熊承国
1、HFC网络双向通道的设计原则
进行HFC网络设计的目的就是为了建造一个运行稳定、可逐步扩展的宽带双向综合信息传输网络，因此，无论是正向通道还是回传通道的设计，都应该遵循共同的设计原则：可靠性、开放性、扩展性和实用性。
过去，在进行区域性有线网络规划与建设中，大部分的网络基本上遵循了这些设计原则，所不同的是，有的网络将先进性强调得多一些，有的网络则把实用性放在首位，而对于可靠性原则，相当数量的网络对其重视的程度还远远不够。
在讨论HFC网络的双向改造时，应将网络的可靠性放在首位，这是因为双向HFC网络不是单一的广播网络，而是一个交互式的综合信息网络，其可靠性的优劣直接关系到网络运营的成败，要求应该具有电信级的可靠性水平。
1.1高可靠性原则
在进行双向HFC网络设计、新建和改造时，首先必须遵循高可靠性原则，这一原则主要应该包括以下几个方面的含义：
（1）网络设备、部件的可靠性要明显提高，即网络设备、部件的MTBF指标要明显提高。众所周知，可靠的设备是保障网络实现高可靠运行的基础。由于我国CATV产品标准规范制定较早，有源设备要求MTBF＞2万小时，无源设备要求MTBF＞4万小时。今天看来，这些要求还是比较保守的。为适应新的形势需要，满足双向改造对可靠性这一关键指标的要求，这两类产品的MTBF指标均应作出大幅调整，建议有源设备MTBF要求应该大于10万小时，无源设备MTBF应该大于20万小时。
（2）设备内关键部件应有热冗余备份，因为部件的冗余备份是提高设备可靠性的重要措施。
（3）设计网络拓扑结构时，要优先考虑网络的可靠性指标，主干线网络应该具有自愈（冗余备份）能力。
（4）网管系统必须满足国标及开放式网管标准（国标、IEC及SCTE HMS标准），真正实现对网络设备的有效监控，充分满足网络可靠性要求。
（5）设备的安全性（接地、防雷、抗浪涌）与系统安全性（主机、操作系统、应用系统直到底层硬件平台进行完整的安全设计）也是可靠性设计的重要内容。
（6）网络建设和施工遵循高可靠性原则（低故障、易维护、易管理）。
此外，现在执行的设备入网技术条件中仅规定了常温电性能参数，并未对可靠性提出要求。据了解，目前多数厂家尚未对该性能进行深入的研究，设备入网检测对该参数也不做考核。这样，就容易造成进入有线网络的设备可靠性无法得到足够的保证，从而将导致整个有线网络的可靠性不佳。
网络所选产品的可靠性高低直接关系到网络运行的好坏。因此，建议网络公司在进行设备选型时务必将所选设备的MTBF指标作为关键因素来考虑。产品在制造过程中，虽然经过常温老化、高温老化可以在一定程度上剔除元件的早期失效，从而达到提高产品可靠性的目的，但是产品在生产过程中的老化不能代替产品的可靠性设计和可靠性（MTBF）试验，要确保设备的高可靠性，必须在产品设计时就把握好可靠性设计及可靠性试验这一关键性环节。
1.2开放（兼容）性原则
开放性原则主要为网络公司灵活选择设备、器材提供保障，同时,也解决了主要进口设备的兼容问题。
开放（兼容）性原则，主要是指CM-CMTS及HFC设备网络管理系统的开放性和兼容性。
CM-CMTS都应该遵循DOCSIC1.0，DOCSIC1.1或DOCSIC2.0标准，这在国内已经形成共识，此处不再赘述。
为了建设高可靠的电信级双向HFC系统，必须考虑配置系统网管［1，2］。因为网管系统是系统先进性的标志，即使在网络初建时期暂不配置，今后也会随着形势发展而逐步到位。对于网管系统的开放性及兼容性的问题，目前人们认识差异较大。
HFC网管系统的开放（兼容）性原则至少应包括以下几个方面含义：
（1）网管软件应完全满足国标并遵循开放式国际标准（IEC网管标准）及SCTE HMS网管标准，软件应具备方便的系统扩容和版本的升级能力，升级后的软件或版本应有向下兼容能力，且不影响已有的设备和器材在系统中的正常工作。
（2）网管应答器应和国际、国内主要CATV设备供应商的遵循HMS标准的网管应答器兼容。
（3）设备的网络管理向上应遵循SNMP协议，可以将网络管理软件与网络公司的各种内部管理软件(如MIS系统,GIS系统等)集成在一个统一的软件平台上，真正实现整个网络的计算机统一管理。
（4）设备接口参数、插件接口、插件规格等要求标准化、归一化。若物理接口也能实现统一，那将为今后调试、维修工作带来极大的方便。
（5）室内设备的网管问题更为复杂。早期的许多进口设备都不遵循开放式网管标准，因此必须进行协议转换，对此，只有具体问题，具体分析，逐一解决。
无网管系统的网络不是先进的系统这一概念已为国内大多数同行所接受。但是，需要指出的是某些设备制造商对此认识还相当片面：有人错误地将可寻址收费管理与HFC设备网络管理混为一谈；有人认为可以寻址到每个用户，就不再需要对其他设备进行网络管理。显然，这些观点是非常可笑的。出现这种现象的主要原因是对HFC设备网络管理的功能与作用还不甚了解。HFC设备的网络管理的主要作用不仅是去发现网络故障，而是要求对整个网络设备的运行状态进行实时监测，及时发现网络设备运行状态的变化趋势，将设备故障消灭在发生之前，从而保证网络高可靠、不间断地稳定工作。发现网络故障，准确定位故障设备，初步判断设备的故障原因，迅速修复故障设备是网管系统的另一个主要作用。因此，传输通道的故障监测与控制用户终端的信号通断和先进的HFC网络管理是两个不同水准、不同内容的系统功能。
开放式的HFC网管系统，不仅要求实现上述网管功能，还必须保证网管系统遵循开放式网管标准，与国际、国内满足开放式网管标准的其他网管系统完全兼容，只有这样，才能使双向HFC网络高可靠运行，达到电信级网络的可靠性水准。
1.3扩展性(平滑升级)原则
现在进行HFC网的改造及新建，应该也有可能实施扩展性设计，从而最大限度地保护有线网络公司的投资利益。扩展性原则主要包含以下3方面的含义：
（1）设备性能升级(无网管到配置网管系统、平滑地缩小光节点等)；
（2）冗余备份升级；
（3）工作频带(正、反向)升级。
为了满足扩展性原则，网络拓扑结构必须考虑到网络升级的要求（例如平滑地缩小光节点）；无源器件应全部选用5～1 000 MHz产品；有源器件如双向分配放大器应全部选用5～860 MHz(或1 000 MHz)产品，内部插件可根据目前使用的频段按网络现状配置。光通信节点、光工作站的关键部件均应预留热冗余备份插件位置。回传延口，可在适当的时机现场升级。电放大站(器)最好能够平滑升级为相同规格的光通信节点或光工作站。
1.4实用性原则
对所建网络的评价前些年流行过一个口号叫做“5年不落后，10年还能用”。其实，这样的提法并不科学。在进行HFC网络的双向改造时既不能盲目地追求技术的先进性，也不可一味追求低价位，必须遵循实用性原则。在进行设备选型时，既要考虑设备的价格，又要考虑设备的性能（高可靠性、高指标），不能片面追求低价位。实用性原则，就是以最低投入，获得最佳的性能价格比，以期建成一个可平滑升级的高可靠双向HFC综合信息网，这才是大家共同追求的目标。实用性原则主要应包含以下5方面的含义：
（1）遵循DOCSIC规范的CM－CMTS设备；
（2）可平滑升级的设备；
（3）开放性网管的系统；
（4）尽可能低的供货价格；
（5）最佳性能/价格比。
2、正向通道和回传通道设计的异同
明确了双向HFC网络的设计原则，在进行设计之前，还有必要对HFC网络正向通道和回传通道的异同进行分析，以便更好地开展网络设计工作。
在正向通道中，激光器的噪声和有源器件的NF使传输信号的C/N指标劣化，非线性失真使CTB、CSO变坏。正向光接收机接收光功率的减小，使链路C/N比值随之劣化；正向RF输出电平的升高，将使CTB、CSO变坏。
回传通道中，反向激光器的相对强度噪声和有源器件的NF也会引起回传链路的NPR劣化，但在一定接收光功率范围内（例如0～－9 dB），回传链路的NPR与接收光功率基本上无关。回传通道内，设备的非线性失真（CTB、CSO）对信号传输质量的影响(BER的劣化)也并不明显。但是，如果回传通道设计或调试不当（例如反向激光器在过激励状态下工作），则组合互调噪声和侵入噪声就可能会使传输质量严重劣化，甚至会阻塞回传通道。
2.1正向通道和回传通道设计的相同点
传输链路中的有源设备如光发送机、光站、放大器等都是用于尽量完善地补偿该站点（光节点或放大器）与相邻的上一个站点之间那段线路的损耗(光路损耗、电缆损耗或无源器件损耗等)。无论是正向通道还是回传通道，做好系统设计的主要目的是：
（1）在相邻放大器站点之间实现单位增益(0 dB增益)；
（2）力求保持传输信号质量劣化最小，并必须满足国标要求；
（3）追求系统的最高性能/价格比；
（4）充分考虑系统的未来发展趋势和规模。
2.2正向通道和回传通道设计的不同点
信号流向相反：正向是从前端到用户，回传是用户至前端。
信号性质、类型不同：正向是连续的模拟+数字调制信号；回传基本上是突发性的数字调制信号。
信号传输方式不同：正向是广播式，—点到多点；回传是汇聚式，多点到—点。
信号电平(功率)的测量方法不同：正向以最高频道的图像载波电平为参考电平；回传是以功率谱密度乘以信号占有带宽。
影响信号传输质量的因素不同：正向有NF和CTB、CSO；回传主要是侵入噪声和组合互调噪声。
综上所述，根据对正、反向传输通道相同点的分析可得出如下结论：
（1）设计和调试都遵循“单位增益”原则；
（2）设计和调试都应从前端向用户端逐级进行；
（3）系统设计时必须充分重视网管系统在双向HFC网络中的作用。
根据对正、反向传输通道不同点的分析可以得出如下结论：
（1）回传通道的设计和调试采用每Hz固定功率法；
（2）正向信号建议采用对称分配方式入户，克服回传电平均衡的难题；
（3）适当提高回传信号电平以改善回传信号的抗干扰能力及NPR；
（4）回传通道的设计和调试必须特别注意侵入噪声和组合互调噪声；
（5）回传通道设计和调试中必须注意信号注入点和单位增益点的选择。
3/回传通道设计和调试的关键技术
在明确了正向通道和回传通道设计异同的基础上，为了更有效地对HFC网络实施双向改造，在此对回传通道设计和调试中的关键技术进行讨论。
在HFC双向网络的建设中，回传通道的干扰、噪声和电平均衡始终是困扰CATV工作者的一大难题。实践证明，只要在设计和调试中，认真处理好汇聚噪声干扰、电平均衡调节、回传通道的NPR、BER和回传通道阻塞3个方面的关键技术，这些问题即可迎刃而解。
3.1汇聚噪声
回传通道的汇聚噪声包括3类：一是侵入干扰噪声；二是模拟和数字信号非线性失真所产生的组合互调噪声；三是热噪声(也称机理性噪声)。总噪声功率等于这3类噪声分量的功率叠加值(对数和)。侵入干扰与组合互调噪声的“贡献”远远大于热噪声。
侵入噪声（ingrees noise）是指侵入电缆网络的电磁干扰。外界的信号，包括短波通信、短波广播、民用无线电波信号、家用电气、工业设备、交通设施产生的干扰等等都能进入同轴电缆网络，并对整个系统产生不良影响，它是回传通道中普遍存在的主要干扰源之一。
减小侵入噪声危害的主要方法是：首先，要保证HFC双向网络中的设备必须满足EMC规范的要求，即激光发送机、光接收机、放大器、分配器、RF连接器、电缆等都应该具有足够的屏蔽性能和抗扰度；其次，在施工中要十分仔细，严格控制施工质量，避免通过各种连接头感应侵入干扰信号。此外,应该选用特制全屏蔽带TV-DP式输出口的双向用户盒（在TV端以加回传通道抑制电路来减少用户端的侵入干扰，但此做法亦有缺陷）。
组合互调噪声是回传通道中的干扰源之一，但是，这一干扰源在国内却被不少的设计者所忽视。有人甚至认为，热噪声比侵入干扰对回传通道的影响小得多，设计时可不予考虑，对组合互调噪声则完全未考虑。必须指出，组合互调噪声对回传通道的影响非同小可，不容忽视，这早已为国内外许多实践所证明。特别是当双向业务的用户显著增加时，回传突发数据信号功率可能会引起反向激光发送机不同程度的过载，回传信号的组合互调噪声可能使回传通道的NPR明显劣化，这将导致回传误码率的急剧上升,甚至能阻塞回传通道的正常工作。
通过仔细设计和正确调试回传通道，适当减少光节点覆盖的用户数，载波/组合载噪比及噪声功率比对回传通道的影响可以得到良好的控制，从而确保回传通道的信号传输质量优良。
来自HFC网络的各种设备、部件的热噪声汇聚始终存在，但是，在光节点覆盖用户数适当、所用设备性能优良的情况下，热噪声的汇聚不会引起回传通道的性能产生明显的劣化。
3.2电平均衡：网络拓扑结构的变化——对称分配入户
双向HFC网络建设的另一个难题是网络中不同位置的用户回传到前端的信号电平很难均衡。通过理论分析和实践验证，人们找到了很好的解决办法，这就是：改变网络拓扑结构，采用多级星型拓扑、对称分配入户。
（低增益、较低输出电平、小的分配损耗、小回传损耗；正向分配损耗31 dB，反向回传损耗24 dB）采用多级星型拓扑结构、对称分配入户设计用户分配网络，所要付出的代价是分配放大器的用户覆盖能力将会有所减少，分配效率会略有降低，相邻用户间的相互隔离度也可能会有所下降。此外，楼栋内的进户电缆用量会有所增加，排线管道相应地也会变粗。但是，对称分配入户所获得的好处也是显而易见的。分配系统的设计大大简化，回传通道的电平均衡问题得到了很好的解决。从每一用户回传到最后一个放大器的信号电平基本相同，回传通道的调试工作量将大为减少。如果设计合理，采用设备精良，施工精细，回传通道完全可以做到免调试，只需进行性能验证测试即可。
在单向HFC网络中，进户分配放大器的作用是补偿正向传输损耗，提高用户覆盖能力；而在双向HFC网络中，进户分配放大器的主要作用是提升回传信号功率以改善抗干扰特性，同时适当补偿正向传输损耗。
3.3回传通道的NPR、BER和回传通道的阻塞
客观地说目前国内的许多双向传输产品与国外产品相比，在某些性能方面尚有明显差距，例如，反向激光发送机大部分厂商仅给出光输出功率，在一定链路损耗下的载噪比、在数字信号激励下的过载特性、在一定载波/噪声功率比下的动态范围、光输出功率及光调制指数的温度稳定性等重要指标均未给出，因此在回传通道调试和使用中就很难做到能合理使用，也就难以保证回传业务增加时不发生回传通道阻塞的现象。
所谓回传通道阻塞，是指回传通道因故无法正常通信而处于瘫痪的状态。在回传通道中，由于过大的连续侵入干扰功率使回传激光发送机处于严重过激励状态，导致回传通道的载波/组合噪声比明显劣化，回传解调器不能正常工作而使通道瘫痪。这一问题令终端用户和有线网络公司都感十分头痛，应该引起设备供应商关注，在回传通道的设计和调试中必须予以解决。
此外，回传通道调试不当或回传设备性能不良，致使在突发大量回传信号时，回传激光发送机严重过载，导致回传通道的载波/组合噪声比显著劣化，回传解调器不能正常工作而使通道瘫痪，造成通道阻塞。这个问题目前在国内尚未引起重视，因而在此特别提醒。
双向HFC网络的放大器、光通信节点、光工作站内的三态反向噪声抑制开关是专门用于解决该技术故障的一个非常有效的部件，采用该砚，国内对组合互调噪声的影响在认识上还有较大的差距，“热噪声比侵入干扰对回传通道的影响小得多，可不考虑”，“回传通道的汇聚噪声只有侵入噪声”，这些完全无视组合互调噪声的观点都是相当片面或者说是颇为极端的。要特别指出的是，当光节点覆盖用户数较多时，回传突发数据信号功率可能引起反向激光发送机不同程度的过载，有可能使回传信号的组合互调噪声指标明显劣化，导致NPR降低，甚至造成回传通道阻塞。
加到反向激光发送机的激光器上的激励信号电平设置为20 dBμV/Hz（60 MHz带宽内的总功率为98 dBμV）。陷波槽的底部显示了由反向激光发送机和反向光接收机所构成的光链路的固有噪声，平顶部分则显示等效的数字调制信号功率。当反向光接收机的接收光功率等于－6 dBm时，光链路的NPR(噪声功率比)约为41 dB（即等效的数据信号电平比噪声本底高41 dB）。该曲线是反向激光发送机和反向光接收机所构成的回传光链路NPR的典型频谱仪测试图。
将加到反向激光发送机的激光器上的激励信号电平升高10 dB时，信号电平也升高10 dB，槽内的噪声底部也相应升高。但噪声底部并非仅升高10 dB，而是26 dB，因此NPR＝25(41+10-26)dB，这是由于激光器过激励时削波产生的组合互调噪声严重劣化了链路NPR，也有文献把反向激光发送机的这种特性叫作过激励特性。
回传光链路的本底噪声增加40 dB，NPR＝41＋15－40＝16 dB。可以看出，组合互调噪声对回传链路的影响十分严重。
理论分析和实验研究都可以证明，已调QPSK调制信号的载波功率与调制信号的平均功率相等，均潍Es/Ts(Es：单位信号能量，Ts：信号持续时间)，所以，QPSK调制信号的载噪比（或噪声功率比NPR）与信噪比是相同的。QPSK调制信号的误码率（BER）与所要求的最小噪声功率比NPR的关系如表1所示（表1中α为QPSK源信号升余弦脉冲滚降系数），QPSK调制信号噪声功率比NPR与比特误码率BER的关系曲线。
表1QPSK调制信号误码率（BER）与噪声功率比NPR的关系误码率（dB）10－410－610－810－910－1010-11
α＝011.413.515.015.516.116.5
α＝0.210.612.714.214.815.315.7
α＝0.59.611.813.213.814.314.8
α＝1.08.410.512.012.513.113.5
回传通道设计和调试的目的就是保证在任何情况下NPR都能够大于16 dB并有一定裕量（例如10 dB左右的裕量），这样，就要求回传通道NPR至少达到25 dB，并在NPR＝25 dB时动态范围有8～10 dB。
对于M－QAM调制信号，其基带信号功率与已调载波功率之比潍r，则：
r=(2R+1)3(2R-1)
当M＝16，64，256时，R＝2，4，8，此时r＝5/9,7/15,9/21，故对于M－QAM调制信号，已调信号的载噪比（或噪声功率比NPR）与基带调制信号的信噪比SNR之差（对于M＝16，64和256）为2.6 dB，3.3 dB和3.7 dB。
表2M-QAM调制信号误码率与NPR的关系
误码率(dB)调制方式10－810－910－1010－11
16QAM23.323.924.424.9
64QAM30.230.831.331.8
256QAM36.637.237.738.2
4、结论
（1）双向HFC网络的设计与建设必须把网络的可靠性放在首位；
（2）双向HFC网络设计与调试中必须注意回传信号的特点及测量方法；
（3）进行双向HFC网络设计与调试时，必须保证反向激光器不要过激励，RF激励功率应该处于反向激光发送机动态范围的中点。
摘自《中国有线电视》
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