第十五章 CATV宽带综合服务网.docx

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第十五章CATV宽带综合服务网

第十五章CATV宽带综合服务网

1CATV宽带综合服务网的特点

 CATV宽带综合服务网与前几章介绍的数字通信网有所不同，它表现出多样性和兼容性的特征。

1.1模拟信号和数字信号并存

目前电视信号仍以模拟信号为主，并且过渡到全数字电视信号还要有一个相当长的过渡时期，因为现有的数亿台电视接收机是模拟电视信号接收机，并且在宽带综合网传送的信号中，电视广播信号仍占有绝对大的比重。

 数字信号目前主要在交互式通信中使用，如计算机数据传输和电话，这些信号已实现了数字化，今后将逐步增加数字电视信号的传输比例。

目前卫星转播电视信号已采用了数字压缩编码的信号，今后将逐步会在CATV网络上传输64QAM的数字电视信号。

1.2频分复用与时分复用并存

 对于多路模拟信号的复用应采用频分复用方式，对于多路数字信号的复用常采用时分复用方式。

由于CATV网中既有模拟信号又有数字信号，故系统中必然存在频分复用和时分复用并存的复杂情况。

 在CATV宽带综合网中将充分利用频分复用和时分复用各自的优势，力求以有限的频带来传输更多的节目和信息，力求以最低的经济代价来换取更多的服务。

1.3光缆与电缆并存

 目前我国很多地区已建立了光缆电缆混合网即HFC网。

因为全光纤网，即光纤到家的网络是目前社会经济水平难以承受的。

1.4信号分配与信号交换并存

 电视广播是一个单向的分配系统，而通信则是双向交互式信息交换过程。

 以上四方面的并存局面说明了CATV宽带综合网的复杂性和多样性，需多方面知识和技术的结合，是一个新兴的技术领域。

在国际上也还处于起步阶段或探索阶段。

世界上也没哪一个国家完成或基本完成CATV宽带综合网的体系建设并投入实际运行。

大多是区域性的实验网，因此需要CATV建设者加强学习，交流以便使我国今后的CATV宽带综合网的建设能比较顺利。

2接入网的概念

 原来进行有线电视的工作人员，未曾听说过接入网这个名词，自从欲将广播电视与通信结合在一起组成一个宽带综合网以来，在许多文章上常常听说“接入网”这个名词并且还专门进行了接入网技术的研讨会。

由此可知，接入网完全是一个通信网络的专有名词，最初是从电话网角度上产生的。

 近些年来，国际电信联盟标准部（ITU－T）已经正式采用了用户接入网（简称接入网）的概念。

这是一个适用于各种业务和技术，有严格规定并以较高的功能角度描述的网络概念。

 从整个电信网的角度，可以将全网划分为公用电信网和用户驻地网（CPN）两大块，其中CPN属用户所有，因而，通用电信网指公用电信网部分。

公用电信网又可以划分为三部分，即：

长途网（长途端局以上部分）、中继网（即长途端局与市话局之间以及市话局之间的部分）和接入网（即端局至用户之间的部分）。

目前国际上倾向于将长途网和中继网合在一起称为核心网（CoreNetwork）或转接（TransitNetwork）。

相对于核心网而言，余下的部分称作用户接入网似乎是恰当的，它主要完成使用户接入到核心网的任务。

可见，用户接入网是相对核心网而言的，由于两者的环境、业务量密度以及技术手段有很大差别，因而有些文献只把核心网部分称为网路，而将用户接入网称作接入环路。

为了使读者对接入网在整个电信网中的位置有一个清楚的认识，图15－1给出了整个电信网的组成示意图。

    核心网有时也称作骨干网。

譬如同步数字传输网（SDH网）。

 CATV宽带综合网中既传输模拟广播电视信号，又传输数字交互式通信信号，从上面接入网的定义可知。

所谓接入网，目前只对数字通信而言的，因为模拟广播电视信号，只有单向的分配信号的任务，而且绝大多数是本地前端产生的信号。

也就是说对电视信号谈不上接入网的概念。

只是通信信息可以从全国邮电网上获取和发送至邮电网。

邮电部门已建成若干SDH网。

从通信角度上说CATV宽带综合网（HFC网）是全国通信网的接入网，并且是窄带信息，往往是不对称频宽配置。

下行频带宽获取的信息量大，上行频带窄需发送的信息量小。

 只有当全国光纤CATV的SDH网建成后，上百套电视节目可以取自SDH网而无需由本地前端来产生时，HFC宽带综合网，才是完全意义上的全国CATV网的接入网。

3CATV宽带综合服务网的一般组成方案

 CATV宽带综合服务网的一般组成方案图示于图15－2中。

3.1系统的频谱设置

    从图15－2中可以看出CATV宽带综合网中既有模拟信号又有数字信号，两类信号的处理方法上是完全不同的。

实际上整个系统由两部分通道按频分方式混合而成。

 上面部分为模拟信号通道以模拟电视信号为代表，当然还包括FM声音等。

其组成及各部分的功能已为人们所熟悉。

就如我国大多数CATV系统那样，在此不再讲述。

 下面部分为数字信号通道，这部分信号在前端下行光发射机前与模拟信号进行数模混合，在用户终端系统中于下行光接收机后进行数模分离，然后送后CableModem，最后送到各种终端设备，如电话机，计算机等设备。

 目前数字信号主要是窄带信号。

如话音和计算机数据信号等，其频带宽度为几十KHz至几MHz。

 今后将在这部分加入数字电视信号。

这种数字电视信号将以64QAM或256QAM调制方式进行传输。

由于采用了MPEG数字压缩编码和正交幅度调制方法，信号频带被大大压缩，对于不同等级的电视信号占有不同的带宽。

对于主级和主类（MP@ML）大约1MHz带宽可传输1套电视节目，则100MHz带宽大约可传输100套电视节目。

表15－1有线电视系统的频率配置

波段

频率范围MHz

业务内容

R

5~65

上行多功能业务

X

65~87

保护带

FM

87~108

声音

A1

110~167

电视

I

167~223

电视

A2

223~463

电视

Ⅱ

470~550

电视

B

550~750

下行多功能业务

C

750~1000

未来发展用

    各国对CATV宽带综合服务网的频谱配置还未取得完全的统一。

频率的上端北美和欧洲均取为860MHz，上行频道的规定则有所不同。

美国为42MHz欧洲为65MHz。

我国的有线电视系统的频率配置可能按表15－1，但还未成为正式标准发布。

 从表15－1可以看出：

 ①我国有线电视宽带综合网可能频率上限为750MHz，而不是860MHz，这是根据需要和可能而定的。

按理根据需要今后也可以扩展到860MHz，标准是可以修改的。

 ②我国可能采用上行频道的频率上限为65MHz，这并不影响我们采用北美的标准。

频带宽则留有余地，开展其他多功能业务，不一定目前就要用完。

 ③从110～550MHz为模拟电视频道的频率范围，频道带宽为8MHz。

 ④550～750MHz为下行多功能业务。

其中包括窄带数据信息，也可以包含今后的数字电视的业务。

例如：

 550～650MHz作为数字电视传输大约可传输100套电视节目，在相当长的历史时期也是够用的。

 650～750MHz作为窄带下行通信业务，其带宽可是足够的。

3.2CATV宽带综合网的组成

 从图15－2可以看出整个系统由三部分组成，即前端系统，HFC传输网及用户终端系统。

（1）前端系统

 前端系统的功能广义地概括起来讲有三项。

即信号的接收，信号的处理和信号的控制。

 ①对于模拟信号：

 信号的接收，则是接收来自卫星的信号，开路广播的信号和自办的来自演播室的信号。

 信号的处理则是信号的放大，即电平的处理信号频谱的处理，如信号的调制，信号的变频，信号的混合等。

信号的控制则主要是信号电平的自动控制和频率精度的控制等。

这些功能已为广大有线电视工作者所熟悉，不在此讲述。

 ②对于数字信号：

 信号的接收，主要是指接收来自邮电网，计算机网和上行数据，对于数字信号接收的含义应理解为执行网络节点接口协议和接口转换。

 信号的处理的内容很多，例如，信号结构的形成，信号的分复接，数字信号的调制，信号的同步等等。

 信号的控制如流量控制，误码控制，故障控制，性能管理和安全管理等等。

 数字前端的主要设备之一是电缆调制调器端接系统即CMTS（CableModemTerminationSystem）。

它包括分复接与接口转换，调制器和解调器。

 CMTS的网络侧包括一些与网络连结有关的设备，如远端服务器，骨干网适配器和本地服务器等，应该指出这些设备的种类很多，名称可能也不一样，但作用应大致相同。

在图15－2中这些设备包括在局端环路和数据框图中。

 在CMTS的射频侧，则有数模混合器，分接器，光发射机和光接收机等设备。

（2）HFC传输网

 HFC传输网的任务是将信号传输给用户，这方面我国已有不少的实践经验。

因此不在此重复叙述。

 （3）用户终端系统

 用户终端设备由用户CableModem和用户室内设备构成。

用户CableModem是这类设备的一个总称。

它由调制器，解调器和分复接与接口转换设备构成。

不同的厂家有时名称不同，结构也不同，例如有的厂家，称为远端设备（RIU）。

 （4）接入网与骨干网的连接

    接入网与骨干网（ATM／SDH）的连接通过SDM（分插复用器）连接。

这方面有多种设备，现以ECI公司的设备为例，示于图15－3。

图15－3中SDM包括ADM（分插复用器）和电视、电话及数据业务的集成服务器。

NCX1E6为多业务ATM交换机，NCX1E4为多业务交换机。

可以将ATM信元变换为IP、FR（帧中继）和ATM形式输出。

 不同的系统选用不同厂家的产品，这些设备的名称和功能可能不完全相同，但其基本功能大致是一样的。

 4传输协议（ATM和IP）

 为了提供高速数据业务以及话音业务，针对每一种业务都有多种解决方案。

 以往人们认为，能够支持语言，数据和视频业务的平台只能基于ATM技术，但近年来这种观点受到了强烈挑战。

由于Internet网络的迅速发展，TCP／IP协议的广泛使用，采用IP技术，提供宽带多媒体业务逐渐成熟起来。

例如：

改善实时应用的协议RTP，保留宽带的协议RSVP以及改善可靠性的协议IPSEC等的引入。

 目前在骨干网上采用ATM技术的争议不大，但在接入网中是否采用ATM技术却有很大的争议。

 美国MCNS标准，CableModem采用的是IP协议，并有许多生产厂商生产了基于以太网的IPCableModem，有的半导体厂商已生产支持MCNS标准的标准芯片。

因此支持IP的CableModem已成为市场的主流。

 一种方案，或一种产品能否迅速推广使用，除了技术上的先进性以外，市场因素是决定性因素。

由于ATM骨干网尚未广泛建立，而基于IP的Internet网已为人们所熟悉而广泛使用。

另一方面人们对宽带业务的需求还没有达到非常迫切的程度。

因此运营商对巨大投资考虑持非常谨慎的态度，这也是IP方案能够推广的市场因素。

 由于ATM与IP标准上的相容性。

使用ATM传输技术可以提供基于IP的所有业务。

因此有的厂商生产既支持ATM技术也支持IP的产品。

即所谓“IPoverATM”已成为当今多媒体通信的热点话题。

如图15－3所示的NCX1E6，NCX1E4等多业务交换机，其输入信号是ATM，而输出信号分别可以是ATM、FR和IP。

5反向噪声

5.1噪声源

由于HFC网的电缆部分采用树状拓朴结构，使得反向通道的噪声比较严重，HFC网络反向通道的噪声可分为两大类。

（1）结构噪声

 结构噪声是由器件自身产生的，主要以热噪声为主。

网络的结构噪声主要有下列生成情况：

 ①基础热噪声

    它与带宽有关。

由15-式表示：

 Pno=K·T·B

 其中：

〖ZK（〗K为波尔兹曼常数K=1.38×10.23

T为绝对温度（常温可取T=239K）

 B为噪声带宽

②汇入噪声

 当放大器串接或并接以及多个支路并接，在汇入点噪声功率要叠加，即所谓漏斗效应。

 ③光端机的噪声。

（2）入侵噪声

 入侵噪声是一种随机的射频干扰。

主要有以下几种形式：

 ①冲击干扰，如由天电，引擎，工业电器启动时产生的随机尖脉冲干扰。

 ②窄带连续波干扰。

主要由各种短波广播及无线电通讯等引入的干扰，表现为某一频率上的干扰。

5.2解决反向通道是噪声问题的方法

（1）采用具有较强的抗噪声能力的调制方法。

例如QPSKS－CDMA等方法。

一般说来，在星座图上，相邻信号点的距离越大，判决空间也越大，抗干扰能力就越强。

QPSK在C／N＞13dB时，误码率可达

，而64QAM要在C／N＞20dB时，误码率才能达到

。

（2）采用开关法来减小噪声积累。

如采用一种消除干扰噪声的滤波器，安装在同轴用户终端口上，当用户终端CableModem传输上行信号时，打开上行通道，让上行数据信号通过，一旦发送完毕，关闭上行通道。

 （3）采用频分法来减小噪声的影响。

 由单独的光纤来传送上行信号，每个光节点可调制在不同的频带上。

这样可避免不同光节点的噪声叠加。

 （4）加强电缆，接插件的屏蔽作用以及提高施工质量以减小入侵干扰。

网络建设的质量特别是电缆网的质量将是我国在未来宽带综合网建设中的一个十分困扰的问题，应给予十分的重视。

6CATV宽带综合网的各种模式及功能发展

 CATV宽带综合网的模式有多种多样，目前也还处在试验阶段，最终市场规律将决定各种方案的生命力。

社会的实际需求，社会的实际经济承受能力在此将起着重要的作用。

如果脱离了上述两点社会因素，即使从技术角度上来说某种方案是先进的，它具有能够传输多种信号、方便、快捷、可靠性好、网络管理功能齐全，但超出了社会经济承受能力和社会需求，则也是难以推广使用的。

相反，某种方案虽然并不完美，但造价低兼，能满足当前人们最迫切的信息需要，则也是有生命力的，至少在一段时间里能得到一定程度的推广使用。

应该说目前推出的任何一种CATV宽带综合网系统都是过渡性的系统，尚不存在理想的一劳永逸的完美系统。

 围绕着提高系统性能，降低造价两方面，推出了各种各样的系统模式，在此无法进行全面介绍，仅举几个例子进行解释。

6.1数据平台与电视平台分离的模式

    对于数据传输如果正向信号都从前端发出，而反向信号又都回传至前端，则前端的设备势必十分庞大，所需的传输频带也非常宽。

会给系统造价带来十分不利的影响，也会给数据传输的速率和网络的管理带来不利的影响。

数据传输通信网络已自成体系。

骨干网的任何一点都可以切入，无需在前端一处进行。

网络中各部分，根据光节点的地理分布可以就近切入。

这样就减轻了系统负担，降低了造价，从另一个角度上说提高了数据传输的效率和网络管理功能的简化，提高了系统的可靠性。

当然对于电缆传输部分是公用的，而对光纤传输部分则是广播信号和数据信号通过不同的光纤传输即光纤网大部分同缆不同纤，也许只是到分配区的最后一段是同缆同纤。

6.2减少功能的简化系统

 从目前社会需求角度来看，最主要的是窄带数据业务，如IPPV的信令和Internet等，并且是不对称的业务。

从网络获取的信息多，而从用户端回传至网络的信息量少。

根据这种判断，有的系统用电话线作为回传反向通道。

这样实际上CATV系统实际上是一个单向传输系统，系统造价大大降低。

 当然Internet网是一个开放系统，有时用户也要传送比较多的信息至网络，如传送图像信息，有时会感到不方便。

但大多数获取信息量要比发送信息量大，在获取信息时会比以前的窄带网快捷，这种系统应该说是过渡性的，但其思路仍是值得重视的，许多宽带交互式系统信息社会的需求并不十分强烈，而提供这类宽带服务的造价又非常高。

因此上述简化的提供窄带交互式业务的综合网在相当一段时间里仍有一定的市场。

对于某些宽带业务，如数字化加密电视，VOD会议电视等对于广大市民来说并非十分需要，只是在小范围群体中有需要，可以想象广大市民要拿钱建这样的复杂系统兴趣不大，目前难以推广。

研究社会需求，简化系统结构，降低造价可能是在相当长一段时间里应该重点关注的课题。

6.3集体解码和个体解码方案

 在用户端，如每个用户都配备一台CableModem可能是一种方便的方案，但CableModem价格较高，大约需500美元左右。

一般用户难以承受。

另一种方案是多个用户配备一台CableModem，然后送入以太网，每个用户再从以太网上获取信息。

这样一台CableModem可由几十个用户甚至更多的用户分摊。

系统造价会显著降低。

因此系统的结构应根据具体情况来设计，在人口密集的城市，共用CableModem在经济上是合算的。

当然在地域上孤单的用户只能自己花钱安装设备，因为计算机网络的传输距离是有限的。

6.4IP电话新业务

    随着信息技术的发展，各种新的业务将会不断涌现。

例如IP电话在可以预见的将来会有很大的发展，将有取代现有的电话成为电话领域中的主力军的趋势。

利用分组传输模式可以利用会话的空闲时间传送其它信息并利用语音压缩编码技术把原来需要64kbps的码流压缩到大约8kbps，因而大大提高了传输效率和降低了电话费用。

相信今后在CATV宽带综合网中传送IP电话的时刻不久将会到来。

今后实现三网合一，其中电话主要不是目前的电话形式，而是IP电话。

7CATV宽带综合网的发展方向——从“频分”到“时分”

 在多路信号传输系统中，信号的复用方式往往对系统的性能和造价起着重要的作用。

信号的复用方式主要有：

空间复用方式（SDM），频分复用方式（FDM），时分复用方式（TDM）和波分复用方式（WDM）等。

其中尤其以频分复用和时分复用为最常用的复用方式，有时在一个系统中同时采用几种复用方式，以求得到较好的性能和价格比。

 在此有必要对频分复用和时分复用方式作一些回顾与展望。

（1）频分复用方式

 信号的复用方式与信号本身的性质有关，在以往的模拟信号时代，往往都采用频分复用方式，不论对电话或电视信号都是如此。

例如，直至今日，我们对模拟电视信号仍按频道划分来进行传输。

（2）时分复用方式

 对于数字信号，主要采用时分复用方式。

 信号的数字化时代已经到来，并将逐渐取代模拟信号，这是一个不可抗拒的发展潮流。

 数字技术已在通信和信号处理领域广泛应用，若图像传输也能实现数字化将有助于形成一个统一的全数字世界。

 全数字时分复用方式可以提供复杂和灵活的功能，诸如业务量集中和疏导，储存和交换，各种业务信号的混合和分插等，还可以综合所有的业务并避免了传统的VSB－AM和FM通路的固定带宽限制。

 经编码和压缩处理后的图像信号有两种基本的传输方式。

一种是建立在原有CATV网上的数字带通传输技术，即仍在频道划分的基础上，对数字信号进行载波调制。

例如采用正交调幅方式（QAM）的调制。

数字信号的载波调制方式是时分与频分复用方式的结合，是不完全的时分方式。

另一种方式是直接进行数字基带传输方式。

数字基带传输技术的基本思路比较简单，只需在网络侧和用户侧分别设置具有复用和分用功能的设备即可。

用户侧设备即为光网络单元（ONU），由ONU将光信号分用为电信号。

这种方式非常适用于双向交互型业务，诸如电话和VOD等业务。

也同样适用于单向广播式CATV业务。

 过去视频信号是用单独的链路来传输，即用CATV网来传输。

其原因是电信网的带宽不足，不能传送多路视频信号，现在SDH技术提供了足够的带宽，能为各种电信业务提供公共传输通道，其中包括广播电视业务。

 SDH的接口速率为：

 STM－1：

155.52Mbps

    STM－4：

622.08Mbps

 STM－16：

2488.32Mbps

 电视信号经MPEG－2压缩编码后可做到：

 家用电视信号：

1.5Mbps

 专业级电视信号：

4~5Mbps

 广播级电视信号：

8~9Mbps

 SDH允许接受任何数字式编码，允许把不同格式和速率的信号多工组合在一起。

 假定电视广播信息占全部信息的70%，其余作为通信用。

则STM－16可提供广播电视容量为1741Mbps，扣除5%的开销比特，用于电视信号为1654Mbps，假定平均每路电视信号为4Mbps，则一根光纤可同时传送400个以上的电视节目，并且随着技术的发展还可能增加信道数量。

有资料显示，对于配有31Gbps的光端机，其信道容量可达500以上，足以实现多路广播电视的要求。

 数字基带传输技术无需使用副载波调制，比较简单。

对信噪比的要求低，为达到10－9的误比特率，仅需21.6dB的信噪比。

而数字带通传输技术，即便采用前向纠错技术后，为达到10－6的误比特率仍需要30dB至37dB的信噪比。

因此从理论讲数字基带传输技术是最适合的方式，另外，基带方式可以直接监视基带信号，也可以接入低速支路信号，与SDH网的发展和全数字化进程相协调。

 对于双向交互式业务，数字基带方式从长远观点看应比数字带通方式经济。

 从运行维护和调整方面看，基带方式一旦投入运行，基本无需调整维护，运行成本低。

 基带传输方式的机顶盒比较简单，没有复杂的射频调谐和解调设备和前向纠错。

因而成本可能较低。

在实现了全数字方式后，估计电视接收机将有重大的改进，电路将更简单，可以省去PAL制的副载波色度信号处理电路。

在时分传输系统中，高频调谐电路和中频放大电路也将成为多余，电视信号将可以R·G·B三基色信号直接送入电子枪。

音频信号也无需FM波与调谐电路，甚至可能在显示方式上将产生重大的革新。

如果按像素进行矩阵方式显示，则将省去电真空显像管，实现超薄型壁挂式显示方式。

 在实现数字基带时分系统方面，骨干网上已具备一些条件或在不久的将来会具备这方面的条件，具体说来这些条件是：

（1）目前邮电部门已建成多条SDH通信骨干网络，可以提供数据和话音的全国联网的需求。

（2）我国广播电视总局也提出了有线电视网络规划草案，规划目标在1999年完成全国有线电视光纤联网工程。

分五个层次建网。

    第一层次为国家干线网，分东南沿海环、西南环、西北环和东北环四个环路。

 第二层次为省级干线网。

 第三层次为地、市级干线网。

 第四层次为县级网。

 第五层次为HFC接入网。

 国家级干线网传输采用SDH体制。

 实现国家级二个平台：

A平台广播电视平台：

2005年传送100套电视节目，100套广播节目,  2010年传送200套电视节目，200套广播节目。