双向HFC网络的设计与回传系统的调试

2019-11-03 10:32:02

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供稿：网友

凌淮生杨国栋笪秉辉陈剑      在双向 HFC网络中，为保证回传通道的性能指标、顺利开展双向业务，除了选用高屏蔽性能的网络器材、严格工程施工规范外，网络的系统设计及回传系统的调试也至关重要。目前国家尚未制定回传系统的技术标准，缺乏可供实际操作的相关规范。近一两年来，我们边摸索、边实践，先后进行了七八个小区近万户的双向网建设和改造，并顺利开展了Internet接入等双向业务。在此，我们对双向网的设计和调试总结一些粗浅的认识和经验。

1回传系统载波／噪声比（C／N）的确定

     根据国际电信联盟（ITU）的相关标准，上行信道传输数据的误码率要求： BER≤10（的负9次方）在HFC上行信道中一般采用QP－SK的调制方式，随着双向多功能业务的逐渐开展，为提高上行信道的传输效率，考虑到将来采用高一阶的调制方式16QAM，其IC／N门限为20dB，考虑到上行通道中的窄带连续破干扰和冲击干扰的影响，上行信道的 C／N只要大于24～26dB，结合使用FEC，即可保证误码率优于10（的负9次方），满足可靠传输的要求。所以，DOCSIS标准上行RF信道取 C／N≥25dB。

     在实际环境中，因5MHz～18M HZ左右的频率范围存在着短波电台的窄带连续波干扰和各种工业电器、家用电器等的脉冲干扰，使5MHz～ 18MHz左右的低端噪声在任何时候都比高端噪声大，因而对千载噪比的确定应区别对待。参考有关规范标准，一般确定为：

     5MHz～18MHz：C／N≥20dB

     18MHZ～65MHZ： C／ N≥26dB

     在实际双向业务开展中，目前阶段5MHz～18MHz频段基本不用，所以回传通道的性能标准主要在于18MHZ以上的性能情况。

     2网络设计

     我们在理解HFC网络时，一般都是将其当作有线电视节目的传输分配网络，即它在光纤干线部分是星形的，而在同轴电缆部分是树形的。如果将 HFC网设计为双向网络作为接入网来理解，其同轴分配网基本上是总线形结构。即不允许将光节点引出的同轴电缆再作为干线，而是一条分配线。

     在传统的有线电视分配网中，一般是按正向系统设计。设计的原则之一是，保证下行最高频率点的正向路径损耗基本一致，如光节点输出电平为99dBμV, 用户电平设计为64dBpV，则从光节点至各用户端的正向路径损耗均为99－64=35dBμV。这样设计的网络对上行信号而言，因其最高频率仅为65MHz，各用户的上行信号回传时，由于经由的路径各不相同，从各用户端至光节点的回传路径损耗往往要相差几十dB，造成从各用户端至光节点的回传路径损耗严重不一致。这样的网络对回传业务的开展将是十分困难的，常常出现的情况是初期开通某些少数用户时容易，而回传用户增多后开通信号将非常困难。光节点小区面积越大，户数越多，要使各用户端的回传路径损耗保持一致的目的也越难达到，网络设计也越困难，这也是HFC网络光节点小区不能太大的一个重要原因。

     在线缆调制解调器（CableModem） TDMA应用中，要求所有Cable Modem的信号必须以相同的信号电平到达前端。如果其电平差异过大，即使管理Cable Modem的 CMTS发出电平调整指令，试图使Cable Modem受控地调整输出电平，也难以使各用户电平上行到CMTS时一致，结果会出现某些用户上行信号C／N很低，而另一些用户上行信号产生过载失真。另外，如果噪声侵入的环境是均匀的，那么，在回传路径损耗较小的节点处的侵入噪声受到的衰减小，对回传通道的影响较大；而在回传路径损耗较大的节点处的侵入噪声受到的衰减大，对回传通道的影响则较小。因而整个回传通道各处的抗干扰能力处在一种不均衡的状态。

     为保证各支路上行路径的总损耗近似相等，我们在网络设计时根据康特公司提出的技术规范，要求从各用户端至光节点的回传路径损耗差值小于±5dB。按下行正向系统的设计原则确定放大器间距，按上行回传系统进行回传电平的设计。

2.1 光节点及光缆干线的设计

     对于光节点的覆盖户数，目前业界的一种倾向认为500户一个光节点为标准。这实际上是国外的一种经验模式，而国内城市一般人口密度高、住宅密度大，如果按500户一个光节点规划设计，其费用投入将十分巨大。我们认为在现阶段根据住宅片区地理情况及用户经济情况的不同，光节点之下三级放大器级联，覆盖半径0.8km左右、覆盖户数1000～2500户左右较为适宜。对于用户经济条件好、知识层次高的住宅片区，片区规划时可将光节点所带的用户数设计得少一些；对于城郊地段可将光节点所带用户数设计得多一些。随着网络系统的发展，待时机成熟时，再按每个光节点平均500户的规模逐渐拆分。

     对于用户数较多的小区，随着多功能业务的逐渐开展，可在光站内部选择安装一个甚至两至四个反向光发射模块。这样网络结构基本不变，表面上看光节点覆盖的户数不变，而实际上回传通道一分为二，不仅使反间汇聚噪声一分为二，而且反向带宽也扩展了一倍。

2.2 电缆干线的设计

     （1）在网络的电缆干线设计时，尽量采用分配器作为分路器件，禁止使用分支损耗大于10dB的分支器，以保证各支路的上行路径损耗近似相等。其代价是使正向电平有所损失，放大器间距缩小。

    （2）网络路由尽量设计为多级星型传输结构，因为多级星型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，上行下行电平必然一致。

     （3）对回传通道进行均衡。对于一些特殊的支干线，如果回传路径损耗相对过小，可以设计插入一个回传衰减器，以减小与其它支路的回传路径损耗的差异。该回传衰减器理论上应为阶跃式的回传衰减器，只对回传频段进行衰减，完全独立于正向通道。但在实际应用中，这种衰减器难以生产，所以实际选用普通电缆均衡器，但要注意这对正向系统也略有影响，需要重新均衡正向系统。

2.3 用户分配网的设计

     用户分配网在这里指楼放至用户端的分配网络，大量的实验数据表明，50％干扰信号来自用户分配网，分配网的抗干扰能力很大程度上决定了整个系统抗干扰性能。

     （1）采用集中分配方式。从理论上讲，楼道内采用集中分配的方式入户，既保证了各用户的下行路径损耗一致，又保证了各用户的上行路径损耗一致；同时减少了大量的电缆接头，降低了网络故障率，减少了干扰信号的侵入点，这是一种比较理想的做法。但这种方式施工难度较大，楼道内并行敷设的线路较多，户线管管径要求很粗。折中的办法是尽量多采用4分支、6分支等分路器件。

     （2）层间线改造为四屏蔽电缆。用户分配网的电缆线全部采用四屏蔽电缆不仅减少了上行噪声的侵入，而且可以防止空中干扰信号对系统的影响。但在网络改造中，入户线很难重新敷设，较为实际的做法是层间线改为四屏蔽电缆，而入户线暂不改变。这样做一方向避免了重新入室敷设线路；另一方面的考虑是，假如楼内的噪声侵入环境是均匀的，从入户线侵入的噪声干扰经分路器件（如416），干扰信号将衰减 16dB；而从层间线侵入的噪声干扰经分路器件（如416），干扰信号将衰减416的插损1.5dB。可见，假如侵入相同功率的噪声，层间线的侵入噪声因受到的衰减少，要比入室线的侵入噪声对回传通道的干扰大得多。将层间线更换为四屏蔽电缆实际上也就增强了层间线的抗干扰能力。

     （3）在楼内分配系统，因单元与单元之间的电缆长度较短，一般在25m左右，由此造成的不同单元之！司的回传路径损耗相差不大，所以我们在楼内分配系统没有设置回传衰减（均衡）器。在国外，居民分散，人口密度低，用户分配网无法集中分配，干线、支干线及入户线均很长，因而常采用在用户端单独加装反间均衡器的办法，GI等公司的理论介绍特别强调这一点。

    3回传系统的调试

    上行信号与下行信号不仅传输方式不同，更主要的是下行信号以传输模拟信号为主，上行信号则是以传输数字信号为主。因此，对回传通道的调试与正向通道的调试应有不同的要求。在许多专业论文里，大量讨论的是对各种噪声成因的分析及对侵入噪声的克服对策，而对回传通道如何调试的深入探讨则介绍得不多。我们通过在合肥工大、通机所等小区的工作实践与学习研究，总结出以下要点。

3.1 回传系统调试要点

3.1.1 回传系统调试总的原则

     回传系统的设计和调试必须确保用户电平的归一性，即从任一用户端发送同一频率的上行信号，通过上行回路传输至回传光接收机注入CMTS（UBR7246）的信号功率应基本恒定。调试的顺序是从光节点向用户端逐级调试，直至系统末端。所以回传系统调试总的原则是：在回传光发射机激光器工作在最佳工作点和回传电缆放大器工作在基准电平的情况下，确保前端回传光接收机的输出电平保持恒定。

3.1.2 通过深入了解回传通道的噪声功率比（NPR），根据设备手册，确定回传先发射机的输入信号总功率。

     在正向模拟通道里，我们知道主要的性能指标是C／N、CTB、CSO。CTB、CSO产物虽然随着频道数的增多而急剧增加，但在数量上还是有限的，在频谱上是离散的，并且存在着一定的分布规律。而回传通道上的数字调制信号在频谱上是连续的，均匀分布的，有无数个载波，所以其非线性失真产物也有无数个，在频谱上是连续的，不象正向通道呈现典型的差拍群，而是看上去更象噪声，在频谱上和噪声叠加在一起，无法区分，引发的效果和噪声一样。

     NPR是数字信号电平与反向通道总噪声功率之比。这个总噪声是由热噪声、干扰噪声和数字非线性失真的交调噪声按功率叠加而成。NPR是数字回传通道最主要的性能指标。

     对回传光发射机的回传激光器而言，其NPR特性如图1所示。

     在输入功率较低的情况下，NPR等于由激光器RIN、光纤和接收机噪声引起的C／N。随着功率的增加，NPR将会改善。在某一输入功率时，NPR达到最大值，在这个功率之上，互调产物及削波产物急剧增加，NPR下降。初始的下降主要是二阶互调，然后很快进入激光器削波起作用的范围，下降很快。因为NPR右侧性能下降很快，一般认为在NPR最大时所对应的输入功率之下7dB为回传激光器的最佳工作点，这样对于电平的变化及较大冲击干扰和汇聚噪声，会留有足够的余地。这个最佳工作点也就是实际工作时要求输入￥狗传激光器的信号总功率。而在一般设备手册里，没有明确注明回传激光器在最佳工作点时的输入信号功率电平，而只是给出一定条件下的信号输入功率，这是我们实际工作中要特别注意的地方。如我们选用的飞利浦设备，其回传光发射机型号NRT－WB2HP，在设备手册里只是给出：视频输入电平10～20dBmV，数据输入电平-13～20dBmV。我们据此经过换算，并向飞利浦公司技术人员咨询，该激光器的最佳工作点为41dBmV，即实际工作时要求输入到激光器的信号总功率。

3.1.3 回传通道的功率分配      由回传激光器的最佳工作点得出回传光发射机的输入信号总功率，然后按“每Hz固定功率法”计算出在此功率下回传通道的每Hz功率，再根据各项业务的信道带宽计算出各项业务对于回传光发射机的输入电平，并以此电平调整光链路。对于总的分配带宽，根据新的国家标准，回传频带为0～65MHz。实测表明，15MHz以下因各种干扰较大而基本不用，这样可用反向带宽50MHz，考虑到频带预留及移频等措施对噪声入侵的保护，留有20％的余量。这样计算功率分配时，总的反向带宽为40MHZ：

     每Hz功率二回传光功率一lg（回传通道带宽）=41dBmV一lg（40MHz）=－35dBmV／Hz

     目前我们开展的Cable Modem业务信号带宽为3.2MHz，则该业务对激光器的输入信道功率为：

     信道功率=-35dBmV／Hz＋lg（3.2MHz）=30dBmV3.1.4 类似于正向传输系统，回传系统光链路的调试也存在着满负荷加载与目前部分业务加载的调整与换算关系

     如在上面的计算中，回传激光器的最佳工作点为41dBmV，而目前Cable Modem业务的信道功率只有30dBmV，目前双向光站回传电路部分均没有AGC功能，此时在光站内部对信号功率如不进行仔细的调整，将使光链路的C／N比系统设计时下降许多，如图2所示。

     目前，回传业务主要是开展Cable Modem业务，“每Hz固定功率法”对于将来要增加的新业务，如机顶盒、视频传输等，预留了所需要的功率容量，但这些将来的业务可能相当一段时间没有开展。这样回传频带没有被完全使用而使得目前的业务到达光节点的功率（30dBm ）比激光器最佳工作点所要求的加载功率（41dBmV）低。因此，在实际的调试中要特别注意在光节点内部对回传信号进行放大，通过调节回传信号的放大增益，使加载到激光器的信号电平达到最佳工作点的电平值41dBmV。

3.1.5 回传电缆系统的调试

     正向放大器调试的衰减片和均衡器一般是插在放大模块之前。而回传放大器的调试，衰减片和均衡器则应插在放大模块之后。因为对于正向放大器来讲，从放大器输入端到前一级放大器输出端的路径是唯一的；而对于反向放大器而言则是从放大器输出端到下一级放大器输入端的路径是唯一的，只有在放大器模块之后插入衰减片和均衡器才可以补偿该段电缆损耗和其它损耗。

     回传电缆系统应使 CableModem等回传发射设备在拥有一定余量的情况下，工作在尽可能高的电平状态，以提高C／N。Cable Modem上行端口的输出信号根据公共防辐射安全规定（IE 60728－10／CDV），必须小于114dBμV，考虑上行信号电平受前端CMTS的管理而留有余地，一般设计在较高的用户电平Vin=105dBμV，以增加抗干扰能力。回传放大器输入端的基准电平是根据Cable Modem工作在这样较高的电平情况下，经过最大路径损耗到达输人端时的电平而确定的。最大路径损耗一般在最靠近用户放大器的用户分支口，该处的分路器件型号最大，因而回传损耗也最大。回传放大器的调试就是要保证回传放大器工作在基准电平的情况下，使各放大器的输出电平保持一致。

3.1.6 系统调试用的主要仪器

     安捷伦双向测试仪301OH／301OR及惠普频谱仪8591C。301OH置于前端，其输出的下行信号与电视信号混合传输，并同时接收来自回传光接收机的上行信号，接收到的信号电平值通过下行信号反映给测试点的301OR。301OR置于线路测试点，其输入瑞接收来自前端的下行信号，输出端通过上行回路向前端回送上行信号。这样，在线路测试点不仅可以测得下行信号的电平情况，更为方便的是通过双向回路可以测得前端光接收机接收到的信号电平情况，因而在线路测试点可以同时进行双向回路的调试。

3.2回传系统调试内容总结

     下面介绍我们在实际工作中对上行通道具体的调试情况。

3.2.1回传光链路的调试

     根据飞利浦宽带网络公司的设备手册，回传光发射机（NRT－WB2HP）激光器的最佳工作点经测算为Pin=41dBm，这便是回传激光器实际工作时要求的加载总功率。系统调试前在前端机房设定 CMTS（UBR7246）的接收功率为10dBm。回传光链路的调试主要是：在使回传激光器工作在最佳工作点41dBm时，保证前端回传光接收机注入到CMTS（UBR7246）的RF功率为设定值10dBm。

     回传光链路调整的内容总结如图3所示。

具体调试步骤如下：

     （1）在光站反向信号注入端口通过3010R输入上行回传信号，根据上面的计算，调整3010R注入信号大小，使3010R的注入信号功率为Cable Modem业务的信道功率30dBmV。与此同时在反向监测口（－20dB）通过惠普频谱仪8591C检测注入信号大小。

     （2）目前阶段只有 CableModem业务，回传频带没有被完全使用，总的加载功率较小，因此在光站内部调整回传输入端衰减器的衰减量，使回传信号适当放大，直至8591C的检测值为21dBm。此时回传激光器的加载功率为41dBm，从而保证了回传激光器工作在最佳工作点。用频谱仪测量数字信号功率需要注意的是：信道功率二显示的功率十10lg（信道带宽／分辨带宽）+修正因子，修正因子通常为1～2dB。

     （3）通过3010R测得前端机房回传光接收机输出电平为：22dBm，然后在回传光接收机的输出端外接12dB的衰减器，从而保证了 CMTS接收功率为设定值10dBm。

     通过以上三步便完成了回传光链路的调试。

3.2.2 回传电缆系统的调试

     回传电缆系统调试的主要任务是，使各回传放大器的输入端口工作在基准电平的情况下，保证CMTS（UBR7246）接收功率恒定在设定值10dBm。为此，首先确定单位增益点回传放大器输入端日的基准电平。

     （1）最大回传路径损耗的计算：从用户端至楼栋放大器，离放大器最近的用户支口回传路径损耗最大，经计算其值为30dB：

     L=8＋18＋4=30（dB）

     8为单元分支损耗，18为用户分支损耗，4为用户家庭内分配损耗。

     （2）根据上面的计算为提高系统 C／N，Cable Modem工作在较高的电平：45dBmV。

     （3）则，回传放大器输入端口基准电平：P=45—30＝15（dBmV）。

     测试仪器：HP3010H、HP3010R。

     调试原理图如图4所示。

     调试时在各回传放大器信号

注入口通过3010R注入回传信号。因输入喘口的基准电平是15dBm，测试点和注入点之间的损耗差值为20d B，则将注入信号电平调整为5dBm，然后选择合适的衰减器、均衡器，使放大器的输出信号传输至前端CMTS（UBR7246）的接收功率为设定值10dBm。自光节点依次逐级下调。

     4 结束语

    有线电视HFC网络正处在升级改造的关键时期，其正向系统的技术规范已相对成熟，而回传系统的技术规范还需要结合国情，在实践不断总结、完善，尽快制定相关的技术标准与网络规范。实践告诉我们，在双向HFC网络建设中，只要对网络设计、设备选型、网络施工、系统调试等环节认真把关，精心对待每一个工作步骤，回传通道的性能质量是完全能够保证的。

摘自《广播与电视技术》2001.10

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