HFC回传通道的非线性失真噪声.docx
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HFC回传通道的非线性失真噪声
HFＣ回传通道的非线性失真噪声
摘要：
本文对ＨＦＣ网络回传通道的噪声作了简单的概述，并依据广州市有线电视网络上的情况，重点讨论了激光器削波和公共路径失真两种非线性失真。
NonlineardistortioninHFCnetworkReturnPath
Abstract：
ThispapersummarizesbrieflythenoiseinHFCnetworkreturnpath．AndstressesLaserclippingandCPD，accordingasGuangZhouCATVnetwork．
一、引言
如何对付回传噪声是困扰回传业务发展的主要技术难点。
作者认为，在众多的噪声分类方法中，按噪声的来源进行分类对实际工作最具指导意义，而研究噪声对通信质量的影响则按噪声的波形进行分类。
下面依据广州市广播电视网络有限公司的网络情况，对其存在的噪声进行简单的归类：
〈一〉光纤链路噪声。
目前大多数的城市都使用短距离光纤，因此主要是选购相关强度噪声较小的激光器，如IFP。
〈二〉放大器等设备的热噪声。
〈三〉侵入噪声。
（1）来自周围的空间。
通过一些密封性不好的地方侵入HFC系统，如：
松动的接头、松动的设备外壳、电缆破损或老化后屏蔽性下降、没加终端负载的分支分配、非法的线路等。
（２）来自用户家里。
主要源头是电视机、计算机、ＶＣＤ机、电机、家用放大器等设备。
为了区分这些侵入噪声对ＣＭ通信质量的影响，我们需要按这些干扰的波形进行分类：
（Ａ）脉冲噪声。
通常为人造源：
电视等家用电器的开关切换，带电机的家用电器的使用。
出现频率一般为每秒几次到几十次，它导致掉包率上升。
由于长度大的包更容易比脉冲噪声破坏，所以我们可以减少数据包的长度，同时增大FEC的能力，将获得很好的抵抗能力。
在实际的使用和测试中（BW3240和ArrisC3），采用S-CDMA方式比A-TDMA和TDMA有更强的抵抗能力。
（Ｂ）稳定的单载波干扰。
如电视图象中频泄露：
３８ＭＨZ或45.75ＭＨz（ＮＴＳＣ，出现在兼容机和改装机）；57.75MHz的开路电视信号等。
ArrisC3最新的CMTS采用电子抵消技术，能很好地识别这些幅度稳定的干扰。
此外对信号进行分割并放在几个副载波（而不是一个）上传送（OFDM技术）也是一种很好的方法。
当然，来自常见设备的泄露和稳定的空中电波的单载波干扰，最好的方法还是避开该频率。
（C）频谱比较连续的类高斯噪声干扰。
最常见的是由于电缆破损、老化、中心和外皮有短路，而接收下来的自然环境噪声。
入侵噪声是双向业务开展初期影响回传系统稳定的主要因素。
但运行一段时间后，经过各种处理的HFC回传系统开始趋向于稳定，维护人员也积累了丰富的经验，入侵噪声的影响程度开始下降，而回传激光器削波失真和公共路径失真等由系统里非线点引起的噪声变得越来越重要。
二、非线形失真的基本理论
非线性系统的输出电压和输入电压的关系可用下式来表示：
Uo=K1Ui+K2Ui2+K3Ui3+……
当输入只有一个载波时候，输出也只有其基波和谐波。
当输入信号为2个载波时，Ui=ACOSωat+BCOSωbt,代入上式并化成一次三角函数的形式：
Uo=K1（ACOSωat+BCOSωbt）
+K2[½（A2＋B2）+½A2COS2ωat+½B2COS2ωbt+ABCOS（ωa+ωb）t
+ABCOS（ωa-ωb）t]
+K3[¾A3COSωat+¾B3COSωbt+¼A3COS3ωat+¼B3COS3ωbt
+¾A2BCOS（2ωa+ωb）t+¾A2BCOS（2ωa-ωb）t
+¾AB2COS（2ωb+ωa）t+¾AB2COS（2ωb-ωa）t
+½3AB2COSωat+½3A2BCOSωbt]
式中的Ｋ１项是我们所需要的信号。
Ｋ２项为二次失真的产物：
第1项是直流分量；第２、３项为二次谐波项；第４、５项是拍频项。
Ｋ３项为三次失真的产物：
第1，2项为基本频率项，但存在幅度失真；第3，4项是三次谐波项；第5--8项是拍频项；第9，10项的为交调失真项。
交调失真是一种幅度失真，其频率仍是基本频率但却叠加了多个频道的幅度。
互调失真是属于频谱失真，如第３～８项。
三、回传光发射机削波失真
加到激光器上的RF信号足够大，在负方向上使驱动电流低于驱动门限时，将会引起削波失真。
（1） 各种信号引起激光器削波的特征
（Ａ）稳定的单载波引起的激光器削波
上图中频谱分析仪的分辨带宽是375KHz，单载波信号的频率为15.5MHz。
特征：
i） 回传通道内总功率很大，用测到的功率减去到激光器的链路损耗得出的值应该比阀值电平要高。
ii） 根据前面提到非线性失真理论，失真的产物主要集中在2次谐波（31MHz）、３次谐波（46.5MHz）等等。
iii） 高次失真产物的幅度呈指数性质衰减。
iv） 本实验中光节点使用的是５～４２MHz低通滤波器，所以４２MHz以上的失真噪声成为激光器削波的最大特征。
大多数激光器的工作带宽是５～２００MHz，对于使用５～６５MHz高分割的系统，６５～２００MHz存在非线性失真噪声是激光器削波区别于其他噪声的最明显特征。
（Ｂ）ＣＭ信号引起的激光器削波
ＣＭ信号的带宽越窄就越接近单载波时的情况，但它携带的毕竟是数字信号，回传通道里也可能有多个载波，因此其失真产物会随其带宽和载波的增加而迅速增加。
下图使用了一台Terayon的TeraLink1000主控制器（６MHz带宽，１６ＱＡＭ调制，Ｓ－ＣＤＭＡ技术）和一台Terayon的ＢＷ３２４０（３.２MHz带宽，６４ＱＡＭ，Ｓ－ＣＤＭＡ技术），在分辨带宽不高（375KHz）的测试仪表看来，失真信号已经变得很接近连续频谱了。
（C）平坦高斯白噪声引起的激光器削波
可以看作是连续频谱的多载波信号引起的失真，其失真产物应该也是连续频谱的，所以效果就是引起白噪声幅度的提高。
我们在常见的用噪声槽测激光器NPR的实验中会见到，这里省略。
（２）单载波信号引起的激光器削波对ＣＭ通信的影响
平坦高斯白噪声引起的削波没遇到过，而ＣＭ信号引起激光器削波通常是由回传光接收机损坏导致输出信号下降或者是到CMTS通路中有器件衰减偏大等原因引起，都比较容易解决。
还有就是回传通道过多的CM同时发送请求（此时是冲突状态），也有可能导致激光器削波，所以我们要均衡CMTS每个上行口的CM数。
而我们通常遇到的是单载波引起的激光器削波，因此我们只讨论该情况下的影响。
同时，以广州市广播电视网络有限公司的情况来看：
ＣＭ工作在５０dBmV，与常见信号发射器的最大功率接近；星型网络设计，每个终端损耗差异少于６dB；激光器工作点距离削波点有３dB余量。
由此看来，最常见的削波情况是刚好超过阀值几个dB浅削波状态。
在继续说这个问题之前，我想先说一下另一个与它密切相关的问题：
使激光器削波的是某一时刻加到它上面的功率（瞬时值），而我们常用的仪表测量的是信号功率的有效值而不是峰值功率。
例如一个正弦波，它的有效电压为Ｕ，则其峰值电压（瞬时值）为：
Ｕmax＝Ｕ有效值＊（２的开方）＝Ｕ＋３dB
峰值因子定义为：
２０lg（Ｕmax/Ｕ有效值），它表示信号峰值和有效值的差距。
下面是几种信号在实验中测得的峰值因子（dB）：
信号类型
正弦波
5~40MHz回传噪声块
QPSK@10Mbit/s
16QAM@20Mbit/s
测得峰值因子
3
13
9
11
实验：
在模拟现实环境的HFC系统中有一路中心频率为３３MHz、使用１６ＱＡＭ调制的ＣＭ信号和一个２５MHz单载波，并缓慢地增加单载波的幅度。
ＣＭ后面接一台笔记本电脑，查看ＣＭ发射电平同时在连续PING网关（ＣＭＴＳ）。
实验中观察到：
随着单载波干扰幅值的增大，掉包率不断上升，ＣＭ的发射电平也在不断增大，在掉包率接近１００％的时候ＣＭ仍能在线（CM上线是使用QPSK）。
继续增大单载波干扰的幅值，最后ＣＭ掉线。
（Ａ）激光器削波对ＣＭ发射电平的影响。
激光器工作在限幅状态，ＣＭ需要随着削波深度的增加而不断提高发射电平。
实例：
高讯大厦光节点覆盖的用户反映上网很慢，派分部维护人员用仪表测试反向通路，反映某些时段反向通道的增益会比正常低４dB。
查看9581SST记录，发现有一幅度很大的单载波干扰，当在线ＣＭ和测试仪表同时发信号回来时，激光器有明显的削波产物。
重新校正该激光器的工作电平并查找屏蔽该干扰后，故障消失。
（Ｂ）激光器削波对ＳＮＲ的影响。
当削波失真的谐波不落在工作频带上时，对ＳＮＲ没造成明显的影响。
（C）激光器削波对不同调制方式的ＣＭ的影响。
我们知道激光器削波发生在信号接近峰值的瞬间，持续时间教短，受影响的只是少数的几个状态。
下图比较了有噪加载和有削波工作时ＢＥＲ同为１０－４的１６ＱＡＭ的星座分布图：
从上图看到，高斯噪声使星座图的点分布半径增大。
而削波的影响是：
除了外部的几个点以外，星座图的点比较紧凑。
对64QAM来说，它的各个状态更加紧凑，削波现象更容易引起其他符号状态落进相邻的状态中。
又由于削波主要是幅度失真，所以16QAM比QPSK对削波失真更为敏感。
从上一段分析可以看到，64QAM以上的调制，对削波的敏感度很大，即使激光器在该工作点的SNR很高也没法工作。
它等效于降低了激光器的动态范围，因此我们通常不建议把激光器工作在削波以后的状态中。
（３）激光器削波时的应对措施
通过简单调整ＣＭＴＳ设置来降低激光器削波引起的影响是代价最低、效率最高的方法。
（Ａ）调低调制方式。
由于不同调制方式对削波的敏感度不同，我们可以把６４ＱＡＭ的换成１６ＱＡＭ或ＱＰＳＫ，１６ＱＡＭ的换成ＱＰＳＫ。
调低调制方式的同时也降低了CM信号的峰值和对SNR的要求，这样我们可以依据SNR进一步调抵接收电平到一个合适的值。
这种方法等效于增大了激光器的工作范围，降低输入电平，让工作点重新落入工作范围内。
（Ｂ）降低ＣＭ发射电平。
削波时，只要谐波不落在工作频道上就不会影响ＳＮＲ，因此有下面几种方式来降低进入激光器的发射电平。
i）在ＳＮＲ有余量的情况下，可以适当降低ＣＭＴＳ的接收电平或者单纯调低该回传链路的前端损耗。
ii）把ＣＭ工作电平降低的同时减少工作带宽。
工作带宽每减少一倍，可以降低CMTS的接收电平３dB而维持ＳＮＲ不变
iii）修改调制文件。
修改数据包长度和增加FEC能力，编写出新的调制文件，也可以作为一种参考。
（C）干扰信号过于强烈时，增大光节点内的回传衰减直到工作点重新落入动态范围内，为了使该光节点下的ＣＭ发射电平不变，同时应相应地增大前端射频混合链路的增益。
可以在下面三种方法中选最方便的：
降低CMTS接收电平，更换成较少的固定衰减子，提高光收机的射频输出。
经过上面的快速处理后，争取了维护的时间，派维护人员到现场查找干扰源并加以屏蔽。
（４）激光器削波的预防
正确设计回传系统的工作电平让激光器工作在最佳状态；滤掉５～２０MHz的短波信号；禁止使用或悬空回传损耗过低的终端（或对其串上一个高通滤波器）。
反向电平的设置应尽量使ＣＭ和回传激光器都工作在最佳状态：
（Ａ）回传光发射模块工作电平的确定：
下面是motorola公司提供的SG1-EIFPT的典型ＮＰＲ曲线，建议工作点设在比削波点15dBmV低３～５dB。
（Ｂ）单位增益点电平的确定：
依据分配网的损耗和业务发射机的工作电平。
广州市广播电视有限公司采用星型网设计，在40MHz位置，分配损耗少于22dB，接入线损耗2~4dB，安装CM时室内损耗5~9dB，同时要求分配网络总损耗少于33dB。
为了让CM业务有较高的抗干扰性能，应尽量使CM工作在最高的发射电平状态：
S-CDMA方式下的64QAM最高发射电平为53dBmV，回传链路会有波动所以我们留3dB余量（不同CMTS还允许有-4dB到-6dB的电平差异）。
则CM在单位增益点的电平为17dBmV。
回传业务的发展存在很多制约，因此我公司目前仅规划2个6MHz的CM业务，可能还会有一个几百K的机顶盒回传业务（假如要使机顶盒发射到最高电平50dBmV状态必须给他规划6MHz的占用带宽）。
那么单位增益点的电平为20dBmV。
（C）光节点内部反向增益的确定：
回传光发射模块的工作电平减去单位增益点电平，12-20=-8dB。
为方便调试工作，上面说到的工作电平在实际中略有修改。
前端的工作电平这里不讨论。
（D）将来增加业务时的升级：
直接减少光节点内部的反向增益。
简单地，如果将来公司要增加2个占用6MHz带宽的新业务时，只需要在光节点的内部反向路径增加3dB的衰减，同时前端的各业务设置的接收电平减少3dB。
四、公共路径失真
双向RF信号在电缆上传送，会经过很多机械触点。
当这些触点出现氧化层时会形成二极管效应，导致正向信号间相互混频，从反向通道传回前端。
对该非线性系统来说，输入信号就是正向的信号，它们有稳定的差拍信号：
8MHz、16MHz、24MHz、32MHz等，还有伴音信号与视频信号的稳定差拍：
8N±1.5MHz，N为自然数。
（1） 特征
（Ａ）波形接近每8M一个周期地重复，并且各尖峰处的频率为8的倍数。
（B）各尖峰幅度相差不大。
（Ｃ）峰值教大时，回传系统的底噪也有明显的上升。
（Ｄ）本系统使用的是5~42MHz滤波器，因此公共路径失真在42MHz以上的产物已经给过滤掉了，42MHz以上（指低分割系统）没有任何失真产物是区分激光器削波和公共路径失真的最好方法。
（２）最常见的源头
通常出现在受到腐蚀或松动的触点上，我公司的同轴网络目前主要有3种连接方式（见下图），弹片固定的方式发生几率最大，使用较差质量的螺钉固定的针头也容易发生公共路径失真。
能对ＣＭ通信造成影响的公共路径失真，一般都出现在正向信号比较强（反向信号比较弱）的连接处。
有时因光设备信号输出波动和温度变化等因素导致正向信号比正常高了几个dB，公共路径失真也随之增加，导致一些本来因损耗较大其失真信号不至于影响ＣＭ业务的点也变得严重起来。
雨季、潮湿的环境容易发生电化学腐蚀，风吹也会使部分固定不良的电缆发生连接松动，公共路径失真就是由很多这些看起来不相关的因素共同作用下产生的。
（３）防范方法
公共路径失真是由于连接点氧化严重或松动引起，因此保证所有接头清洁、牢固、防水，就能有效地防止公共路径失真。
当然，实际上要完全做到这点是非常困难的，我们通常只能多注意正向信号较强处的接头的质量。
参考文献
[1] 周庆衍，有线电视系统中的非线性失真
[2] DonaldRaskin&DeanStoneback著，张文生、周强译，有线电视宽带HFC网络回传系统
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