有线电视宽带HFC网络的噪声.docx
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有线电视宽带HFC网络的噪声
有线电视宽带HFC网络的噪声
四川九州电子科技股份有限公司副总经理祁权生
[摘要]：
HCF网络的上行汇聚噪声的解决是双向网络建设的关键。
本文在讨论了HFC网络的上行回传噪声的基础上，提出了几种抑制和解决上行回传噪声的方法。
ResolutionforuplinecolletionnoiseofHFCnetworkiskeyoftwo-waynetworkconstruction.OnthebaseofdiscussiononuplinebackwardtransmissionnoiseofHFCnetwork,thispaperprovidesseveralmefhodofsuppressingandresolvinguplinebackwardtramsmission.
有线电视HFC网络的上下行传输信道是非对称的，由于其下行信道的传输方式为广播方式，因此具有良好的传输特性和较高的信噪比，完全可以达到通信传输的技术指标要求。
影响HFC系统传输质量的主要问题是来自于上行信道的噪声。
在双向HFC系统中，由于HFC网络中电缆传输部分一般是树枝状的拓扑结构，用户至光节点信号回传共同使用上行带宽，因此由用户终端和电缆设备引入的噪声在上行系统中产生严重的汇聚，造成所谓的“漏斗效应”，从而严重影响上行信道的性能。
漏斗效应是由其网络的结构所决定的，在树型网络结构中，从用户和网络内部产生的噪声和入侵干扰在电缆网络的前端，即网络的树根处汇聚在一起，对于上行通道，各放大器产生的噪声成分全部汇聚在系统的前端，这种噪声成分正比于系统的规模，即正比于同一树型网络中上行放大器的数量。
不仅如此，各个用户终端产生和拾取的各种噪声成分也要经过上行通道汇聚到系统的前端，这部分噪声成分正比于接入同一树型网络的用户数。
这种噪声的汇聚现象就被称为噪声漏斗效应。
一、HFC网络上行回传通道噪声的来源与分类
噪声的分类分为内部噪声和外部噪声两大类。
内部噪声是由不需要的振荡，电源交流声和微音效应引起，主要是热噪声和散弹噪声干扰，其中以热噪声为主，且无法消除，称为结构噪声。
外部噪声，我们称为入侵噪声，入侵噪声的产生源是脉冲干扰噪声，辐射噪声和感应噪声三种，上行噪声的来源很多，通常可分为四种：
1、脉冲干扰噪声
脉冲干扰噪声是迭加在有线电视系统的噪声基底上的一种随机的，不可预测的射频噪声一般只持续不到百分之一秒，这种典型的随机干扰是有人造源产生的，如家用电器切换的弧光，火花，家用器械的马达转子，电锯，汽车点火装置，真空吸尘器，蜂窝电话的瞬间脉冲等，或有电线上不正常的开关装置等产生的电磁能量。
这些干扰都可能发生在低于5MHz的次低频段，但它们的谐波将延伸到反向通道的频率范围，由于这些干扰一般不会同时发生，所以对系统的影响是随机的，影响可能不会太大，一但同时发生时则影响很大。
宽带脉冲噪声，来自于所有能电弧放电或产生电磁场的电气设备以及自然噪声源，随时间快速变化，其影响是使系误码率升高。
虽然脉冲噪声的频谱不一定在反向通道内，但由于它的幅度较高，它的各次谐波也对反向通道产生影响。
2、辐射噪声干扰
辐射噪声干扰有人为的和非人为的两种，如短波电台，业余无线电台，出租车的双向通信，各种交互式通信等频率在5~30MHz内的单频连续波的干扰，它们在大气传播时通过用户终端和分配设施耦合到上行信道中，并随时间呈慢变化，造成信道容量的下降。
在5~40MHz的频段中，短波干扰是主要的干扰源。
辐射干扰是回传通道噪声的主要来源。
3、感应干扰噪声
感应噪声一般在2kHz~50kHz范围。
最明显的例子是闪电，还有高压线和配电站产生的电磁干扰和电器设备不良放电现象。
这种干扰频谱窄，虽然可能波及到回传通道，但影响不回很大。
4、内部噪声干扰
内部噪声干扰直接来自于有线电视系统组成部分，如用户终端设备，故障设备，不良接头以及电源开关等。
由于各用户的情况千差万别，在使用各种电器时，会有意无意地产生频道在30MHz以下的干扰信号和噪声，这些干扰信号和噪声一旦耦合进反向通道，便会产生干扰，这些噪声往往很难控制，且有很大的随机性和持久性。
在上述噪声中，辐射噪声干扰的影响最大。
二、克服上行噪声的主要方法
HFC双向数据网络中的噪声汇聚问题是任何一个网络建设者们都无法避免的，这是由网络的结构决定的。
但是另一方面，虽然我们无法从根本上去除网络的噪声汇聚，却可以采取种种措施来降低网络噪声对我们的影响。
由于交互式业务的开展，解决上行噪声的问题势在必行。
从理论上讲，保证系统有足够的信噪比就可以克服噪声和干扰的影响。
但在实际的HFC系统中，用户终端的回传功率是受限的，因此必须采取其它措施来解决上行噪声问题。
1、合理设置网络结构，减少光节点的用户
一般认为，来源于用户家庭的噪声约站上行通道中噪声总量的50%或更多，通过同轴电缆进入系统的约占20~30%。
因此，减少HFC网络中每个光节点的服务用户是较为彻底的解决方法，但会增加系统造价。
一般来说，以每个光节点的服务的用户不超过500户为宜。
2、采用回传通道滤波器
（1）、高通滤波器（HPF）
高通滤波器用于非双向用户的接点，可以阻止入侵干扰进入回传信道，该HPF对回传信号5~30MHz完全衰减，对大于50MHz的信号完全通过，其目的是把非双向用户与交互式业务用户网隔离开来。
HPF一般装在定向分支器上，可保证来自家用线路或电缆接点的入侵干扰排除在回传信道之外，HPF提高了信噪比，消除了一大部分非双向用户而造成的潜在干扰源。
这对网络建设的初期，交互式用户不太多时，具有较好的效果。
但HPF不能解决交互式用户自身使用回传通道而带来的噪声干扰。
为了方便使用还在HPF中设有分级的衰减器，该衰减器是为用户能接收所有回传业务而设计的，它的最大好处是均衡回传信号的电平，降低噪声电平，增加用户端的隔离，改进用户入口的阻抗匹配。
（2）、窗孔式高通滤波器
窗孔式高通滤波器是为交互式业务的付费用户安装的，这些滤波器用于在回传通道中有选择性地通过群频信号。
窗孔式高通滤波器将消除回传通道带外的其它信号。
窗孔式高通滤波器通常也设计成带衰减的形式，以避免过量的噪声和回传信号电平过高引起回传激光器过载，同时减少回传总功率，也降低了噪声电平。
（3）、带回传衰减的窗孔式高通滤波器
由于过量噪声，回传信号电平过高将会引起激光器过载，这种激光器过载也将导致完全破坏一个节点的回传信号，为此对回传信号有选择地引入6或12dB的衰减，会减少回传总功率，也降低了噪声电平。
窗孔式高通滤波器
3、采用具有较强的抗干扰能力的调制方式和合适的编码方式
a、QPSK和QAM调制技术
由于有线电视HFC系统采用的是一种模拟技术，要实现数字信号的传输，必须进行宽带调制，即称为电缆调制解调器（CableModem）的新技术。
由于在网络中数据业务传输流量的不对称性，DOCSIS1.0标准中规定：
下行信号采用64QAM或256QAM调制方式，并采用RS编码进行前向纠错，上行信号采用QPSK调制技术或16QAM调制技术，以提高系统的抗干扰的能力。
QPSK四相相移键控的调制技术具有较强的抗干扰能力。
表1列出了QPSK的误码率与信道主要指标—载噪比的对应关系。
表1：
载噪比（dB）误码率（BER）差错率/时间
1710E-4100差错/秒
1910E-61差错/秒
2010E-81差错/100秒
2110E-101差错/3小时
2210E-121差错/100天
注：
表1给出的是QPSK调制方式在1Mb/s时误码率与载噪比对应关系。
在宽带数据网络中的下行通道通常采用DVB标准、64QAM（或256QAM）的调制方式，一个8MHz带宽的频道中可传送的数据率为31.64Mb/s。
调制器可调制的状态数16、32、64、128、256等可调（由于32，128的星座图不对称，功率分配不均匀，故通常不采用这两种调制方式）。
所选的调制状态数越大，能够传输的数据率就越大，在相同压缩比的情况下可传输的节目数就越多，但系统对噪声等各种恶化因素更敏感。
相同接收条件下，调制状态数越大，所需的C/N门限也相应大一些。
载噪比与调制状态数m的关系：
C/N=Eb/No+10lgm
Eb/No为每个有用比特能量和两倍噪声功率谱密度的比率，m是每个符号的特率（对64QAM来说，m=6），通过计算可得调制状态数与C/N门限的关系，见表2：
表2：
调制码率Mb/sbs/HzC/N门限
64QAM374.628
128QAM435.431
256QAM496.134
b、CDMA调制技术（码分多址）
CDMA技术是80年代初期开始为移动通信所关注的新技术。
它的特点是可有效利用有限的频谱资源，扩大通信容量，更主要的是降低噪声，提高信噪比。
其主要技术特点是利用扩频技术，将要传输的具有一定带宽的数字信号，用一带宽远大于被传信号的高速伪随机码去调制它，使原信号得到大大的扩展即扩频，再经载波调制后发射出去，接收端则使用完全相同的伪随机码与接收的宽带信号作相关处理，还原成原信息数据（解扩），实现数字通信。
之所以采用扩频技术即扩展频谱的概念，是基于信道噪声功率与信道带宽成正比，发送时人为地扩大信息的信息量极其带宽，直到添满信息容量为止。
接收时，把人为扩大了的信息量恢复成原信道量，同时把信道带宽减少到原信道带宽。
这一过程被称为扩频信号的解扩，使信息信号的信噪比提高。
CDMA每一个频道是由多个数据流组成了总的14Mb/s的数据数率，每一数据数率流均采用格栅编码，交错编织并分布在6Mb/s的带宽内，每一数据流均使用自己的扩展（地址）码，扩频信号还使用了前向纠错和交织技术，使得数据流对脉冲噪声和窄带干扰具有极强的抗干扰能力。
c、S-CDMA（同步玛分多址）调制技术
S-CDMA被称为第二代调制技术，由美国国防部首先开发的，用来处理安全和干扰问题，该技术能把信息扩展到6MHz~10MHz，同时伴有一个编码（前向改正编码）和交织过程，并且提供不容易受噪声干扰的传输。
通过确保用户单元编码在发送上级信息时相互正交并且同步，通过使用6MHz的S-CDMA来解决宽频带的频道干扰，而不影响其它被防护频带隔离的频道。
通过提高与前向纠错编码一起传输的信号扩展和交织，信号流就不容易受到各种噪声，诸如脉冲噪声，窄带感应噪声，辐射噪声和宽带高斯噪声的干扰。
对干扰抑制可达27dB，同时允许本系统在负载噪比时运行。
通过维持正交性，S-CDMA减少了用户间的相互干扰，并增大了系统的容量。
根据国际电联电信标准部第九研究组（ITU-TSG9）1999年3月通过了J.112建议（DOCSIS：
交互式有线电视业务传输系统），基于DOCSIS1.0（或DOCSIS1.1）标准的CableModem系统，上行采用QPSK/16QAM调制方式，下行采用64QAM或256QAM调制方式。
S-CDMA调制方式目前尚未列入DOCSIS标准，但在我国部分有线电视系统中已有采用。
4、采用纠错技术
脉冲干扰的持续时间较短，通常只造成一段码流的误码率增高，所以采用前向纠错技术可以有效地消除脉冲噪声带来的影响。
为了加强抗噪声性能，一般进行数据传输时，都要对数据重新进行信道编码，以适应信道的传输。
常见的是交叉交织里德-索罗门编码，它具有理想的误码发现以及错码纠正能力。
通过设置FEC纠错参数（交叉交织深度）可以适当地调整网络的抗噪声能力。
较高的交错深度在HFC网络上提供了更多的抗噪声性能，但同时又提高了回传信息的反应时间。
表3显示了交错特性。
表3：
I（数）J（增量）64QAM/256QAM抗噪声64QAM/256QAM反应时间
8165.9μsec/4.1μsec0.22msec/0.15msec
16812μsec/8.2μsec0.48msec/0.33msec
32424μsec/16μsec0.98msec/0.68msec
64247μsec/33μsec2.0msec/1.4msec
128195μsec/66μsec4.0msec/2.8msec
5、选用优质的终端设备
在宽带网络中设备的选用是一个相当关键的问题。
设备产生的电气噪声以及信号流经设备时的离散偏移、相位偏移等都不容忽视。
在设备的选用上应首先选用低噪声、相位及频率稳定度高不易漂移的产品。
对于在线材以及无源器件（如广泛使用的分支分配器等）的选用上要选择那些屏蔽性能好、隔离度高、宽通频带的产品。
良好的设备方能保证网络的正常运行。
在有线电视数据传输系统中，采用优质的CableModem作为系统的终端设备。
优质的CableModem一方面具有自动跳频的功能，它可在设定的频段内自动寻找干扰最小的频率点来进行信号的回传，同时还能够根据线路的状况，自适应调整信号的发送速率，另一方面可以自动调整其上行输出信号的电平，以达到最佳的信噪比，并且在与之相连的计算机设备空闲时，它能够及时关断上行信号的载波，减少系统噪声的汇聚。
由于CableModem可以支持16个IP地址，因此可以对广大的家庭用户采用楼栋单元内的8~16户用户之间通过HUB连接成10BASE-T的局域网的方式作为最基本的网络单元。
这种方式HUB可有效地隔离用户的噪声，减少系统的汇聚噪声，同时也可以降低用户的成本。
网络中线缆调制解调器在初始化时，接收前端CMTS发出的控制指令，调整自己的回传输出电平；CMTS则监控正在进行注册的调制解调器的到达电平，与基准电平相比较，当入口电平与基准电平相符合时，CMTS与CM之间的电平调整结束。
网络中信号的信噪比与载噪比密切相关，而载噪比的提高，一方面与网络中固有噪声强度有关，另一方面也随着信源的输出电平强度相关。
在保持网络信号衰减量以及噪声大小指标稳定的情况下，通过调整CMTS端的反向电平输入强度，使用户端CM的反向射频输出也加大，从而提高了通道的载噪比性能。
6、提高工程建设的质量设备
网络工程的设计水平要由施工质量来体现，网络建设时必须对诸多环节加以考虑。
网络首先要注意到的是信号的屏蔽性能。
实践证明，网络中的噪声侵入，有很大一部分是由那些非屏蔽的端口引入的。
在有线台的机房中，各种低频段的噪声本来就相当高，一旦未对设备的接入端口进行处理，则此部分噪声便能够轻易进入到系统中来。
在对未用的端口进行屏蔽的同时，也要对线缆接头的制作质量进行校验，网络中不合格的接头极易引起线路噪声的产生。
HFC网络回传通道的测试和测试仪器
1、回传通道的性能参数规范
双向HFC回传通道主要传输数据信号，因此人们关心的指标就是无纠错比特误码率（BER）和频谱效率（bit/Hz）。
通信基本原理指出，对于仅仅具有加性高斯白噪声的理想信道而言，当Eb/No确定以后，达到一定BER值所要求的C/N为：
C/N=（Eb/No）×（R/B）
∴Eb/No=（C/N）×B/R
式中：
Eb：
信号的每比特能量。
No：
传输信道的噪声功率谱密度。
C/N：
传输信道的载噪比（dB）。
R：
比特率，表征传输信号的频谱效率。
B：
检波滤波器的等效噪声带宽。
以调制方式为参变量，根据上式绘出无纠错比特误码率与C/N关系曲线，就得到著名的瀑布曲线如图1所示。
从图上可以看出，对任何一种给定的调制技术，传输信道的载噪比（或NPR）越高，则其比特误码率（BER）特性就会越好。
换句话说，对任何一种给定的调制技术，如果希望传输信道（或传输设备）的比特误码率特性更好，要么增加传输信号的每比特能量（Eb），要么降低传输信道（或传输设备）的噪声功率谱密度（No）。
当然，以上分析是在理想情况下的结论，实际情况要复杂得多。
但不管是噪声、互调、振幅响应、群时延变化、回波还是侵入噪声、脉冲噪声或者正向通道信号的失真产物影响，其结果都是劣化了回传信道的载噪比，最终都是劣化了回传信道的无纠错比特误码率BER（Pe）。
从图1看出，曲线在水平轴上的位置取决于调制方式，调制方式抗噪性能越佳，则传输系统在得到相同BER值时所要求的C/N值就越小。
对QPSK调制方式，在C/N大于11dB时BER就优于10－4，C/N大于16dB时BER就优于10－9。
对16QAM调制方式则要求C/N大于18dB才能保证BER优于10－4，C/N大于23dB才能保证BER优于10－9。
显然，在回传通道的设计、调试和性能测试中，我们总是将注意力集中在比特误码率（BER）上。
在进行回传通道设计、调试和性能测试时，为了得到所希望的比特误码率，必须遵循相应的技术规范要求。
现在能够得到的技术规范有两份：
GY/T180-2001HFC网络上行传输物理通道技术规范和IEC60728－10电视和声音的电缆分配系统第10部分反向通道的系统性能
（1）。
行标GY/T180-2001中给出的上行传输通道主要技术要求如表1。
IEC60728－10电视和声音的电缆分配系统第10部分反向通道的系统性能中给出的上行传输通道主要技术要求如表2。
仔细研究表1和表2给出的参数，我们发现国标中尚有一些技术问题需要进一步研究，如：
1．在国标文本中，将侵入噪声、脉冲噪声、热噪声归为汇集噪声。
并且未计及组合互调噪声。
标准中提出的测量方法也好像不能保证实现将侵入噪声和脉冲噪声功率与热噪声功率同时可靠测量以得到标准规定的规范指标。
2．国标测量方法中还规定了一项用户端口保护隔离能力测量方法，但在技术指标中未规定要求。
从测量方法的文字描述看，该项测试是测量三态开关或用户寻址关断开关的关断能力。
这项指标实际上是产品规范的内容。
3．国标中上行最大过载电平112dBuV与回传系统各项指标有何关系？
从标准中我们还未能看出来。
IEC60728－10规定的最大信号电平114dBuV是由EMC要求规定的
（1），本标准定义的最大过载电平，考虑的是什么？
还需说明的是在表2中给出的系统性能规范是将影响网络信号传输质量的各个因素综合考虑并留有足够余量情况下的指标要求，每个限额都保证在所有这些参数同时达到规范值时能得到10—4无纠错比特误码率的安全系数。
因此表2的要求和图1瀑布曲线的理论值差异较大。
虽然以上两个标准规定的方法比较科学，但是要按照标准规定的性能测试方法进行系统性能测试既很困难，也非常耗时。
所以在工程实践中，人们采用各种各样的等效调试方法进行回传通道的调试。
表1上行传输通道主要技术要求
序号
参数项目
技术指标
说明
1
标称系统特性阻抗（Ω）
75
2
通道频率范围（MHz）
5～65
基本信道
3
标称上行端口输入电平
（dBuV）
100
此电平为设计标称值，并非设备实际工作电平。
4
传输路由增益差（dB）
≤10
服务区内任意用户端口上行。
5
上行通道频率响应（dB）
≤10
7.4MHz~61.8MHz
≤1.5
7.4MHz~61.8MHz内任意3.2MHz范围内。
6
上行最大过载电平（dBuV）
≥112
三载波输入，当二阶或三阶非线性失真产物为－40dBc时测量。
7
载波/汇集噪声比（dB）
≥20（Ra波段）
电磁环境最恶劣的时间段测量，—般为18:
00~22:
00；注入上行载波电平为l00dBuV。
≥26（Rb、Rc波段）
8
上行通道传输延时（ns）
≤800
9
回波值（%）
≤10
10
上行通道群延时
≤300
任意3.2MHz范围内
11
HUM（%）
≤10
12
用户电视端口噪声抑制能力（dB）
≥40
13
通道串扰抑制比（dB）
≥54
表2符合ES200800的（QPSK的C级）信号的系统性能规范
参数
要求
载噪比
≥22dB（BW=1.544MHz）
振幅响应（窄带）
±2.5dB/2MHz
振幅响应（宽带）
≤8dB1）
载波多重干扰比
≥22dB/1.544MHz
脉冲噪声失真
在考虑中
载波哼声调制比
≥7%（-23dBc）
回波
≤15%
群时延变化
<300ns（BW=2MHz）
频率误差
±30KHz
1）对于fmin+5MHz~fmax-5MHz频段，此处fmin和fmax分别表示回传通道的标称最低与最高工作频率。
为衰减干扰信号，在这2个频率点可能使用输入滤波器，因此这2个频段可能不用于传输信号而被排除在外。
2、回传通道的调试目的、一般调试方法和调试仪器概述
调试目的
为了使传输数字信号的双向HFC回传系统性能最佳，重要的是正确调整回传系统，使反向放大器和光电器件的工作点在噪声和失真之间得到最佳折衷。
同样，在评估系统状态时，首先必须合理设置该系统才会使其后进行的测量有意义。
系统调节的目的就是确立合适的系统增益，使得在每个反向放大组件（不是放大站回传口）输入端的数据信号电平和激励回传光发送机的信号电平均达到最佳状态。
确保回传光发送机激光器工作在最佳点、回传电缆放大器工作在基准电平、前端回传光接收机的输出电平保持恒定
（2）。
调整方法：
在工程上，有三种常用的回传通道调整方法：
反向扫频法、载波电平监视法及电平表法。
此外，还有一种等效数字信号发生器调试方法。
◆◆ 反向扫频法：
典型的回传通道调试方法是具有前端扫频接收机和远端注入监视器的反向扫频发生器法。
采用该方法,注入监视器在远端（光站或放大器回传调试注入点）送入一个5~65MHz的扫频信号，通过反向回路到达机房，机房的前端扫频接收机接收并分析该信号，处理后将测试结果打包调制到一载波信号上，通过正向通道送达远端的注入监视器RF入口。
线路上远端的注入监视器接收到该信号并解包，将信息显示在仪器的显示屏上。
所以，线路上的仪器就可直接读出注入信号在机房的结果（频响、电平等参数），进行回传通道的调试。
采用反向扫频调试法有几个好处：
●● 可以看到平坦度的突变点及空频段
●● 可以看到频段边缘的跌落。
●● 反射和反射损耗问题常常呈现为扫频响应的尖峰，因而就可能在系统调试时予以解决。
●● 具有短期脉冲扫频的现代扫频系统能够用于无干扰载波的产生并不占据连续载波所需的带宽。
●● 在线测试不影响回传通道的正常工作。
◆◆ 载波电平监视法：
载波电平监视法是在外场配置图像监视和多波群信号发生器，在前端配置频谱仪和图像调制器，用正向调制器把频谱仪的显示调制在正向频道上。
用于正向通路下传的信号可以利用频谱仪上的合成视频输出或者用电视摄像机对准频谱仪的显示器得到。
外场技术员将信号源的多波群信号注入到系统回传注入点中并用一个手持电视机观察频谱仪的显示信号。
用这种方法时要注意，必须使用足够数目的多载波信号，对于35MHz的通带至少要用四个载波，这样就可以比较精确地监视到回传系统的频率响应。
如果采用多载波发生器方法，技术人员必须要熟悉系统中的无源器件，因为某些无源器件在低端（小于10MHz频段）的响应跌落可能通过错误的调节放大器的斜率得到补偿，形成不当调节。
◆◆ 电平表
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