hfc双向网络的设计与调试

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双向网络的设计与调试    近年来，随着有线电视HFC网双向业务的不断扩展，双向网络的设计和调试也越来越引起人们的重视。 一、双向光节点的覆盖范围开展双向业务，必须使光节点尽量地接近用户，减少放大器的级联数目，才能提高系统的可靠性，才能在市场竞争中赢得客户。光节点的开设应以什么为标准，覆盖用户多少才合适，一直是讨论的热点。目前，国内在光节点建设中，存在一种倾向，不考虑国内网络的实际情况，照搬国外的经验，一味地减少光节点的覆盖用户数，每光节点覆盖500户似乎已经成为了公认的标准。这种观点忽视了国情，忽视了技术进步可能带来的改变，也忽视了市场的实际需求。1、人口分布密度的影响   国外尤其是美国，人口分布密度十分低，平均每公里的同轴线路才覆盖100户，一个500用户的小区就需要大概20个放大器。换句话说，一个光节点的覆盖范围约为一公里左右，最远的用户一般需经三到四级放大器。而国内的人口密度大，尤其在北京、上海、广州等大城市，高层建筑较多，住宅密度高。同样在一公里的范围内，用户极有可能超过5000户，甚至达到上万户。有的地方两、三栋楼就已经500户，其总长度还不到300米。如果按500户一个光节点进行建设，且全部采用管道铺设，其资金投入将是一个天文数字。2、UPS供电器等附加设备的影响   双向通信业务对网络稳定性的要求十分高，网络运营商必须为线路设备安装可靠的电源，如UPS或备用发电机，以保证在市电中断的情况下仍然可以向客户提供不间断的服务。一个14安培的60V供电器大约可带一台光接收机和12台干放或延放。4小时备份时间的UPS供电器约两万元，已经接近甚至超过了光接收机的价格。光节点开设过多，覆盖用户过少，UPS的安装费用将非常庞大。从这个角度看，光节点的覆盖用户数不宜过少。因此，应逐步在网络中推广使用90V供电，延长供电距离，减少供电器的数量，进一步提高系统的可靠性。3、增加用户上行带宽的方法   从技术角度分析，增加光节点的主要目的是为了增加用户的反向带宽，减少噪声汇聚，但这不是唯一的解决办法。现在MOTOROLA、SA、ANTEC 都有多模块的光接收机可供选择，用户可选择安装两个正向光接收模块、两个反向光发射模块，有的型号甚至可安装四个反向光发射模块。选择此类光接收机，每个光节点至少可服务1000户。表面上看，一个光节点覆盖1000户，实际上每500户就独享了全部上行带宽。即使使用进口光接收机，成本也仅增加8000元。如果另外开设一个光节点，仅增加的光发射机就至少需2万元。倘若使用国产光接收机，其成本相差将更大。  在750MHz系统中，550MHz－750MHz的频带全部用于数字业务，采用64QAM调制方式约可提供1000Mbps的带宽。如果数字业务发展十分顺利，可适当压缩模拟频道的播出，逐步将增补频道也全部用于数字业务，这样将可提供约2000Mbps的带宽。按旧行标采用低分割，上行为5－42MHz，采用QPSK调制方式，最少有30Mbps的带宽。假设多功能业务有80％的入户率，30％的在线率，按500户计算，平均每户有8Mbps的下行带宽，250kbps的上行带宽。根据TCP/IP协议，在IP业务中上下行数据流的比率约为1：10至1：20之间。在这24％的在线用户中，最多也就40％的用户在使用高速业务，大部分的用户下载一个网页后至少需一分钟浏览。综合分析，原有的带宽划分，足以保证用户的下行带宽为10Mbps，上行带宽为1Mbps。因此，目前尚无将上行频带扩展到65MHz的必要。   再从CMTS的角度分析，每个CMTS带1500－2000个用户，与Internet的接口一般为100Mbs，个别产品可做到600Mbps，超过此数值的下行带宽并无多大作用，两个正向模块的光接收机多用于双路由热备份，而非用来增加下行带宽。CISCO的UBR7246能同时插入4块卡，每个插卡最多可支持1个下行通道和6个上行通道，是目前支持通路最多的CMTS。按每个上行通道800KHz计算，也只需约20MHz带宽，过大的上行带宽无实际意义。   各大城市需重点保证播出的节目往往有20套左右：中央八套；省市电视台、有线台的节目；部分外省的卫星节目。在大城市中，大量空间信号的干扰，使可用的标准频道大都在20个以下。采用高分割后，可用的标准频道将减少到17个左右。虽可使用增补频道，但居民中使用老式电视机的比例依然有20％左右，而且这20％多属于低收入阶层，无力购买新电视机。电视节目几乎是他们唯一的娱乐和教育手段，我们必须保证他们的基本利益。另一方面，有线网现在还缺乏有效的质量监控体系，只能靠用户的投诉来发现网络中存在的问题。使用多功能的用户虽是少数，但对质量的要求较高。当线路中出现电缆芯线未接好的故障时，将首先影响整个上行通道的传输质量；下行通道只有一频道质量严重下降，其它频道基本正常。采用高分割后，就失去了一种简单有效迅速判断故障的手段。有的光接收机、放大器内的频率分割是一体化的，需整个更换才能改变频率划分，费用巨大。在业务尚未大规模开展时，没有立即调整频带划分的必要。可采取成熟一片，调整一片的做法，既不影响业务的开展，又可最大限度地保护原有的投资。  光节点在城市的设置原则可总结为：覆盖范围控制在500－700米范围内，串接的干放、延放不超过三级，最好只需一个供电器，与CMTS的能力基本相符，减少前端配线的复杂程度，覆盖用户数控制在1000－2000户左右。在乡镇和农村地区，可根据自然村人口的分布情况，综合考虑投资额，灵活设置。  二、双向干线的设计    HFC网可划分为光纤、干线（含支干线）、用户分配网三大部分，光纤部分外来的射频噪声基本无法侵入；干线和支干线多采用屏蔽性能极好的QR540电缆，高等级的放大器、分支分配器，线路上的空闲口也安装了75欧姆负载电阻，由于所接的用户多，线路上的故障都能及时排除和解决，干扰信号也较难侵入。下行通路的设计和调试方法已经非常成熟，反向通路的却还处于摸索之中。1、双向放大器的结构特点图一是双向放大器的示意图，不难看出，在下行通路中，衰减器只位于放大模块的输入端；在上行通路中，衰减器却同时位于放大模块的输入输出端。为获得更高的载噪比，提高抗干扰能力，应尽量提高信号在线路上的电平即反向输入衰减器应越大越好。反向输出端衰减器的作用在下面我们将会再进一步分析。以MOTOROLA的产品为例，所有的放大器、光机均使用相同的反向模块RA－KIT，它有RA－KIT/40H，RA-KIT/40L两种型号供用户选择，其主要指标见表一。表一：反向模块的主要技术参数参数单位RA－KIT/40HRA－KIT/40L带宽MHz5－60最小满增益dB3025使用于 BTD－75MB－750D－H/40JLX－750P/LC/40噪声系数dB4.5失真：110dBμv，4频道  XMSSOSTBdBc5762dBc7071dBc6670 需要注意的是，表中增益指的是模块本身的增益。在使用中，放大器反向通路中双向滤波器、耦合器、反向均衡器、测试口等器件的插入损耗，使实际增益远低于表中的数值。也就是说，即使安装了相同的模块，放大器也会内部结构的不同而造成实际的反向增益不同。表二为MOTOROLA各种常见放大器安装了反向模块后的实际增益。为方便起见，设计时应选择使放大器的反向增益为20dB左右的放大模块。表二：MOTOROLA放大器反向通路的实际增益。放大器型号RA－KIT/40HRA－KIT/40LBTD1914MB－75SH1914MB－750D－H21.516.5BLE2621JLX－750P/LC/402621BHA2621 假定在上行通道中传输的全部是数字信号，因此可采用每赫兹功率法进行指标计算，则无论信号的带宽为多大，其C/N都是相同的。当光节点与前端的线路损耗为12dB（约30公里），信号的C/N为48dB。经过简单的计算，可以得出在有五个放大器级联的时候，系统总的C/N约为47dB，远大于DOCSIS标准要求的25dB。也就是说，有源器件对反向信号的信号劣化不明显，主要的干扰源是用户和线路上的侵入噪声。2、支干线和干线的设计   在设计中，放大器之间依旧要满足零增益的条件。当安装RA－KIT/40L模块时，延放的正向增益为30dB，反向增益为20dB左右。如延放间无分支分配器，电缆正向衰减为30dB，反向衰减为7dB。放大器间正向为零增益时，反向增益仍有13dB。片式衰减器的衰减最大为10dB，因此放大器内必须有两级衰减才能满足零增益的要求，这是为什么反向通路应有两级衰减的原因之一。   在支干线中，多需要将信号分配给沿路的楼放，故安装了不少分支分配器，增加了插入损耗，放大器间的距离有所降低，一般在250到400米 。对于离延放最近的楼放而言，线路的反向损耗理论上最小为零，由于接头、及短电缆的损耗最小约2dB，再加2dB的设计余量，可定为4dB。为保证各支路上行路由的总损耗（电缆及分路器材传输损耗之和）近似相等，应禁止使用分支损耗大于16dB的分支器。如果确实要使用大于16dB的分支器，可使用RA－KIT/40H模块，其代价是降低了前级反向放大器的输入电平，降低了载噪比。   现在使用的干线放大器，多数有三至四个输出口，厂家或用户也往往将其分为主输出口和桥口，主输出口的干线电缆间无分支分配器，桥口支干线路间有分支分配。使用RA－KIT/40L时，留给线路上的衰减仅14dB。换句话说，线路上不能有大于12dB的分支器，设计中难度较大，在这种放大器中建议使用RA－KIT/40H模块。总结：支干中分支分配的插入总损耗不要大于16dB，两个输出口以下的放大器、干放应使用RA－KIT/40L模块，多输出口的使用RA－KIT/40H模块。 三、用户分配网的设计在这里，用户分配网是指楼放及其以后的分配网络。大量的统计分析表明，有50％的干扰信号来自于用户分配网，分配网的抗干扰能力解决定了整个双向网的成败。1、采用集中分配方式提高抗干扰能力，提高信号的电平和降低干扰信号的电平是两个最根本、最有效的办法。提高信号电平，就是要使机顶盒、CableModem等用户接入设备都工作在高电平，一般它们的输出电平可高达118dBμν，最佳为110dBμν，既有一定的余量，又可降低对电视机等其它电器设备的干扰。在双向网络中，反向信号的衰减主要来自与分支分配器。传统的树型分配网络，终端分支损耗最大为24dB，最小为8dB，两者相差可达16dB。CMTS要求每个用户回到前端的信号电平基本相同，即每个用户回到每一反向放大器的输入电平相同，则CableModem的输出电平将会相差很大，无法保证每个用户都能获得相同的抗干扰能力。因此，居民大楼内，可采用集中分配法，使所有用户的反向衰减基本一致，以保证机顶盒和CableModem都能工作在较高的电平。在国外，居民分散，无法采用集中分配方式，就需要在用户端加装单独的反向均衡器，只对上行信号进行衰减，成本较高。集中分配方式对正向也是很有好处的，分支分配器、接头的大幅减少，降低了网络的故障率，减少了干扰信号的侵入点；分支器、分配器、接头的高频衰减要比低频大0.3－0.5dB，其数量的减少降低了高频的插入损耗，提高了入户的高频电平，这对于750MHz系统尤其重要。 终端盒是另一个噪声侵入的地方，有的采用将连机线绕圈的方式形成阻塞，减少噪声侵入。还有的采用专用终端盒，分成电视机、电脑两个F头插座，在电视机插座前预先安装了滤波器，防止反向噪声的侵入。这种方法适用于带反向功能的机顶盒，但不适用于电脑。一般的用户绝不会把电脑和电视机放在一起，通常都距离较远。对这种情况，还不如分别采用两个终端盒，电视机的终端盒内装滤波器，电脑CableModem使用的不装。2、四屏蔽电缆在双向业务中的重要作用   有人提出采用集中分配后不需要采用四屏蔽的同轴电缆，这是一个非常错误的认识。四屏蔽电缆不仅仅是为了减少上行噪声的侵入，目前更为重要的是防止空中无线信号对电视信号的干扰。在城市中，尤其是在大中城市，存在不计其数的干扰源，政府机关、企事业单位的无线通信设备，用户家中有大量未通过电磁兼容测试的VCD机、游戏机、录像机，不停地发出各种与下行信号相同频率的干扰信号，其分布、工作时间都很随机。以广州为例，东山区中山一路附近Z8受干扰，广州大学附近DS12受干扰。我们曾经选择了东风西路广州市少年宫宿舍对此进行了比较测试，结果见表三。   测试方法是，首先调整好楼放的输入输出电平，分别记录未改造前、仅改层间线、改用户线三种情况下的用户终端电平和载噪比。从测试结果看，如仅改造层间线，不改造用户线，用户终端DS22的电平从55dBμv变为64dBμv，升高了接近9dB，几乎所有频道的载噪比都达到了50dB，整体指标有相当大的改善。但受干扰严重的台，如中六（DS6频道）、珠江台（Z8频道）的指标依然比其它频道差。中六的干扰源主要是BB机台，在其频谱范围内集中了约十几个BB机台信号；珠江台在少年宫的干扰源是一个与其图像载波频率相同的脉冲波，导致图像时好时坏。为此，我们专门对中六、珠江台进行测试分析。从表三可以看出，层间采用四屏蔽电缆，虽然用户电平提高仅4dB，但载噪比可提高9dB，已达到国标的要求。入户线也采用四屏蔽电缆的话，载噪比又可提高12dB，扣除电平提高的贡献，四屏蔽电缆可改善载噪比约14dB，效果明显。由于干扰源与珠江台同频，珠江台的载噪比虽不受影响，但图像无法收看。采用四屏蔽电缆后，干扰信号的信号幅度明显下降，图像由无法收看改善为可以收看、可以接受，接收质量大幅提高。 表三：四屏蔽电缆的抗干扰作用      电平单位为dBμv，载噪比单位为dB测试条件中六珠江主观评价电平载噪比电平载噪比干扰信号改造前65.035.363.949.847中六、珠江干扰较大，难以收看 改造层间线69.544.168.355.146中六干扰已较小，珠江干扰严重，图像扭曲。层间、用户线全改造71.556.270.555.631中六已无干扰，珠江台干扰依然较严重，但图像已不扭曲，可收看。备注：楼放输出电平100dBμv，斜率4dB，测试仪器HP8591C。四、双向网络的调试方法为满足反向调试的需要，在设备选型中需要仔细分析放大器和光节点的内部结构。反向模块输入输出端应同时有衰减器，多输出口放大器的每个输出口双工滤波器后也应有单独的衰减器。1、光设备的调试根据光节点的线路损耗和光机类型，计算反向光接收机的输出电平：反向电平＝108－2X光链路损耗-10log(35MHz/信号带宽)（dBμv）反向光发射机的调试很简单，只需在发射机的输入口直接注入所需的电平，在前端与计算值相核实并记录即可，射频部分的调试与放大器相同。如果在前端需将多路光节点信号混合后送到CMTS，各光节点的线路损耗不同，则最好将损耗接近的光节点相混合，并同时使用衰减器，使混合前的信号电平基本一致。在前端将多个光节点的信号混合，相当于增加了光节点的覆盖用户数，加大了噪声汇聚。只适用于业务开展初期入户率低，双向楼放较少的情况。2、放大器的调试从理论上讲，上行信号由于频道较少，CTB、CSO的影响较小，模块的输出电平可高达110dBμv。考虑到要给线路损耗和将来可能实行高分割留有一定的余量，目前可定为105dBμv，由此可计算出各种放大器在反向输入测试口的注入电平。首先，根据放大器的型号和线路情况安装合适的放大模块。调试时，先将放大器内所有反向衰减器设为零，按表四在反向信号测试口输入信号，调整输出衰减器和均衡器的数值，使前端反向光接收机的电平和斜率保持不变。按输出口线路的类型选择输入衰减器，无分支分配的干线输出口选择8dB的衰减，有分支分配的支干线按设计图纸选择合适的衰减器，其值为：放大器的反向增益－线路中最大的反向损耗（含线路和分支分配的损耗）。 表四：放大器反向输入测试口的输入电平 放大器型号反向模块反向增益模块输入电平注入反向信号注入口衰减不同带宽信号注入电平的测试口35MHz8MHz3.2MHz0.2MHzBTD40H1975模块前219689.685.673.6MB－75SH40H1975双工滤波器前2510093.689.677.6MB－750D40H21.575双工滤波器前2510093.689.677.6BLE40L2180反向衰减器前2010093.689.677.6JLX－750P40L2180双工滤波器前30110103.699.687.6BHA40L2180放大器输出口18174.670.658.6BHA无－4105放大器输出口110699.695.683.6 楼放BHA无反向输入测试口，只能在放大器的输出口直接注入测试信号。用户至楼放的反向衰减平均为25dB，从表中知道当CableModem上行带宽为0.2MHz时，即使放大模块的输入选用10dB的衰减，用户CableModem的发射电平仅为94dBμv，不能工作在110dBuv最佳状态，抗干扰能力较低。因此楼放可不加放大模块，调试时只需在放大器输出口注入规定的信号值，调整输出衰减器使前端保持零增益即可。从保证系统归一化的角度出发，所有的用户都应经过楼放，即使是商业用户。 五、无源网络的调试对于光节点高电平输出，无源到户的网络，因网络结构的改变，其调试方法将有所不同。当光节点输出电平为110dBuv，至用户的正向总衰减约为45dBuv，反向总衰减约为35dBuv。反向光发射机要求的输入功率为75dBuv，即在电缆输出口处应有83dBuv，用户处需有118dBuv。请注意，这是35MHz信号的总功率，对于3.2MHz的CableModem而言，仅需107.6dBuv，系统可轻易满足要求。但如果有人希望在此种光节点后再接放大器的话，将碰到前面所述的几个问题，使系统的抗干扰能力大幅下降。如果认真分析国外知名厂家光发射机、光接收机、放大器的电原理图及系统指标，你可以发现每种产品都有非常明确的市场定位和使用场合。其产品线相当完整，几乎涵盖了HFC网各种可能的结构。如果不充分消化吸收，就会用得非所。 仔细想想，国内对下行通路的调整也并不那么成熟。现在的调试方法全部是利用前端调制器发出的信号来对网络进行调试的。没有播出的频道无法测试，更无法测试整个频带的频响；不同频道的调制器由于各种原因，电平、载波频率的波动范围不一样，造成调试的误差。较好的方法是前端安装一台全频带的信号发生器，同播出信号一起混入系统进行测试。这样，信号源是唯一的，且能覆盖整个频带，稳定性大大提高，可以很方便地测试整个系统的频率响应，及时发现问题。HP3010H、H3010R就已经能提供这些功能，价格也较高，但却是双向网调试或不可缺的调试手段。只要准确地把握双向传输的特点，双向网络的设计与调试并不困难，关键是要尽快建立起一套与双向业务相适应的技术体系。通信行业在网络的建设和维护方面有一整套非常成熟的标准体系，而广电到目前为止都还没有一个双向业务的技术标准，2000年5月才出了《有线电视系统技术运行维护规程》的征求意见稿。无规矩不成方圆，广电到现在连单向广播业务都还未成体系，谈何双向。事实上，一个运行良好、合格的单向网只需更换有源器件就是一个合格的双向网，广电行业目前还是应花大力气完善标准的制定和推广，建好管好单向网，使单向网的无故障时间达到电信部门的水平，才有可能在今后的双向业务中扮演重要角色。  表四：反向光发射模块的注入电平光机型号模块输入电平不同带宽信号注入电平35MHz8MHz3.2MHz0.2MHzSG2000757568.664.652.6SG1000888881.677.665.6BT210010093.689.677.6AM－MBR10010093.689.677.6