基本介紹
- 中文名：寬頻綜合服務網
- 外文名：catv-net
有線電視,寬頻特點,定義,組成方案,傳輸協定,反向噪聲,功能發展,發展方向,傳輸方式,構成,數位技術,
有線電視
縮寫詞 abbr.
1.=community antenna television 共用天線電視
2.=cable television有線電視
CATV的意義:所謂CATV是指使用一條同軸電纜(CoaxialCable)就可以做到雙向多頻道通信的有線電視(CableTelevision，以下簡稱CATV)。
寬頻特點
CATV寬頻綜合服務網與前幾章介紹的數字通信網有所不同，它表現出多樣性和兼容性的特徵 。
1.1 模擬信號和數位訊號並存
目前電視信號仍以模擬信號為主，並且過渡到全數位電視信號還要有一個相當長的過渡時期 ，因為現有的數億台電視接收機是模擬電視信號接收機，並且在寬頻綜合網傳送的信號中， 電視廣播信號仍占有絕對大的比重。
數位訊號目前主要在互動式通信中使用，如計算機數據傳輸和電話，這些信號已實現了數位化，今後將逐步增加數位電視信號的傳輸比例。目前衛星轉播電視信號已採用了數字壓縮編 碼的信號，今後將逐步會在CATV網路上傳輸64QAM的數位電視信號。
1.2 頻分復用與時分復用並存
對於多路模擬信號的復用應採用頻分復用方式，對於多路數位訊號的復用常採用時分復用方 式。由於CATV網中既有模擬信號又有數位訊號，故系統中必然存在頻分復用和時分復用並存 的複雜情況。
在CATV寬頻綜合網中將充分利用頻分復用和時分復用各自的優勢，力求以有限的頻帶來傳輸更多的節目和信息，力求以最低的經濟代價來換取更多的服務。
1.3 光纜與電纜並存
目前我國很多地區已建立了光纜電纜混合網即HFC網。因為全光纖網，即光纖到家的網路是 目前社會經濟水平難以承受的。
1.4 信號分配與信號交換並存
電視廣播是一個單向的分配系統，而通信則是雙向互動式信息交換過程。
以上四方面的並存局面說明了CATV寬頻綜合網的複雜性和多樣性，需多方面知識和技術的結合，是一個新興的技術領域。在國際上也還處於起步階段或探索階段。世界上也沒哪一個國家完成或基本完成CATV寬頻綜合網的體系建設並投入實際運行。大多是區域性的實驗網，因此需要CATV建設者加強學習，交流以便使我國今後的CATV寬頻綜合網的建設能比較順利。
定義
原來進行有線電視的工作人員，未曾聽說過接入網這個名詞，自從欲將廣播電視與通信結合 在一起組成一個寬頻綜合網以來，在許多文章上常常聽說“接入網”這個名詞並且還專門進行了接入網技術的研討會。由此可知，接入網完全是一個通信網路的專有名詞，最初是從電話網角度上產生的。
近些年來，國際電信聯盟標準部(ITU－T)已經正式採用了用戶接入網(簡稱接入網)的概念。 這是一個適用於各種業務和技術，有嚴格規定並以較高的功能角度描述的網路概念。
從整個電信網的角度，可以將全網劃分為公用電信網和用戶駐地網(CPN)兩大塊，其中CPN屬用戶所有，因而，通用電信網指公用電信網部分。公用電信網又可以劃分為三部分，即：長途網(長途端局以上部分)、中繼網(即長途端局與市話局之間以及市話局之間的部分)和接入網(即端局至用戶之間的部分)。目前國際上傾向於將長途網和中繼網合在一起稱為核心網(Core Network)或轉接(Transit Network)。相對於核心網而言 ，餘下的部分稱作用戶接入網似乎是恰當的，它主要完成使用戶接入到核心網的任務。可見，用戶接入網是相對核心網而言的，由於兩者的環境、業務量密度以及技術手段有很大差別，因而有些文獻只把核心網部分稱為網路，而將用戶接入網稱作接入環路。為了使讀者對接入網在整個電信網中的位置有一個清楚的認識，圖15－1給出了整個電信網的組成示意圖 。
CATV寬頻綜合網中既傳輸模擬廣播電視信號，又傳輸數字互動式通信信號，從上面接入網的 定義 可知。所謂接入網，目前只對數字通信而言的，因為模擬廣播電視信號，只有單向的分配信 號的任務，而且絕大多數是本地前端產生的信號。也就是說對電視信號談不上接入網的概念 。只是通信信息可以從全國郵電網上獲取和傳送至郵電網。郵電部門已建成若干SDH網。從 通信角度上說CATV寬頻綜合網(HFC網)是全國通信網的接入網，並且是窄帶信息，往往是不對稱頻寬配置。下行頻頻寬獲取的信息量大，上行頻帶窄需傳送的信息量小。
只有當全國光纖CATV的SDH網建成後，上百套電視節目可以取自SDH網而無需由本地前端來產生時，HFC寬頻綜合網，才是完全意義上的全國CATV網的接入網。
組成方案
CATV寬頻綜合服務網的一般組成方案圖示於圖15－2中。
3.1 系統的頻譜設定
從圖15－2中可以看出CATV寬頻綜合網中既有模擬信號又有數位訊號，兩類信號的處理方法 上是完全不同的。實際上整個系統由兩部分通道按頻分方式混合而成。
上面部分為模擬信號通道以模擬電視信號為代表，當然還包括FM聲音等。其組成及各部分的功能已為人們所熟悉。就如我國大多數CATV系統那樣，在此不再講述。
下面部分為數位訊號通道，這部分信號在前端下行光發射機前與模擬信號進行數模混合，在用戶終端系統中於下行光接收機後進行數模分離，然後送後Cable Modem，最後送到各種 終端設備，如電話機，計算機等設備。
目前數位訊號主要是窄帶信號。如話音和計算機數據信號等，其頻頻寬度為幾十KHz至幾M Hz。
今後將在這部分加入數位電視信號。這種數位電視信號將以64QAM或256QAM調製方式進行傳輸。由於採用了MPEG數字壓縮編碼和正交幅度調製方法，信號頻帶被大大壓縮，對於不同等 級的電視信號占有不同的頻寬。對於主級和主類(MP@ML)大約1MHz頻寬可傳輸1套電視節目，則100MHz頻寬大約可傳輸100套電視節目。
表15－1 有線電視系統的頻率配置
波段 | 頻率範圍MHz | 業務內容 |
R | 5~65 | 上行多功能業務 |
X | 65~87 | 保護帶 |
FM | 87~108 | 聲音 |
A1 | 110~167 | 電視 |
I | 167~223 | 電視 |
A2 | 223~463 | 電視 |
Ⅱ | 470~550 | 電視 |
B | 550~750 | 下行多功能業務 |
C | 750~1000 | 未來發展用 |
各國對CATV寬頻綜合服務網的頻譜配置還未取得完全的統一。頻率的上端北美和歐洲均取為860MHz，上行頻道的規定則有所不同。美國為42MHz歐洲為65MHz。我國的有線電視系統的頻 率配置可能按表15－1，但還未成為正式標準發布。
從表15－1可以看出：
①我國有線電視寬頻綜合網可能頻率上限為750MHz，而不是860MHz，這是根據需要和可能而定的。按理根據需要今後也可以擴展到860MHz，標準是可以修改的。
②我國可能採用上行頻道的頻率上限為65MHz，這並不影響我們採用北美的標準。頻頻寬則留有餘地，開展其他多功能業務，不一定目前就要用完。
③從110～550MHz為模擬電視頻道的頻率範圍，頻道頻寬為8MHz。
④550～750MHz為下行多功能業務。其中包括窄帶數據信息，也可以包含今後的數位電視的業務。例如：
550～650MHz作為數位電視傳輸大約可傳輸100套電視節目，在相當長的歷史時期也是夠用的 。
650～750MHz作為窄帶下行通信業務，其頻寬可是足夠的。
3.2 CATV寬頻綜合網的組成
(1)前端系統
前端系統的功能廣義地概括起來講有三項。即信號的接收，信號的處理和信號的控制。
①對於模擬信號：
信號的接收，則是接收來自衛星的信號，開路廣播的信號和自辦的來自演播室的信號。
信號的處理則是信號的放大，即電平的處理信號頻譜的處理，如信號的調製，信號的變頻， 信號的混合等。信號的控制則主要是信號電平的自動控制和頻率精度的控制等。這些功能已 為廣大有線電視工作者所熟悉，不在此講述。
②對於數位訊號：
信號的處理的內容很多，例如，信號結構的形成，信號的分復接，數位訊號的調製，信號的同步等等。
信號的控制如流量控制，誤碼控制，故障控制，性能管理和安全管理等等。
數字前端的主要設備之一是電纜調製調器端接系統即CMTS(Cable Modem Termination Syste m)。它包括分復接與接口轉換，調製器和解調器。
CMTS的網路側包括一些與網路連結有關的設備，如遠端伺服器，骨幹網適配器和本地伺服器等 ，應該指出這些設備的種類很多，名稱可能也不一樣，但作用應大致相同。在圖15－2中這些設備包括在局端環路和數據框圖中。
在CMTS的射頻側，則有數模混合器，分接器，光發射機和光接收機等設備。
(2)HFC傳輸網
HFC傳輸網的任務是將信號傳輸給用戶，這方面我國已有不少的實踐經驗。因此不在此重複敘述。
(3)用戶終端系統
用戶終端設備由用戶Cable Modem和用戶室內設備構成。用戶Cable Modem是這類設備的一個總稱。它由調製器，解調器和分復接與接口轉換設備構成。不同的廠家有時名稱不同，結構也不同，例如有的廠家，稱為遠端設備(RIU)。
(4)接入網與骨幹網的連線
接入網與骨幹網(ATM/SDH)的連線通過SDM(分插復用器)連線。這方面有多種設備，現以ECI 公司 的設備為例，示於圖15－3。圖15－3中SDM包括ADM(分插復用器)和電視、電話及數據業務的 集成伺服器。NCX 1E6為多業務ATM交換機，NCX 1E4為多業務交換機。可以將ATM信元變換為 IP、FR(幀中繼)和ATM形式輸出。
不同的系統選用不同廠家的產品，這些設備的名稱和功能可能不完全相同，但其基本功能大致是一樣的。
傳輸協定
為了提供高速數據業務以及話音業務，針對每一種業務都有多種解決方案。
以往人們認為，能夠支持語言，數據和視頻業務的平台只能基於ATM技術，但近年來這種觀點受到了強烈挑戰。 由於Internet網路的迅速發展，TCP /IP協定的廣泛使用，採用IP技術，提供寬頻多媒體業務逐漸成熟起來。例如：改善實時套用的協定RTP，保留寬頻的協定RSVP以及改善可靠性的 協定IPSEC等的引入。
目前在骨幹網上採用ATM技術的爭議不大，但在接入網中是否採用ATM技術卻有很大的爭議。
美國MCNS標準，Cable Modem採用的是IP協定，並有許多生產廠商生產了基於乙太網的IP Cable Modem，有的半導體廠商已生產支持MCNS標準的標準晶片。因此支持IP的Cable Modem已 成為市場的主流。
一種方案，或一種產品能否迅速推廣使用，除了技術上的先進性以外，市場 因素是決定性因素。由於ATM骨幹網尚未廣泛建立，而基於IP的Internet網已為人們所熟悉 而廣泛使用。另一方面人們對寬頻業務的需 求還沒有達到非常迫切的程度。因此運營商對巨大投資考慮持非常謹慎的態度，這也是IP方 案能夠推廣的市場因素。
由於ATM與IP標準上的相容性。使用ATM傳輸技術可以提供基於IP的所有業務。因此有的廠商生產既支持ATM技術也支持IP的產品。即所謂“IPover ATM”已成為當今多媒體通信的熱點 話題。如圖15－3所示的NCX 1E6，NCX 1E4等多業務交換機，其輸入信號是ATM，而輸出信號 分別可以是ATM、FR和IP。
反向噪聲
5.1 噪聲源
由於HFC網的電纜部分採用樹狀拓樸結構，使得反向通道的噪聲比較嚴重，HFC網路反向通道的噪聲可分為兩大類。
(1)結構噪聲
結構噪聲是由器件自身產生的，主要以熱噪聲為主。網路的結構噪聲主要有下列生成情況：
①基礎熱噪聲?
它與頻寬有關。由15-式表示：Pno=K·T·B
其中：〖ZK(〗K為波爾茲曼常數K=1.38×10.23
T為絕對溫度(常溫可取T=239K) B為噪聲頻寬
②匯入噪聲
當放大器串接或並接以及多個支路並接，在匯入點噪聲功率要疊加，即所謂漏斗效應。
③光端機的噪聲。
(2)入侵噪聲
入侵噪聲是一種隨機的射頻干擾。主要有以下幾種形式：
①衝擊干擾，如由天電，引擎，工業電器啟動時產生的隨機尖脈衝干擾。
②窄帶連續波干擾。主要由各種短波廣播及無線電通訊等引入的干擾，表現為某一頻率上 的干擾。
5.2 解決反向通道是噪聲問題的方法
(1)採用具有較強的抗噪聲能力的調製方法。例如QPSK S－CDMA等方法。一般說來，在星座 圖上，相鄰 信號點的距離越大，判決空間也越大，抗干擾能力就越強。QPSK在C/N>13dB時，誤碼率 可達?，而64QAM要在C/N>20dB時，誤碼率才能達到?。
(2)採用開關法來減小噪聲積累。如採用一種消除干擾噪聲的濾波器，安裝在同軸用戶終連線埠上，當用戶終端Cable Modem傳輸上行信號時，打開上行通道，讓上行數據信號通過，一 旦傳送完畢，關閉上行通道。
(3)採用頻分法來減小噪聲的影響。
由單獨的光纖來傳送上行信號，每個光節點可調製在不同的頻帶上。這樣可避免不同光節點 的噪聲疊加。
(4)加強電纜，接外掛程式的禁止作用以及提高施工質量以減小入侵干擾。網路建設的質量特別 是電纜網的質量將是我國在未來寬頻綜合網建設中的一個十分困擾的問題，應給予十分的重視。
功能發展
CATV寬頻綜合網的模式有多種多樣，目前也還處在試驗階段，最終市場規律將決定各種方案 的生命力。社會的實際需求，社會的實際經濟承受能力在此將起著重要的作用。如果脫離了上述兩點社會因素，即使從技術角度上來說某種方案是先進的，它具有能夠傳輸多種信號、方便、快捷、可靠性好、網路管理功能齊全，但超出了社會經濟承受能力和社會需求，則也是難以 推廣使用的。相反，某種方案雖然並不完美，但造價低兼，能滿足當前人們最迫切的信息需要，則也是有生命力的，至少在一段時間裡能得到一定程度的推廣使用 。應該說目前推出的任何一種CATV寬頻綜合網系統都是過渡性的系統，尚不存在理想的一 勞永逸的完美系統。
圍繞著提高系統性能，降低造價兩方面，推出了各種各樣的系統模式，在此無法進行全面介紹，僅舉幾個例子進行解釋。
6.1 數據平台與電視平台分離的模式
對於數據傳輸如果正向信號都從前端發出，而反向信號又都回傳至前端，則前端的設備勢必十分龐大，所需的傳輸頻帶也非常寬。會給系統造價帶來十分不利的影響，也會給數據傳輸的 速率和網路的管理帶來不利的影響。數據傳輸通信網路已自成體系。骨幹網的任何一點都可 以切入，無需在前端一處進行。網路中各部分，根據光節點的地理分布可以就近切入。這樣就減輕了系統負擔，降低了造價，從另一個角度上說提高了數據傳輸的效率和網路管理功能的 簡化，提高了系統的可靠性。當然對於電纜傳輸部分是公用的，而對光纖傳輸部分則是廣播 信號和數據信號通過不同的光纖傳輸即光纖網 大部分同纜不同纖，也許只是到分配區的最 後一段是同纜同纖。
6.2 減少功能的簡化系統
從目前社會需求角度來看，最主要的是窄帶數據業務，如IPPV的信令和Internet等，並且是 不對稱的業務。從網路獲取的信息多，而從用戶端回傳至網路的信息量少。根據這種判斷， 有的系統用電話線作為回傳反向通道。這樣實際上CATV系統實際上是一個單向傳輸系統，系統造價大大降低。
當然Internet網是一個開放系統，有時用戶也要傳送比較多的信息至網路，如傳送圖像信息 ，有時會感到不方便。但大多數獲取信息量要比傳送信息量大，在獲取信息時會比以前的窄 帶網快捷，這種系統應該說是過渡性的，但其思路仍是值得重視的，許多寬頻互動式系統信 息 社會的需求並不十分強烈，而提供這類寬頻服務的造價又非常高。因此上述簡化的提供窄帶 互動式業務的綜合網在相當一段時間裡仍有一定的市場。對於某些寬頻業務，如數位化加 密電視，VOD會議電視等對於廣大市民來說並非十分需要，只是在小範圍群體中有需要，可以想像廣大市民要拿錢建這樣的複雜系統興趣不大，目前難以推廣。研究社會需求，簡化系統結構，降低造價可能是在相當長一段時間裡應該重點關注的課題。
6.3 集體解碼和個體解碼方案
在用戶端，如每個用戶都配備一台Cable Modem可能是一種方便的方案，但Cable Modem價格 較 高，大約需500美元左右。一般用戶難以承受。另一種方案是多個用戶配備一台Cable Modem ，然 後送入乙太網，每個用戶再從乙太網上獲取信息。這樣一台Cable Modem可由幾十個用戶甚 至 更多的用戶分攤。系統造價會顯著降低。因此系統的結構應根據具體情況來設計，在人口密 集的城市，共用Cable Modem在經濟上是合算的。當然在地域上孤單的用戶只能自己花錢安 裝設備，因為計算機網路的傳輸距離是有限的。
6.4 IP電話新業務
隨著信息技術的發展，各種新的業務將會不斷湧現。例如IP電話在可以預見的將來會有很大 的發 展，將有取代現有的電話成為電話領域中的主力軍的趨勢。利用分組傳輸模式可以利用會話 的 空閒時間傳送其它信息並利用語音壓縮編碼技術把原來需要64kbps的碼流壓縮到大約8kbps ，因而大大提高了傳輸效率和降低了電話費用。相信今後在CATV寬頻綜合網中傳送IP電話的 時 刻不久將會到來。今後實現三網合一，其中電話主要不是目前的電話形式，而是IP電話。
發展方向
——從“頻分”到 “時分”
在多路信號傳輸系統中，信號的復用方式往往對系統的性能和造價起著重要的作用。信 號的復用方式主要有：空間復用方式(SDM)，頻分復用方式(FDM)，時分復用方式(TDM)和波 分復用方式(WDM)等。其中尤其以頻分復用和時分復用為最常用的復用方式，有時在一個系 統中同時採用幾種復用方式，以求得到較好的性能和價格比。
在此有必要對頻分復用和時分復用方式作一些回顧與展望。
頻分復用方式
信號的復用方式與信號本身的性質有關，在以往的模擬信號時代，往往都採用頻分復用方式 ，不論對電話或電視信號都是如此。例如，直至今日，我們對模擬電視信號仍按頻道劃分來進行傳輸。
時分復用方式
對於數位訊號，主要採用時分復用方式。
信號的數位化時代已經到來，並將逐漸取代模擬信號，這是一個不可抗拒的發展潮流。
數位技術已在通信和信號處理領域廣泛套用，若圖像傳輸也能實現數位化將有助於形成一個 統一的全數字世界。
全數字時分復用方式可以提供複雜和靈活的功能，諸如業務量集中和疏導，儲存和交換，各種業務信號的混合和分插等，還可以綜合所有的業務並避免了傳統的VSB－AM和FM通路的固 定頻寬限制。
傳輸方式
經編碼和壓縮處理後的圖像信號有兩種基本的傳輸方式。一種是建立在原有CATV網上的數字 帶通傳輸技術，即仍在頻道劃分的基礎上，對數位訊號進行載波調製。例如採用正交調幅方 式 (QAM)的調製。數位訊號的載波調製方式是時分與頻分復用方式的結合，是不完全的時分方式。另一種方式是直接進行數字基帶傳輸方式。數字基帶傳輸技術的基本思路比較簡單，只 需 在網路側和用戶側分別設定具有復用和分用功能的設備即可。用戶側設備即為光網路單元(ONU)，由ONU將光信號分用為電信號。這種方式非常適用於雙向互動型業務，諸如電話和VO D等業務。也同樣適用於單向廣播式CATV業務。
SDH的接口速率為：
STM－1：155.52Mbps
STM－4：622.08Mbps
STM－16：2488.32Mbps
電視信號經MPEG－2壓縮編碼後可做到：
家用電視信號：1.5Mbps
專業級電視信號：4~5Mbps
廣播級電視信號：8~9Mbps
SDH允許接受任何數字式編碼，允許把不同格式和速率的信號多工組合在一起。
假定電視廣播信息占全部信息的70%，其餘作為通信用。則STM－16可提供廣播電視容量為1741Mbps，扣除5%的開銷比特，用於電視信號為1654Mbps，假定平均每路電視信號為4Mbps， 則一根光纖可同時傳送400個以上的電視節目，並且隨著技術的發展還可能增加信道數量。 有資料顯示，對於配有3?1Gbps的光端機，其信道容量可達500以上，足以實現多路廣播電視的要求。
構成
完善的CATV寬頻綜合服務網
一個完善的CATV寬頻綜合服務網大體上可分為如下三個部分。
（1） 模擬電視和話音通道，它是一個單向廣播方式網路；
（2） 互動式數據和話音通信網，這是一個雙向互動式網路；
（3） 互動式視頻服務系統：如視頻點播（VOD、NVOD）、資料檢索和瀏覽、遠程教學和電子遊戲等；
* 對稱雙向傳輸系統：系指上行、下行頻寬都占1個頻道頻寬，即8MHz以上的系統，
數位技術
數字基帶傳輸技術無需使用副載波調製，比較簡單。對信噪比的要求低，為達到10－9 的誤比特率，僅需21.6dB的信噪比。而數字帶通傳輸技術，即便採用前向糾錯技術後，為達到10－6?的誤比特率仍需要30dB至37dB的信噪比。因此從理論講數字基帶傳輸技術是最適合的方式，另外，基帶方式可以直接監視基帶信號，也可以接入低速支路信號，與SDH網的發展和全數位化進程相協調。
對於雙向互動式業務，數字基帶方式從長遠觀點看應比數字帶通方式經濟。
從運行維護和調整方面看，基帶方式一旦投入運行，基本無需調整維護，運行成本低。
基帶傳輸方式的機頂盒比較簡單，沒有複雜的射頻調諧和解調設備和前向糾錯。因而成本可 能較低。在實現了全數字方式後，估計電視接收機將有重大的改進，電路將更簡單，可以省 去PAL制的副載波色度信號處理電路。在時分傳輸系統中，高頻調諧電路和中頻放大電路也 將成為多餘，電視信號將可以R·G·B三基色信號直接送入電子槍。音頻信號也無需FM波與 調諧電路，甚至可能在顯示方式上將產生重大的革新。如果按像素進行矩陣方式顯示，則將 省去電真空顯像管，實現超薄型壁掛式顯示方式。
在實現數字基帶時分系統方面，骨幹網上已具備一些條件或在不久的將來會具備這方面的條 件，具體說來這些條件是：
(1)目前郵電部門已建成多條SDH通信骨幹網路，可以提供數據和話音的全國聯網的需求。
(2)我國廣播電視總局也提出了有線電視網路規劃草案，規劃目標在1999年完成全國有線電 視光纖聯網工程。分五個層次建網。
第一層次為國家幹線網，分東南沿海環、西南環、西北環和東北環四個環路。
第二層次為省級幹線網。
第三層次為地、市級幹線網。
第四層次為縣級網。
第五層次為HFC接入網。
國家級幹線網傳輸採用SDH體制。
實現國家級二個平台： A平台廣播電視平台：2005年傳送100套電視節目，100套廣播節目, 2010年傳送200套電視節目，200套廣播節目。
