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有線電視雙向網的探討
摘要：通過分析網絡同軸電纜網和HFC雙向傳輸網絡的技術要求，網絡設備的特點及參數。進一步了解HFC雙向傳輸網合理應用，為HFC雙向改造，實現有線電視網第二次騰飛提供依據。
關鍵詞：有線電視網絡 光纖網絡 同軸電纜網絡 雙向傳輸網絡 技術要求 傳輸設備
在光纖網絡中，一般采用空間分割方式，它利用兩根光纖，一根正向傳輸下行電視信號，另一根反向傳輸各種上行信息，該傳輸方式簡單、方便，但不宜同軸傳輸，主要是用兩根同軸電纜傳輸，造價高，投資大。
在同軸電纜網中，一般采用頻率分割方式傳輸信息和電視。它可把不同的信息內容分成正向和反向傳輸，因在頻率上分成兩個頻段，如現行網絡的5～65MHz頻段傳輸上行信息，而65～750 MHz傳送下行電視信號，這樣采用兩個頻段分開達到傳送正反向信號，在國外也有采用高、中、低頻率分割方式來完成各類信息的上下行傳輸工作。
另外還有一種回傳方式，就是用時間分割方式。時間分割是利用脈沖開關控制一個脈沖周期內發送的下行信號，在另外一個脈沖周期內傳送上行信號，這就要求每個脈沖周期在足夠短的時間內完成，否則會影響信息質量。
一、對回傳的技術要求
在雙向傳輸網絡中，正向傳輸技術上好處理，有反向傳輸后，因回傳中的噪聲漏斗效應和驅動電平難以控制會嚴重影響傳輸質量，也是雙向傳輸的成敗關鍵問題，因此在雙向網設計施工時，就應從技術上嚴格按標準實施，特別是反向傳輸通道的技術標準應按我國規定的《<有線電視廣播系統技術規范》執行，它的各項指標如下：
1）頻道內幅度/頻率特性：任何頻道內幅度變化不大于±1dB；在任何0.5 MHz頻率范圍內幅度變化不大于0.25dB；這就是系統頻響要求，因系統工作頻率僅幾十兆，在整個頻帶內，要求頻響特性盡量平坦，各個頻道的電平必須保持在一定范圍內，以保證回傳信號質量，當電平超過一定限度時，非線性將急劇增加，低到一定程度時，噪聲干擾又會明顯地損傷回傳信息質量，因此要求網絡中傳送的同一類信號的各頻道之間以及不同信號，其電平需保持一定的相對關系，才能避免或者有效地降低相互間的串擾或干擾，因此有回傳業務的網絡，由于多種業務的網絡對電平的求更高，因此必須達到回傳頻道內幅度/頻率特性的指標。
2）載噪比：≥50dB
3）載波互調比：≥74dB（單頻道互調干擾） ≥61dB（多頻道互調干擾）。
4）交擾調制比：≥66dB。
5）載波交流聲比：≥60dB。
6）回波值：≤4%。
7） 微分增益：≤5%。
8）微分相位：≤6°。
9）色亮時延差：≤30ns。
二、回傳噪聲的分析
1．噪聲產生的原因:雙向傳輸交互問題目前最大的難點是如何克服上行噪聲問題，它的噪聲源來自于用戶端，用戶越多，會聚到前端后就形成了噪聲會聚效應，也叫漏斗效應，它是上行通道產生噪聲的主要原因之一。
另外還有入侵噪聲，它由窄邊帶短波干擾、脈沖噪聲干擾兩種。脈沖干擾頻率很低，在60 Hz～2 MHz之間，它產生的諧波成份很大，造成的噪聲干擾也特別嚴重。另外還有業余無線電臺、有線電視的設備、各種器件接口松動、接觸不良，還有本網周圍持有的干擾也會形成入侵噪聲。
2．噪聲源的分析
具備雙向傳輸功能的系統，應有上行、下行兩個通道，也就是講有上下行傳輸或有正、反向傳輸的能力，衡量的標準是通道內噪聲指標，它是能否達到開展雙向業務功能的關鍵。
雙向網中的上行噪聲主要由眾多用戶將匯集起來的噪聲干擾送入前端，而用戶噪聲主要來自于用戶家中電視機的信號入口，干擾根源在終端的各類家用電器中，網絡元器件電纜的蔽屏性能不好或變差，受干擾的頻率范圍在上行通道的5～40MHz之間為最強，當干擾信號的強度超過用戶標準電平時，可以講上行信號是無法正常傳輸的。
過去網絡器件均采用分散件，加上器件的質量，網絡的施工工藝差，鏈路的維護調試水平低，終端用戶的亂接線，線纜、器件接頭多，到用戶電纜長度相差太大，使上行用戶傳輸增益相差過大，電平過份懸殊，無可非議的會產生較強的噪聲干擾，影響上行通道的傳輸質量，這也是產生噪聲的主要原因。針對這個問題，為了較好的克服上行噪聲的匯集，目前采用了“集線”式分配方式，經許多有線臺網的改造試用，非常成功的克服了上行匯集噪聲。
外來入侵噪聲（Ingress noise）源主要來自于前端設備、網絡、器件周圍的窄邊帶短波干擾，脈沖噪聲干擾，特別是脈沖干擾的頻率雖然很低（一般在60Hz～2MHz之間），但它產生的諧波成分卻非常大，造成的干擾也較嚴重；一些家用電器，電子點火設施也會產生5～40MHz的電磁干擾和諧波，這些諧波會通過任何途徑入侵到上行通道。另外公路上奔跑的汽車、摩托車使用的電子打火器、家庭用的微波爐、日光燈的啟動、電吹風都會輻射出較強的電磁波，因為這些器件都是瞬間啟動和使用，會產生一種隨機性尖脈沖干擾波。在網絡中因一些器件質量差，無屏蔽防范措施，電纜的屏蔽作用達不到80dB最低的屏蔽作用，設備接口，電纜接頭松動，造成阻抗失配，很容易使外界各種干擾信號入侵。
三、上行調制方式的選擇
HFC網絡發展所面臨的難點在于上行信道中的噪聲和干擾的積累。增強電纜線路的屏蔽和減少光纖節點的用戶數量對解決上述問題有一定的效果，但最根本的解決辦法是采用抗干擾性能強，頻帶利用率高的傳輸技術來克服噪聲與干擾帶來的弊端。同步碼分多址技術(CDMA)就是較好的技術之一。
S-CDMA(同步碼分多址)是建立在碼分多址(CDMA)基礎上的，它通過有線分配網絡提供健全和完善的傳輸。它與異步CDMA方案不同，S-CDMA的同步性把信道的效率提至14Mb/s (6MHz信道)。S-CDMA技術在脈沖和窄帶噪聲、線性和非線性信道損壞、一個速率的適應能力、寬帶高容量以及系統的擴展性和安全性方面，較頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術極具優勢。
時分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)是通過電纜傳輸高速數據的兩種方法。它們都有很大的限制。對于TDMA，不同的用戶對應不同的時間位置。因此，TDMA需要快速獲得，使得數據對窄帶干擾非常敏感。
在信噪比(SNR)低于某個極限值時，TDMA系統可能完全不能運行。TDMA的另外一個問題是在一定通道內的競爭，并且此競爭會影響鄰近通道，因為來自不同競爭的能量積聚會引起放大器的過載。這將嚴重影響雙向數據網的性能。對于FDMA，各個用戶被分配不同的頻段用于上行傳輸。由于每個用戶占有一個特定窄帶道，數據非常容易受到噪聲的攻擊。因為窄帶干擾能輕易進入用戶占用的通道。為此，FDMA系統常用頻率再分配技術盡力避免噪聲。因而噪聲通道中的數據被轉移到頻段的另一部分。
因為干擾的動態性，用不斷移動通道來避免噪聲通常需要更智能化和更昂貴的系當系統移到另一通道時，由于沒有發送任何數據，因而信息量也受到動態數據再分配影響。FDMA傳輸對非線形和頻率失調也非常敏感，并且通道間需要保護帶而使性能達不到最佳。
S-CDMA提供了一個辦法，用于解決上行路徑中進入的干擾和脈沖噪聲，這正是HFC網雙向傳輸高速數據時遇到的最嚴重的問題。這里不是在抗噪聲和信息量之間求折中，在采用擴頻和編碼功能時S-CDMA可提供14Mbps的可靠的上行流，帶寬分配的好處使網絡運營商有提供可保證的數據率的能力，可用于UBR，CBR和VBR信息業務。
S-CDMA不是基于競爭的系統，因而它是可分級的，當更多的用戶加入S-CDMA系統時，他們在高峰時期不會為有限的帶寬而競爭，因而避免了沖突和降低了網絡特征，而且S-CDMA的6MHz通道不干擾鄰近的通道(它們可能用其他技術，如QPSK)連同高的數據速率，這些特性使此技術成為有線電視網高速數據傳輸的最有生命力的方法。
四、HFC雙向網傳輸設備
1．終端用戶盒
過去的終端用戶盒不能滿足雙向傳輸條件，開展雙向傳輸的系統，終端必須選用專用交互式用戶盒，一方面有多功能作用，另一方面可隔離終端機和戶內的窄帶短波干擾，把好了上行信號質量的第一關。
雙向交互式CATV用戶終端盒應具備抗高壓沖擊能力，有較好的屏蔽作用，能嚴格防止外界電磁波的干擾，交互式用戶盒為無源設備，一般有四個端口，其一是信號輸入（IN）端口，TV插孔與電視機RF端相連，它可接收168～750MHz范圍內全部電視節目；FM插孔供調頻收音機接收調頻信號用的端口，它的頻率范圍在87～108MHz范圍內；第四個端口（DATA）與用戶的數字交換設備相連，如Cable Modem機頂盒等等，便于用戶與CATV雙向網在5～165MHz頻率范圍內進行數據交換，雙向網用戶家中的設備有電話機、計算機、電視機、Cable Modem和雙向終端用戶盒組成。
2．雙向集線器
雙向集線器一般設計在樓幢單元用戶的中間部位，這是用戶分配網的有源設備，是可尋址集線器，應具有尋址路權控制，對拆戶，不交費用戶采取隨時關斷措施；如果用戶不需特殊服務，只收看下行電視節目，可選用單向集線器，可降低投資成本，集線器有0dB～3dB電平分配輸出口，離集線器遠的用戶可選用0dB高電平輸出，近的用戶可選用-1dB～-3dB等接口輸出端，其目的是保證所有用戶電平盡量接近。
3．雙向放大器
雙向放大器應能順利的通過下行電視信號和上行回傳信號，放大器內設置正反向放大模塊和雙向濾波器，上下行通道均應有各自的可調衰減器和均衡器，放大器投入使用前應對上、下行信號分別進行單獨的調試，一般先調下行信號，后調上行信號，為了便于上行信號的調試，在調試上行信號時，送入專門的上行信號多頻點調試信號源，它能滿足上行通道高、中、低段各頻點射頻信號的調試需要，達到最佳調試電平，使上行信號的電平平坦度達到設計要求。
4．雙向光機
雙向光機相當于一個雙向光工作站，在末端光節點能接收下行光信號，并轉換成多路RF射頻信號，為同軸網提供優質的下行信號和足夠的分配電平，對有雙向交互式用戶的網絡，光節點中應有為上行信號提供功率發射的光發射機，它把交互式用戶回傳的信號電平接收后轉換成光的信號，傳向中繼站或前端機房，開展多功能的綜合增值業務。
雙向光機對上行和下行信號均應設置衰減和均衡器，便于調整過高或過低的信號，光機應設置避雷或防高電壓入侵的保護設備，供電要可靠，并有備份電源，能達到電源自愈能力，確保光機的正常工作。
5．雙向多路分路/混合器
雙向多路分路/混合器一般設置在前端機房，它主要是前端向多條支路分配下行信號，又為下行多支路回傳信號進入前端的分路/混合器，它應為上下行提供優質的混合分路信號；適用于電纜全雙向網絡的技術要求。
6．前端雙向設備
CATV雙向HFC傳輸網絡的前端，需設置雙向數據交換中心，它主要由中心交換設備，網絡管理工作設備，各種功能的服務器，前端處理器，上變頻器，寬帶路由器智能管理等設施組成，中心交換設備能實現與服務器、網管站、前端處理器、路由器每個交換端口的交換功能，而服務器主要為中心交換機提供數據存儲和轉發工作、網絡管理站的工作主要提供對中心交換機的工作狀態進行偵查和維護，并對數據交換進行管理。前端處理器主要任務是接收5～65MHz的上行射頻信號，并把RF信號解調后成為中心交換設備能理解的信號格式，它還可把下行數據經QAM（為正交振幅調制方式）調制后輸出中頻調制信號，前端處理器實際上就是一臺Cable Modem，上變頻器可把下行QAM中頻信號轉變為CATV頻段輸出的RF信號，送入雙向混合器，提供光發射機所需的下行傳輸信號。前端的寬帶路由器的工作內容是提供中心交換設備與Internet進行數據格式的轉換，數據交換和相關的控制工作。
雙向前端是一套全智能管理化的系統，它能對所需管理的項目全智能化，如有條件接收、加密、報修、節目器材的管理達到全自動，為開展新的增值業務和新的經濟增長點打下了良好基礎。
7．同軸電纜
為了加強對外來入侵干擾噪波的防御能力，對同軸電纜的選擇也很重要，過去使用的同軸電纜外導體有錫泊紙和金屬網的，它的屏蔽衰減值一般只有60dB左右，質量差的電纜還達不到這個值，所以使用幾年后，因各種原因會使屏蔽衰減值下降更多，外來干擾雜波易從電纜進入各個部位、進入系統中、要保證雙向傳輸的質量，必須有效的抑制回傳噪聲；目前有二、三、四屏蔽電纜，四屏蔽的衰減值一般能達到100dB左右，質量相當好的。還有些進口高質量的屏蔽衰減值可達到120dB左右，達到100dB的電纜都能有效的抑制外來入侵的各種干擾雜波，完全適合雙向傳輸網絡的要求，因此雙向網絡要求屏蔽對干擾信號的衰減比大于或等于對用戶要求的下列指標：
載波互調比≥57dB，載波交調比≥54dB，載噪比≥43dB，信號交流聲比≥46dB，反之，會嚴重影響信號的傳輸質量。
HFC雙向改造完成后，我們可以依托有線電視網絡資源，利用PC/Cable Modem或TV/STB組合實現真正的寬帶接入，向普通百姓提供視頻、話音、數據“三合一”的多媒體信息服務已成為現實。這不僅僅是廣大用戶的企盼，更是有線電視網實現第二次騰飛的關鍵所在。搞好HFC網絡的雙向改造將給有線電視網絡帶來極大的發展機遇。
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