一級或兩級放大器。這是當(dāng)前和今后發(fā)展寬帶綜合業(yè)務(wù)用戶網(wǎng)的主要方式(

12、從用戶到前端有反向通道)。從FTF到FTC，每一光節(jié)點(diǎn)所服務(wù)的用戶逐步減少，這是光纖CATV網(wǎng)向?qū)拵ЬC合業(yè)務(wù)用戶網(wǎng)過渡的必然要求。非廣電業(yè)務(wù)都是雙向業(yè)務(wù)(電話、計(jì)算機(jī)通信、交互式視頻業(yè)務(wù)等)，而雙向傳輸?shù)纳闲行诺来嬖趦蓚€(gè)基本的問題上行頻帶(通常為540MHz)阻塞和反向放大器的匯入噪聲。如果接在一個(gè)電纜分支上的成百上千用戶的回傳信號要同時(shí)搶占同一放大器狹窄的上行通道，那么通信就會阻塞，致使共用一個(gè)上行信道的用戶數(shù)不能太多。在樹枝型或星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)反向放大器的輸出噪聲向一個(gè)通道匯集，加上低頻頻段(540MHz)的外界干擾比較厲害，故上行通道的載噪比通常很低。 為了克服這兩個(gè)問題，對應(yīng)一個(gè)

13、光節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù)應(yīng)盡可能取得小一些。建議一般采用如下的發(fā)展階段：第一階段，按FTF概念劃分小區(qū)，每一小區(qū)有2048用戶，再設(shè)置一個(gè)光節(jié)點(diǎn)，內(nèi)含一臺光接收機(jī)和一臺回傳光發(fā)送機(jī)。光接收機(jī)以下通過四條同軸電纜支線聯(lián)接八個(gè)小橋接放大器；每兩個(gè)小橋放各拖動(dòng)512個(gè)用戶。四條支線的上行信號匯集到光節(jié)點(diǎn)，由回傳光發(fā)送機(jī)發(fā)回前端，如圖5。這一階段做到了每臺光發(fā)送機(jī)管8192戶；每個(gè)光節(jié)點(diǎn)服務(wù)2048戶；每2048戶共用一條上行通道。第二階段，將光接收機(jī)增加為四臺，分別插入在原來安裝前四只小橋放的機(jī)箱中，形成四個(gè)光節(jié)點(diǎn)。每個(gè)光節(jié)點(diǎn)通過四個(gè)橋放帶動(dòng)512個(gè)用戶，但上行線路仍通過原來的同軸電纜匯集到原來的光節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)在

14、，這個(gè)光節(jié)點(diǎn)箱中已沒有光接收機(jī)；假定向以下四個(gè)光接收機(jī)分配的光功率足夠的話，就只剩下光分路器和回傳光發(fā)送機(jī))。這一階段達(dá)到了每臺光發(fā)送機(jī)管2048戶；每個(gè)光節(jié)點(diǎn)服務(wù)512戶；每2048戶共用一條上行光纖通道。如圖6所示。第三階段，隨著回傳用戶的增多，為了擴(kuò)展上行通道，在回傳光發(fā)送機(jī)之前，把下面四個(gè)光節(jié)點(diǎn)542MHz的上行電信號分組上變頻，例如把原來的(542)MHz頻段內(nèi)的信號，分組變換到(542)MHz、(5087)MHz、(95132)MHz和(140177)MHz頻段。這些信號混合后再通過回傳光發(fā)送機(jī)發(fā)送。這樣，雖然還是每臺光發(fā)送機(jī)管2048戶，每臺光接收機(jī)只管512戶，每2048戶共用

15、一條上行通道；但頻率資源帶寬卻由37MHz拓寬為148MHz，增加三倍。在上述發(fā)展步驟中，基本的思路是光節(jié)點(diǎn)的位置(現(xiàn)在和未來的)一次設(shè)計(jì)好，光纜敷設(shè)一次到位，然后讓光接收機(jī)和回傳光發(fā)送機(jī)逐步向用戶推進(jìn)，達(dá)到FTC的規(guī)模。第四階段，為更進(jìn)一步擴(kuò)展上行通道，可將第三階段所述的“上行信號的分組上變頻”分別移至下面四個(gè)光接收機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，這些信號混合后再通過原來的同軸電纜送到回傳光發(fā)送機(jī)處進(jìn)行二次分組變頻，例如把原來的四路(5177)MHz頻段內(nèi)的信號，分組變換到(5177)MHz、(185357)MHz、(365537)MHz和(545717)MHz頻段。這些信號混合后再通過回傳光發(fā)送機(jī)發(fā)送。這樣做的結(jié)果，就達(dá)到了每128戶共用一條37MHz寬的上行電通道，令雙向通信的接通率大大提高。2.4光纖到最后一個(gè)放大器(FibretotheLastActive，簡稱FTLA) 現(xiàn)在國外正在提倡FTLA，或稱為無源同軸網(wǎng)絡(luò)。它的意思是在光接收機(jī)后