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1、HFC传输系统的设计方案分析 !由于我们的设计对象是一个“光缆、电缆CATV综合网络”，其传输网络功能设计的指导思想应该是：从目前的以“模拟”为主的“广播电视网”，逐步过渡到将来的以“数字”为主的“模数混合宽带综合信息网”。因此，在讨论设计前，有必要简单了解一下HFC传输的几种调制方式和网络拓朴结构。1.HFC传输系统的几种调制方式方案 CATV传输系统从调制方案上分为模拟信号传输系统和数字信号传输系统。根据信号的接口方式又分为基带信号传输系统和射频信号传输系统。目前应用较多的系统是模拟射频传输系统，主要原因为VSB-AM系统与数字系统相比造价相对较低，且可采用6MHz带宽传输，它与电缆分配网
2、络及前端接口之间匹配良好。当选用光缆作干线时，还要考虑光缆延伸的范围，决定分配电缆网的大小。光纤传输有线电视信号需对电视信号进行处理(调制)，然后对光源进行调制。对光源进行调制分为外调制和内调制两种。外调制光发射机采用稳定光源(常用YAG固体激光器)由电信号加在外光调制器上对通过激光束进行光强调制，这种外调制光发射机调制失真小，输出信号噪声低，传输距离远，动态范围大，负载能力强，但需对失真进行补偿，且价格也较昂贵。电信号直接对分布反馈(DFB)半导体激光器进行光强调制，称之为内调制。此类光发射机价格便宜，使用方便，现在被大量采用。根据对电信号的处理，可分为下面三种调制方式。 1.1幅度调制光缆
3、传输(VSB-AM) 这是一种模拟传输方式，常简称为AM光纤技术。这种方式是电视信号对相应频道的载波(VHF或UHF)进行残留边带调幅调制，然后把各路已调制的载波混合在一起对激光器进行强度调制。这是一种模拟的传输方式。AM光缆技术的最大优点是可以与通常的电缆CATV网兼容；光接收机输出信号可以直接作为电缆CATV网的输入信号，不需解调和调制。目前，AM光缆传输是最便宜的方式，也是目前应用最广泛的一种，但对激光器的线性要求非常严格。现在，AM光缆传输设备的典型指标为：光损耗10dB，C/N为50dB CSO/CTB为(6063)dB。一级AM光纤链路可达25km。同样的距离如果用电缆需要50个放
4、大器级联。 1.2频率调制光缆传输(FM-IM) 这也是一种模拟传输方式。首先，电视信号对每个频道的载波进行频率调制(FDM)，然后把各个经过FDM调制后的信号混合起来对激光进行强度调制。采用FM方式有以下显著优点：传输带宽27MHz，由于宽频带增益和加强增益，可以把S/N对C/N改善20dB以上。由于不易受到失真干扰之影响，故可确保较高的光调制度；于是可大幅度放宽对LD性能之要求。对所要求之接收光功率可降低到约-20dBm。由于不易受到反射光的影响，故可进一步降低对接收光功率之要求。采用FM方式尚需解决的技术问题是与同轴CATV的连接。若内装BS调谐器在TV接收机中，则可廉价地实现包括HDT
5、V在内的卫星广播业务之FTTH系统(FiberToTheHome)。 总之，其最大的缺点是原电缆CATV系统不兼容，每个频道都需要调制器和解调器，因此成本较高。另外，由于FM占用频带较宽，传输节目数量受到限制。其优点是对激光器的线性不敏感，灵敏度高，光路允许损耗大，传输距离相对AM光纤要长。目前，FM光纤的典型水平是用1310nm波长的单模光纤，允许光损耗为20dB，传输距离大于40km。一般可传输16个电视频道。 1.3数字调制光缆传输(PCM-IM) 数字光缆传输采用脉冲编码调制(PCM)方式。这种方式是将基带电视信号经取样，编码，复接后对光进行强度调制，一般使用68bA/D(模/数)变换
6、。一路电视信号编码数率为140Mb/s，经过压缩编码后可低于34Mb/s。一根光纤能传输812路电视节目，数字光缆传输距离长，单级传输距离达60km，其S/N可达60dB，CTB和CSO为70dB。这种方式在传输中无噪声积累，无非线性失真，可多次进行中继，仍保持很高的图像质量。同FM光缆一样，数字光缆和CATV分配网相联接时，需要增加调制解调器，其成本高于FM光缆。但由于其传输距离长，传输质量好，是网间长距离传输的最佳方式，随着成本的下降，这种方式将会被更普遍地采用，特别是省内干线联网。光CATV系统向数字化方向发展适应了社会向信息化方向发展之必然趋势。随着信息化社会之迅速发展，人们对多媒体技
7、术之关注与日俱增。以数字技术为基础，把广播、通信和信息处理融为一体，不仅进行简单的图像分配，而且出现了把图像、声音、数据、图形等巧妙地组合起来的多媒体业务。CATV采用光纤传输加上数字化，则将与B-ISDN之联系更紧密，可进一步实现CATV业务之多样化；并可担负提供多媒体业务的重要一翼。 因此，人们对光CATV的数字化、高质量化和双向化的研究寄予厚望。目前，数字传输方式基本上有两种：一是直接PCM方式，它不进行信号频带压缩；二是按MPEG标准进行频带压缩之方式。在中继回路中，为了确保演播室的质量，须采用直接PCM方式。在干线及分配系统中，由于允许一定程度的质量恶化，以及由于编码-译码机价格之下
8、降，故采用频带压缩方式比要求宽频带的直接PCM方式有利。目前，研究开发数字传输光CATV的关键技术有：单模光纤网络技术、数字/频带压缩技术以及多媒体技术。 2 HFC传输网的网络拓扑结构 同轴电缆、光缆、微波和卫星是传输和分配CATV信号的四种传输介质，根据不同的环境条件和要求构成不同的网络拓扑结构，电缆CATV网基本上都是树型结构，此结构适合于电缆的能量分配，对于光纤传输，则以星型结构更为合适。光缆电缆混合CATV网多采用星型光纤传输，最后用树枝型电缆网把信号传输到户。VSB.AM-FDM传输方式的典型应用实例是以美国为代表的光缆脊骨型传输网络。通常，对CATV的电缆长度分配为：干线系统占1
9、0%；分配系统占40%；进线系统占50%。在这种网络中，由于只有干线系统实现光纤化，故不会大幅度增加系统成本。 2.1 HFC网的拓扑结构 前面已述光纤CATV网是以光缆作为干线的光缆-同轴电缆混合网(HFC)，其电缆部分往往采用树型拓扑，而光缆部分则基本上都采取星型结构。见图2。星型拓扑的好处是：光分配一次到位，所用光分路器少传输质量好；当一部分线路发生故障时，连在星型光分路器其他分支上的用户将不受影响，故网络的可靠性高。星型拓扑的唯一缺点是耗用光纤较多。与之相反，树型拓扑采用一系列1分N分路器的级联，又造成较多熔接点。这不但引入较大的插入损耗，浪费光功率，而且由各光分路器和各熔接点造成的多
10、重反射将使光路的噪声增加，令非线性失真变大。另外，树型结构的主干一断，就会影响后续分支，故网络的可靠性较低。树型网络的唯一优点是光量较省。在光纤的单价已很低的今天，适当地多用一些光纤而换来一系列好处是值得的。但在特大型网络中，适当利用长距离的光纤超干线而将光分路器置于远端，构造双星型或类似结构如图3所示，也是可取的。具体采用什么结构要视光节点的地理位置及其他因素而定。 2.2 光纤到节点(FibretotheFeederl简称FTF) 这是目前新建CATV网的主要传输模式。从中心前端或分前端按星型辐射方式敷设光缆到各个分配节点，在节点进行光电转换。从节点再以星型-树型方式敷设支线电缆和用户电缆
11、到该区域中各用户家庭，如图4所示。图3双星型拓扑图4光纤到节点(FTF)在这种模式的电缆网中不使用干线放大器。一个节点的服务区域通常较小，以延长放大器能够服务的范围为限，大约覆盖20005000户家庭。一条支线上的放大器不超过三至五个。这是当前光电结合CATV网的典型模式。2.3 光纤到路边(FibretotheCurb，简称FTC) 进一步缩小FTF模型中一个光节点的服务区域，让光纤尽可能地渗透到用户的附近，到达一个路边(Curb)平台，以充分利用光纤传输的优越性。一个Curb管辖的范围在512户以下，通常只含一级或两级放大器。这是当前和今后发展宽带综合业务用户网的主要方式(从用户到前端有反
12、向通道)。从FTF到FTC，每一光节点所服务的用户逐步减少，这是光纤CATV网向宽带综合业务用户网过渡的必然要求。非广电业务都是双向业务(电话、计算机通信、交互式视频业务等)，而双向传输的上行信道存在两个基本的问题上行频带(通常为540MHz)阻塞和反向放大器的汇入噪声(IngressNoise)。如果接在一个电缆分支上的成百上千用户的回传信号要同时抢占同一放大器狭窄的上行通道，那么通信就会阻塞，致使共用一个上行信道的用户数不能太多。在树枝型或星型结构的网络中，多个反向放大器的输出噪声向一个通道汇集，加上低频频段(540MHz)的外界干扰比较厉害，故上行通道的载噪比通常很低。 为了克服这两个问
13、题，对应一个光节点的用户数应尽可能取得小一些。建议一般采用如下的发展阶段：第一阶段，按FTF概念划分小区，每一小区有2048用户，再设置一个光节点，内含一台光接收机和一台回传光发送机。光接收机以下通过四条同轴电缆支线联接八个小桥接放大器；每两个小桥放各拖动512个用户。四条支线的上行信号汇集到光节点，由回传光发送机发回前端，如图5。这一阶段做到了每台光发送机管8192户；每个光节点服务2048户；每2048户共用一条上行通道。第二阶段，将光接收机增加为四台，分别插入在原来安装前四只小桥放的机箱中，形成四个光节点。每个光节点通过四个桥放带动512个用户，但上行线路仍通过原来的同轴电缆汇集到原来的
14、光节点(现在，这个光节点箱中已没有光接收机；假定向以下四个光接收机分配的光功率足够的话，就只剩下光分路器和回传光发送机)。这一阶段达到了每台光发送机管2048户；每个光节点服务512户；每2048户共用一条上行光纤通道。如图6所示。第三阶段，随着回传用户的增多，为了扩展上行通道，在回传光发送机之前，把下面四个光节点542MHz的上行电信号分组上变频，例如把原来的(542)MHz频段内的信号，分组变换到(542)MHz、(5087)MHz、(95132)MHz和(140177)MHz频段。这些信号混合后再通过回传光发送机发送。这样，虽然还是每台光发送机管2048户，每台光接收机只管512户，每2
15、048户共用一条上行通道；但频率资源带宽却由37MHz拓宽为148MHz，增加三倍。在上述发展步骤中，基本的思路是光节点的位置(现在和未来的)一次设计好，光缆敷设一次到位，然后让光接收机和回传光发送机逐步向用户推进，达到FTC的规模。第四阶段，为更进一步扩展上行通道，可将第三阶段所述的“上行信号的分组上变频”分别移至下面四个光接收机节点进行，这些信号混合后再通过原来的同轴电缆送到回传光发送机处进行二次分组变频，例如把原来的四路(5177)MHz频段内的信号，分组变换到(5177)MHz、(185357)MHz、(365537)MHz和(545717)MHz频段。这些信号混合后再通过回传光发送机
16、发送。这样做的结果，就达到了每128户共用一条37MHz宽的上行电通道，令双向通信的接通率大大提高。 2.4光纤到最后一个放大器(FibretotheLastActive，简称FTLA) 现在国外正在提倡FTLA，或称为无源同轴网络。它的意思是在光接收机后不再使用放大器，完全靠无源同轴电缆及元件就能够把RF信号分配到每家每户。如果做到这一步，可想而知，网络的可靠性必定很高，而信号回传也会非常畅通。根据现有带小桥放的光接收机的携带负载能力，只要一个光节点的用户数减少到128，图7中每一光节点后的小桥放就可以取消，而由光接收机的四个RF输出口直接携带128个用户，于是就实现了FTLA。FTC和FTLA是光纤同轴混合网(HFC)的发展方向，随着光纤传输设备和光缆价格的降低及用户经济承受能力的提高，在我国实现FTC和FTLA也是完全可能的。
