定義 基本原理 HFC系統構成 HFC系統的典型結構由饋線網、配線網和
用戶引入線 3部分組成。
(1)饋線網
HFC的饋線網對應
CATV 網路中的幹線部分,即從前端(局端)至
服務區 (SA)的
光纖 節點 之間的部分。與CATV不同的是,從前端到服務區的光纖節點是用一根
單模光纖 代替了傳統的
幹線 電纜 和一連串的幾十個有源幹線放大器。從結構上說則是相當於
星型結構 代替了傳統的樹型—分支型結構。服務區又稱光纖服務區,因此這種結構又稱為光纖到服務區(
FSA )。
一個典型的服務區的用戶數為500戶,將來可進一步降至125戶甚至更少。由於取消了傳統
CATV 網幹線段的一系列放大器,使得由於放大器失效所影響的用戶數減少至500戶,也無需電源供給,因而HFC網可使每一用戶的年平均不可用時間減少至170分鐘,使網路可用性提高到99.97%,可以與
電話網 相比。此外,由於採用高質量的
光纖 傳輸,使得傳輸質量獲得改進,維護成本得以降低。
(2)配線網
配線網是指從
服務區 光纖 節點 至
分支點 之間的部分,大致相當於電話網中遠端節點與
分線盒 之間的部分。在HFC網中,配線網部分還是採用與傳統
CATV 網基本相同的
同軸電纜 網,而且很多情況常為簡單的匯流排結構,但其覆蓋範圍大大擴展,可達5~10km左右,因而仍需保留幾個幹線/橋接放大器。這一部分非常重要,其好壞往往決定了真箇HFC網的業務量和業務類型。
在設計配線網時採用
服務區 的概念可以靈活構成與電話網類似的
拓撲 ,從而提供低成本的雙向通信業務。將這一大網分解為多個物理上獨立的基本相同的子網,每個
子網 為相對較少的用戶服務,可以簡化及降低行通道設備的成本。同時,各子網路允許採用相同的
頻譜 安排而不互相影響,最大程度的利用了有限的頻譜資源。服務區越小,各個用戶可用的雙向通信頻寬越大,通信質量越好,並可明顯的減少故障率及維護工作量。
(3)用戶引入線
用戶引入線與傳統的CATV網相同,是指從
分支點 至
用戶 之間的部分。其中分支點上的分支器是配線網和用戶引入線的分界點。
分支器 是信號分路器和方向耦合器結合的
無源器件 ,功能是將配線的信號分配給每一個用戶。每隔40~50m就有一個分支器。引入線負責將分支器的信號引入到用戶,傳輸距離只有幾十米。它使用的物理媒質是軟電纜,這種電纜比較適合在用戶的住宅出處鋪設,與配線網使用的
同軸電纜 不同。
傳輸媒質 (1)光纖
光纖 和
光纜 是接入網中最重要的傳輸媒質,其性能和價格在很大程度上決定了接入網的發展。HFC網採用光纖的主要原因之一是利用其低損耗特性。與
同軸電纜 相比,光纖將信號傳輸7-10km時信號功率損失一半,而同軸電纜將信號傳輸180m時
射頻 電壓信號就損失一半,因而採用光纖可以代替大部分乃至全部幹線,消除了影響信號質量和可靠性的最大隱患,
幹線放大器 和電源供給。HFC光纖系統中高動態範圍的光收發機和無源元器件均比同軸電纜系統貴很多,在中短期內,光纖將主要用於幹線段。光纖是一種高度透明的玻璃絲,經複雜工藝拉制而成,其全稱為
光導纖維 。一根光纖從橫截剖面看由三部分組成,即折射率高的芯區、折射率低的包層以及表面的塗層。
光纖剖面結構 公用電信網中的主導光纖類型為
單模光纖 ,其主要參數有:模場直徑、
截止波長 、
衰減率 、
色度 及
色散 、
彎曲損耗 。目前常用的光纖為1310nm和1550nm波長區的單模光纖。ITU-T建議G.652規定這兩種光纖的衰減係數分別小於0.5dB/km和0.4dB/km。多數國際商用光纖在這兩個視窗的典型衰減水平都己低達0.3~0.4 dB /km和0.17~0.25dB/km。
(2)同軸電纜
電信網的接入網中占主導地位的傳輸媒質是
雙絞線 ,其頻寬很窄,信號有輻射,對噪聲和環境很敏感,電磁場不能控制,高頻電性能很差。而
同軸電纜 則提供了固有的高頻寬特性,工作頻率可達1,可傳300~600m的距離。同軸電纜是封閉性導體,電磁場能量泄漏很少,不受干擾,也不干擾其它系統且也易於接續和重新配置,損耗不大。適於HFC網路的同軸電纜主要有兩類,即
配線 電纜和
引入線 電纜,引入線電纜採用在同軸電纜外護層上附加一雙絞線的複合電纜結構,可用於供電目的,為業務發展提供了較大的靈活性.
頻譜安排 FC網路是
頻分復用 網路,不同的業務分配不同的頻帶,各種業務之間有一隔離保護頻寬。目前,HFC網路主要採用低頻率分割的雙向復用方式,而且與現有電視制式相兼容。
HFC頻譜資源分配 世紀HFC系統所用標稱
頻帶 為750MHz,860MHz和1000MHz,目前使用最多的時750MHz系統。低頻端的5~42MHz安排為上行信道,主要用來傳送電話,非廣播業務等;45~750MHz均用於下行信道;582~750MHz頻段主要用來傳輸
VOD 、電話及數據業務;高頻端750~1000MHz頻段已明確僅用於各種雙向通信業務,如個人通信業務。
雙向通信 HFC網路回傳通道的可用頻帶僅為37MHz,因而必須具有靈活的、易管理的
頻率 規劃,
載頻 必須完全由前端控制並由網路運營者分配。一種解決方案是將整個回傳通道頻帶劃分為一個個較小的子
頻帶 單位,例如2MHz、3MHz或3.5MHz等,使網路運營者可以針對任何業務最有效地使用可用
頻譜 。同時採用動態頻率分配方式,使小塊電話業務可以靈活地放置在最有利的地方,多個2MHz可以結合起來置入6~8MHz通路內。
對於回傳通道,由於沒有通路分配標準,採用接需分配
頻寬 的方式最適合於動態分配頻寬,避免受噪聲和其它業務的影響。在空閒狀態,用戶接口單元不占用回傳通道頻寬,僅在呼叫狀態下才從回傳通道
頻帶 中分配一小段
頻寬 。
為了傳輸電話和雙向通信業務,前端必須有一個與現有電話網
交換機 接口的網關,有時稱為
局用數字終端 (HDT)。這是一個智慧型網路設備,可通過一次群接口與交換機相連。趨勢是採用開放的綜合接口,如V.5接口,可以消去至配線架並具有
網管 功能。用戶則需要一用戶接口單元,稱為網路接口單元(
NIU )。NIU有微處理器、存儲器和控制邏輯,是一個智慧型的
射頻 數據機 。它不僅允許用戶接入網路.而且可以建立為HDT的
信令 和
通道 ,處理呼叫甚至監視本身的好壞,與HDT一起還可以進行實時指配和維護。這種以軟體為基礎的接口單元可以方便地接受網管系統的信息下載,改變功能和業務指配,具有很大的靈活性。可見在HFC上雙向通信的關鍵是增加
HDT 和
NIU ,網路的其它部分基本不變。
調製與糾錯技術 HFC網是一種上下行
頻譜 非對稱 的共享媒體網路,尤其適合於許多互動式通訊量不平衡的業務,如
VOD 、互動式遊戲、Intemet接入等為提高傳輸效率,需要進行
數字調製 的場合。在上行信道採用抗干擾能力強的
QPSK ,在下行信道採用調製效率高的64QAM,高速傳輸數據。數字信息在HFC網路媒體中傳輸時,由於存在噪聲和干擾,需要利用糾錯和檢測技術。Reed Solomon編碼和碼位交織是經常採用的FEC技術。
關鍵技術 接入網作為電信網的一部分,其網路性能的好壞直接影響到整個網路。HFC網路中的
噪聲 與
失真 ,
延時 特性對網路的性能有很大的影響。
HFC網路的噪聲與失真 HFC網路下行通道的傳輸特性比較理想.影響數據傳輸的是上行通道的
噪聲 。由於HFC網路的
樹型 分支拓撲結構,噪聲在上行通道中積累,使前端形成所謂的噪聲“漏斗”效應,使數據傳輸鏈路的載噪比大大降低,因此在設計建設互動式HFC網路時,解決上行通道噪聲問題是HFC網路成敗的關鍵。上行通道中的噪聲是多種因素造成的,影響HFC上行通道信號傳輸的因素主要有信號的波形
失真 、網路結構
噪聲 以及系統入侵噪聲。HFC網路的結構噪聲包括
電阻 、多級放大器熱噪聲、
散粒噪聲 以及
分支器 、
分配器 等
無源器件 的衰減、失配帶來的噪聲等,其中以
熱噪聲 為主。熱噪聲主要來源於各種有源器件,如:RF放大器、家庭里的電視機、錄像機等;其次來源於無源器件,如分支器、分配器等。100個用戶時在12-15MHZ時最大C/N也只達到40多dB。從實際測試的結果看,噪聲最大的頻率大概是在12~15MHz,因而15MHz以下的頻率用於數據傳輸時,需要採用較為可靠的數據傳輸和糾錯技術。
上行通道噪聲問題的解決 根據各類噪聲的特點,採用相應的措施以消除這些噪聲,是解決上行通道傳輸質量問題的關鍵。
熱噪聲 是系統本身所固有的,但可選用具有致冷等抑制熱噪聲裝置的設備,同時確保器件正確安裝,就可以大大降低其對系統的影響。對於光纖鏈路噪聲也可以採取兩點措施來降低它。(1)選用優質器材,不僅其結構噪聲小,而且禁止性能也好。例如優質的
DFB雷射器 相對強度噪聲(RIN)優於-155dB/Hz;(2)選擇合理的上行工作電平。工作電平選擇得好可以大大減少系統的失真現象,尤其是
光發射機 帶來的
限幅 失真。
FC網路上行通道噪聲頻譜 在上行通道設備選用、安裝合理的情況下,影響系統上行通道傳輸質量的原因主要是侵入噪聲的干擾,這些噪聲具有隨機性、不規則,對數據通信影響很大,有時達到不能正常工作的程度,因而必須採取措施,予以消除。可通過以下兩個方面:(1)增加
光節點 數;(2)增加用戶分配系統的
禁止 ,衰減侵入噪聲;同時應該注意以下幾項:(1)電纜彎曲,電纜彎曲對禁止效率影響很大,標準禁止型電纜彎曲後禁止效率降低29dB:三層禁止型電纜彎曲後禁止效率降低33dB:四層禁止型電纜彎曲後禁止效率降低36dB。(2)
孔徑 泄漏和
縫隙 泄漏,孔徑泄漏常常是電纜禁止的決定因素。
同軸電纜 禁止層中電流沿外導體流動,禁止的一個開口將引起
信號泄漏 ,或外部信號
侵入 。(3)分支器不用的插孔要用75歐電阻終接,才能禁止良好,如果不終接,禁止效率下降35dB。(4)用戶盒要用鋁鋅合金壓鑄,禁止效率在90dB以上。
HFC上行信道QPSK性能分析 HFC的特殊問題是上行信道干擾與噪聲嚴重,存在著衝擊干擾和窄帶連續波干擾。在這樣的環境中數字數據機的性能肯定與純高斯的噪聲背景下性能不同,如果只考慮高斯
白噪聲 條件下數字數據機的性能,或者只討論衝擊干擾對
數據機 的影響,即衝擊干擾環境下的最佳接收,或者只考慮衝擊與高斯噪聲聯合作用的影響,都不符合HFC上行信道的實際情況。針對HFC上行信道中侵入干擾與噪聲的性質,為QPSK相干解調器提出一個完整的統計模型,其中包括泊松衝擊干擾,又包括多個
幅度 、
相位 隨機,
頻率分布 離散的窄帶連續波干擾及高斯噪聲。用傅立葉一貝塞耳級數展開的一維簡化式,建立
QPSK 相干解調符號差錯機率的廣義傅立葉級數逼近算法。
乾解調接收機模型
實現HFC網雙向傳輸最關鍵的是
同軸電纜 分配網的質量。通過採用合理的網路設計、選擇禁止良好的同軸電纜和線路器件、安裝性能優良的
濾波器 、套用抗干擾能力強的
調製解調 技術、
前向糾錯 技術以及
電平 控制技術,在HFC網上能夠實現雙向混合傳輸模擬電視、數據和話音信號。與電信網、計算機網相比,HFC網具有明顯的頻寬優勢,它是適合我國現階段國情的寬頻接入網,是實現三網合一的有效途徑之一。隨著
電纜數據機 (Cable Modem)技術的發展和成本的降低,HFC網必將在解決信息高速公路
最後一公里 的問題上發揮重要的作用。