面向多业务应用的CATV/HFC新技术
发布时间:2006-10-14 4:15:55   收集提供:gaoqian
信息产业部电子第34研究所 黎红长
    数字压缩技术和高效数字调制技术在CATV/HFC网上的应用,大大拓展了有线电视网络的频道容量和多功能业务的能力,现已具备开展三四百套数字电视节目的能力。若同时采用其他先进技术,还可以在有线电视网络中传输话音业务和接入因特网业务。

  1   基于CATV/HFC网络的双向通信技术

  最近,HFC网的现代化规划不仅加快了提供双向通信基础设施的建设进程,同时也提高了通路容量,增强了系统可靠性,降低了运营和维护费用。基于CATV/HFC网络的双向通信系统结构如图1所示。

  传统的CATV/HFC都是由前端到用户进行单向电视信号传送和分配。如果要将这种单向通信网络系统改为双向通信系统,首先必须将传统的单向放大器改为双向放大器,前端在单一的TV节目源接口基础上增加PSTN/ISDN接口和Internet接口。另外,非常重要的一点是在用户端须添置用户接口单元。这里的用户接口单元根据不同的组织,其采用的标准也各不相同。目前,国际上主要有欧洲的DVB/DAVIC(数字电视广播/数字音频视频委员会)标准和北美的DOCSIS(电缆网上的数据接口规范)标准。用户接口单元又叫电缆调制解调器(CM)。我国目前对这两种标准的产品正在试验和研制,这里简单介绍Lucent公司所建议的电缆调制解调器原理。

  为了在HFC网络中满足各种业务需求,预定在下行方向上使用一个高速通路(30 Mbit/s或更高)和一个分离的中速通路(<10 Mbit/s)。高速通路将利用视频网络接口单元(NIU)来承载MPEG-2业务,而中速通路将利用视频、数据和电话NIU以综合的方式承载各种ATM和STM业务。在上行方向上,一个中速通路(<10 Mbit/s)将利用视频、数据和电话NIU以综合的方式承载各种ATM和STM业务。这种调制解调器和HFC网络共同遵守自适应数字接入协议(ADAPt),协议在站点和前端运行。

  2   基于CATV/HFC网络的DVB传送和接收技术


      随着科学技术的迅速发展,电视技术经历了从黑白电视到彩色电视的发展过程,现在正向数字高清晰度电视(HDTV)过渡,现存的模拟电视在不久的将来都会被数字电视所取代。数字电视的优势尽管明显,但码率太高。一路普通的彩色模拟电视信号经数字化,如果不进行数据压缩处理,总码率为216 Mbit/s,这相当于传输1 500多路数字电话所需带宽总和。从通信系统的观点来看是很不经济的。因此,我们平时讲的数字电视 (DVB)均指经过压缩编解码(遵循MPEG-2标准)处理后的电视。

  2.1   DVB-CATV系统组成及功能原理

  DVB在CATV系统中的传送系统组成如图2所示。

  2.2   信道编码

  信道编码的目的是附加冗余信息到比特流中,以便在接收时能从受损的信号中恢复出原信号。在DVB-CATV系统中,信道编码包括扰码(随机化)、RS编码和交织等几个部分。

  2.2.1   扰码

  扰码是为了避免DVB-CATV数据帧结构中的长连“1”或长连“0”的出现,以便在接收端恢复时钟信号。MPEG-2传输复用包经过扰码处理后,其“0”和“1”在时间上变得均匀分布。


  2.2.2   RS编码

  RS(Reed-Solomon)码是一种性能优良的分组线性码,在同样编码冗余度下,RS码具有最强的纠错能力。扰码后的MPEG-2传送包采用缩短(shortened)RS编码(由反馈移位寄存器电路实现),每个符号是8比特。在编码的过程中,每个MPEG-2传送包增加了16个校验字节,码字为(204,188),可以纠正8个字节的误码。

  2.2.3   交织与解交织

  RS编码虽然纠错能力很强,但由于信道中产生差错的突发性,往往使连续一片数据都出现差错,这种集中式的差错,常常超出了纠错码的能力。所以在发送端加上数据交织器,在接收端加上解交织器,使得信道中的突发差错分散开来,以便充分发挥RS编码的纠错作用。有时加上交织后,系统的纠错性能可以提高好几个数量级。交织器和解交织器均由先进先出(FIFO)移位寄存器和分支切换开关组成。

  2.3   字节变换与QAM调制

  交织后的信号在进行QAM调制前,还必须进行字节变换(由于64 QAM每个状态由6 bit表示,而1个字节由8 bit组成)和差分编码,然后映射入QAM调制器中。QAM是利用正交载波对两路信号(I信号和Q信号)分别进行双边带抑制载波调幅形成的。 

  2.4   机顶盒

  机顶盒是目前CATV/HFC用户接收数字电视的必要设备(将来当数字电视机商用时,机顶盒的功能都将被包含在其中)。机顶盒包括信道解调器、前向纠错电路、MPEG-2传输层解复用器、MPEG-2视频解码器、MPEG-2音频解码器、NTSC/PAL编码器和音频DAC等,其结构如图3所示。

  3   基于CATV/HFC网络的个人通信技术

  通信技术的快速发展,使个人通信业务(PCS)变得越来越成熟。PCS能够提供优良的话音质量和消息业务。一般的PCS系统硬件结构主要由基站(或者移动接入点)和骨干网络两类设备组成。

  基站的主要功能是为移动终端服务。骨干网络一般以现存的公共交换电话网(PSTN)为基础。当移动终端向新区域移动时候,骨干网络负责寻找移动终端,或者为移动终端重新选路。PCS系统虽然被提出并已实施好几年时间,但仍然遇到一些经济和技术性的问题。从经济的观点来看,用传统方法实现PCS系统,通常需要很高的启动资金支付装备和线路。从技术性的观点看,移动性是PCS用户最有吸引力的特点,同时也是PCS开发商最难解决的问题。为了支持移动性,高科技的信号发送技术和复杂的硬件结构必不可少。为了使PCS更有利可图和容易付诸实践,不同的骨干网类似ATM和CATV网络在近几年被提出。在这些网络结构中,CATV网被认为是最理想的一个。原因如下:首先,CATV网已经存在许多年,它比ATM网更普遍;第二,基于CATV网络的PCS系统比基于PSTN的PCS系统更经济,因为基于CATV的PCS系统的天线挂在空中电缆上,通过在配线上移动和重新安装来适应向不同地理区域提供业务。另外,CATV基础设施已经存在,此时塔台的安装费用、供电、网络的维护、基站建立等已经是CATV网的一部分;第三,由于CATV是一种广播网络,越区切换过程更简单。

  在CATV-PCS系统中,下行带宽为250 MHz(从750 MHz ~1G Hz),每个下行通道被分配0.75 MHz的带宽,即下行通道数最大为330个。如果采用64/256 QAM调制方法,每个通道可传送3.5 Mbit/s的业务。上行带宽为40 MHz(从5 MHz ~45 MHz),每个上行通道被分配0.8 MHz的带宽,采用QPSK或16 QAM调制方法传送。

  CATV-PCS可组成两种系统结构。在第一种结构中,每个基站都装备有多个固定接收机,每个接收机对应CATV网的每一个下行通道,这样几个下行信道能同时被接收。这种结构提供无缝连接和快速的越区切换过程,但其硬件成本高。在第二种结构中,每个基站为了从CATV网中收到无线电信号(RF)而装备一个可调谐接收机。这种可调谐接收机能接收所有下行信道中的信号,但是,每个时隙只能在这些信道中取出一路信号给某一移动终端。由于固定接收机式CATV-PCS系统组网价格较高,不便在实际应用中推广。因此,本文只介绍调谐接收机式CATV-PCS系统,其结构如图4所示。

  在图4中,电缆模块(cable module)由一个可调谐接收机、信道分配表(CAT)和一个媒体接入控制器组成。这个接收机对应所有的下行信道,但每一时隙只对应一个信道。因而分配给每个移动终端的位移都是独一无二的。正因为如此,一个移动终端在某个时隙能接收到信息,而在其他的时隙则信号丢失。特别是当一个移动终端从一个基站进入另一个基站时,它过去对应的时隙位移在新的基站有可能被其他的移动终端占用,人们称之为位移冲突问题。这时,我们必须采取措施为这个移动终端寻找新的位移(在新的基站)。

  (1)连接建立过程

  当一个移动终端希望跟CATV-PCS中的一个服务器(server)建立连接时,移动终端首先将其移动ID、服务器网络地址和QoS要求发送给基站。基站中的无线模块首先检测下行信道中的无线信道,如果没有空闲,则无线模块回复一个拒绝信号,否则连接请求将被传送到电缆模块。当电缆模块接收到呼叫建立请求时,它先将请求信息传到CATV网的头端,然后再到目的地(服务器)。直到服务器接受这个请求后,头端根据QoS计算这个连接需要的时隙数,并在可接入的信道中储备时隙。为了防止位移冲突问题发生,头端仅仅储备那些基站CAT中没有被分配的位移时隙。如果可得到的时隙不够,请求将被拒绝。否则,信道数和储备时隙的位移都被送到基站,基站便相应地更新CAT,然后通知移动终端更新后的(信道,位移)值。

  2越区切换过程

  当基站1(BS1)范围内的移动终端B越区切换到基站2(BS2)时,漫游终端B将其移动ID、原来注册的基站(BS1)和过去的(信道,位移)值发送给BS2申请登记。BS2将这些信息输入本站内的CAT,如果位移冲突发生,BS2请求头端为这个终端寻找新时隙,然后BS2将这个新的(信道、位移)值输入BS2的CAT中,并通知BS1将漫游终端B的注册信息消除,最后,BS2回复一个信息,表明漫游终端B在BS2登记成功。

  这种可调谐接收机式CATV-PCS系统最有吸引力的优点是它造价低,但它的缺点也很明显,即容易发生位移冲突。减少位移冲突的办法有好几种,主要是通过软件操作来解决,这里不详述。

  4   结束语

  我国有线电视经历了近30年的发展,已经成为世界第一大有线电视用户国。目前,我国近2000个县建设了有线电视网络,其中有600多个县已实现了光缆到乡镇或到村。有线电视用户数以每年500万以上的速率增长,最近已经达到8 000多万。从1991年开始,各省在微波联网的基础上逐步进行光纤改造工程,先后运用先进的SDH数字光纤传输技术,基本建成了全省(市)范围的有线电视光纤传输网络。现在,有线电视网络的里程超过300万km。由此看来,在有线电视网络上发展多业务服务是一个非常重要的课题。

摘自《电信技术》
 
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