（信号与信息处理专业论文）hfc网络上行信道监控系统的研究.pdf

摘要 摘要 h f c ( h y b r i df i b e rc o a x i a l ) 接入技术就是以现有的有线电视( c a t v ) 网 络为基础，采用模拟频分复用技术，综合应用模拟和数字传输技术、射频技术 和计算机技术所产生的一种宽带接入网技术。通过h f c 网络，用户可以使用终 端设备c a b l em o d e m ( c m ) 与h f c 网络电缆调制解调器端接系统( c a b l em o d e m t e r m i n a t i o ns y s t e m s ，c m t s ) 进行双向数据通信，接入有线电视网中，有线电视 数据网再和i n t e m e t 高速相连，用户即可在家中高速接入i n t e m e t 网。 h f c 网络采用星型和树型的拓扑结构。这种拓扑结构导致了上行信道在网 络前端处汇聚了大量的噪声，这种现象称为噪声“漏斗效应 ，影响上行数据的 传送，使上行数据的误比特率增加，严重影响用户的上网质量。所以，必须对 h f c 网络的上行信道的频谱特征进行监控，根据信道特征合理地调整载波频率 和设置光纤节点所覆盖的用户数，以保证上行信道数据通信畅通。 基于以上原因，我们设计了用于实时监控上行信道噪声和有用信号频谱的 h f c 网络上行信道监控系统。本系统主要由本地机系统和客户端软件两个部分 组成。本地机系统响应来自客户端的请求，完成上行信道中信号的测量等工作。 这篇论文主要探讨了实现本地机服务器的几种方法，并对于动态线程池方 法在本系统中的具体实现过程做了详细说明。除此之外，具体阐述了客户端 服务器数据通信协议的制定。该课题是我在实习公司实际参予的研发课题，所 以有很大的使用实用价值。目前，该系统已在部分省份电视台投入使用，效果 很好。 关键词：h f cs c p i 多线程线程池 a b s t r a c t ab s t r a c t h f c ( h y b r i df i b e rc o a x i a l ) b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yi sb a s e do n e x i s t i n gc a b l et v ( c a t v ) n e t w o r k ，u s i n ga n a l o gf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， a n a l o ga n dd i g i t a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，r ft e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h r o u g ht h eh f cn e t w o r k ，u s e r s a r ea b l et o c a r r y o u tb i d i r e c t i o n a ld a t a c o m m u n i c a t i o n s 、析mh f cn e t w o r kc a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e me q u i p m e n t ，( c m t s ) b yc a b l em o d e m ，( c m ) t oh a v ea c c e s st oc a b l et e l e v i s i o nd a t an e t w o r k ，a n d t h e nc o n n e c tt oh i g h - s p e e di n t e r n e t s ou s e r sc a nc o n n e c tt oh i g h - s p e e di n t e r n e t n e t w o r ka th o m e d u et os t a r t r e en e t w o r kt o p o l o g yo fh f c ，t h en e t w o r kf r o n t - e n do fu p s t r e a m b a n db r i n g st o g e t h e ral a r g ea m o u n to fn o i s e ，c a l l e d ”f u n n e le f f e c t ”们1 en o i s e d e g r a d e st h eu p s t r e a md a t at r a n s m i s s i o nq u a l i t ya n di n c r e a s e sb i te r r o rr a t ef o r u p s t r e a md a t a t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r yt om o n i t e rt h es p e c t r u mo fu p s t r e a m c h a n n e l ss ot h a tw ec a na d j u s tc a r r i e rf r e q u e n c ya n ds e tr e a s o n a b l en u m b e ro fu s e r s o ne a c ho p t i c a ln o d e t h e r e f o r e ，w ed e s i g nt h eh f cn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mf o rr e a l - t i m e m o n i t o r i n go fu p s t r e a mc h a n n e ln o i s ea n du s e f u ls i g n a ls p e c t r u m t h es y s t e mm a i n l y c o n s i s t so ft w oc o m p o n e n t s ，l o c a ls e r v e ra n dr e m o t ec l i e n t l o c a ls y s t e mr e s p o n d st h e r e q u e s tf r o mt h ec l i e n tt om o n i t o rs i g n a l sf r o mt h ec h a n n e l 1 1 1 i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a lm e t h o d st ob u l i dt h es e r v e r d e t a i l e dd e s c r i p t i o no n t h r e a dp o o lh a sc a r r i e do u t i na d d i t i o n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec l i e n t | s e r v e rd a t a c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t 1 1 ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e nw o r k i n gi nt e l e v i s i o ns t a t i o n s i ns o m ep r o v i n c e sw e l l k e yw o r d s ：h f c s c p im u l t i - t h r e a d e dt h r e a dp o o l i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h u n 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所专业 联系电话e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注： 是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外j 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章引言 第一章引言 第一节h f c 接入技术简介 网络技术的高速发展和网络建设的逐步完善，使得我们体验到了“信息高 速公路”的魅力。越来越多的家庭提出宽带接入的需求，因此，如何为分散在 各地的家庭提供高速的接入业务，就成为各个网络运营商和网络建设者们所必 须思考的问题。各个网络运营商希望在其现有的网络基础上做一些改造，来为 用户提供接入服务。而对于新的运营商来讲，他们希望建立一种全新的、适合 于这种特定要求的网路。于是，这些运营商们纷纷拿来了自己的解决方案，奋 勇争夺这一块美味的“蛋糕”。对于有线电视服务商而言，他们利用目前有线电 视网络已经广泛进入千家万户这一有利条件，提出了在这一网络中增加c a b l e m o d e m ( c m ，电缆调制解调器) ，为用户提供高速的数据接入和电话业务。这 就是h f c 接入技术。 混合光纤同轴电缆( h f c ：h y b r i df i b e r c o a x ) 网是在美国就用户网开放竞 争与否进行立法讨论的背景下由a t & t 公司于1 9 9 3 年底提出的一种环路方案。 h f c 网是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光 纤和同轴电缆技术、射频技术以及高度分布式智能技术的宽带接入网络，是 c a t v 网和电话网结合的产物，也是将光纤逐渐推向用户，实现f t t h 全光网络 的一种新的经济的过渡策略，它可以综合提供c a t v 和其他宽带多媒体业务。 目前，多数c a t v 公司的网络已经或正在向h f c 网发展，不少电话公司也已经 或正在新建h f c 网应付市场竞争，有些电话公司则计划将单向h f c 与宽带f t t c 相结合提供一种既能逐步演进，又有长生命力的混合接入网。 第二节h f c 网络上行信道频谱监测的重要性 h f c 网络的上下行通信采用频分复用技术。按照中国的h f c 频谱划分规范 中，上行信道使用5 - - 一6 5 m h z 这段频段中的多个2 0 0 k h z 到3 2 0 0 k h z 带宽的信 道来将用户数据通过c m 传向c m t s ；下行信道使用6 5 m h z - l g h z 的频段。h f c 第。章引言 网络的拓扑结构是星型和树型，其下行信道的传输方式为广播方式，具有良好 的传输特征和较高的信噪比，但是在上行信道中，由于采用的是星树型的拓扑 结构，因此由用户终端和电缆设备等引入的噪声在上行系统中的前端产生汇聚， 造成噪声“漏斗效应”，严重影响上行信道的性能。因此，如果想保证h f c 上行 信道数据的可靠传输，就必须了解上行信道的信道情况，检测出5 m h z 到6 5 m h z 这段上行信道中各种干扰噪声的分布以及信道质量的好坏，以此来设置上行信 道载波频率的大小。除此之外，在h f c 网络中，如果一个光节点所接入的用户 过多，也会带来更多的噪声，使得这个光节点所接入用户的上行信号质量变差， 所以通过上行信道的监控来严格控制每个光节点所接入的用户数量。 为此，我们研究并开发了h f c 网络上行信道监控系统，实时监测5 m h z 到 6 5 m h z 这段上行信道频段内的频谱特征，以根据频谱特征适时地作出调节，以 保证广大c a b l em o d e m 用户上网的速率。本系统分为主要由本地机和客户端两 部分组成，本地机中的上行监控单元主要完成频谱数据的采集和分析处理，本 地机的主控单元负责响应来之客户端的请求，并作为中间件完成客户端与上行 监控单元之间的通信。 第三节关于本文 本论文是在我在天津市德力电子仪器有限公司实习期间的实际项目研究课 题。本人主要负责h f c 网络上行信道监控系统本地机服务器的设计与开发以及 相关通信协议的制定。同时承担了大部分实际代码的编写和u i 界面的设计工作。 本文主要讨论了线程池方法如何在本系统的具体实现，s c p i 协议命令在本系统 中的具体应用等方面内容。 本论文的章节安排如下： 第一章引言简要介绍h f c 双向接入网以及h f c 上行信道监控的意义。 第二章主要论述h f c 网络结构、面临的问题以及上行信道监控系统的作用、 功能与结构。 第三章主要论述h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构。 第四章主要论述h f c 网络上行信道监控系统本地机服务器的设计与开发。 其中包括通信模式的选择，客户端管理模块以及交互数据管理模块的设计，其 中对于线程池在本系统的应用做了较为详细的比较和说明。本地机服务器同d s p 2 第，章引言 通信协议的制定。 第五章主要总结全文并提出改进方向。 3 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 本章第一节主要对h f c 网络结构、特点、网络的频谱划分及h f c 网络所面 临的问题作出了全面和较为详细的介绍。在第一节提出问题的基础上，在第二 节中，比较系统地介绍了h f c 网络上行信道系统的主要功能和结构，并为接下 来几章的具体问题的展开和讨论做好铺垫。 2 1 1h f c 网络概述 第一节h f c 网络 h f c ( h y b r i df i b e r c o a x i a l ) 网是指光纤同轴电缆混合网，它是一种新型的 宽带网络，采用光纤到服务区。而在进入用户的“最后一公里采用同轴电缆。 最常见的也就是有线电视网络，它比较合理有效地利用了当前的先进成熟技术， 融数字与模拟传输为一体，集光电功能于一身，同时提供较高质量和较多频道 的传统模拟广播电视节目、较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和 多种信息增值服务，还可以逐步开展交互式数字视频应用。 随着信息社会的到来，信息变成为人类最重要的资源，它主要表现为图像、 声音和文本( 数据) 三种形式。可以看出，信息网络的发展方向是数字化、综 合化、智能化、宽带化和个人化。虽然全数字化网络具有明显的优势，但由于 目前广泛使用的电视机、电话机都是模拟的，不能直接利用数字方式服务。现 在合理的方案应该是既能支持目前的模拟和数字服务，又能逐步过渡到今后的 全数字化服务。h f c 网就是目前世界上公认的较好方式，是解决信息高速公路 最后一公里宽带接入网的最佳方案。 h f c 综合网可以提供电视广播( 模拟及数字电视) 、影视点播、数据通信、 电信服务( 电话、传真等) 、电子商务、远程教学与医疗，以及增值服务( 电子 邮件、电子图书馆) 等极为丰富的服务内容。 h f c 网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组成部分也就 是同轴电缆到用户电脑这一段使用了另一种独立技术，这就是c a b l em o d e m 。 4 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 c a b l em o d e m ，c m ，即电缆调制解调器，又称为线缆调制解调器，是一种将数 据终端设备( 计算机) 连接到有线电视网( c a b l et v ) ，以使用户能进行数据通 信，访问i n t e m e t 等信息资源的设备。它是近几年随着网络应用的扩大而发展起 来的，主要用于有线电视网进行数据传输。【1 】 2 1 2h f c 网络的结构与特点 与传统c a t v 网相比，h f c 网络结构无论从物理上，还是逻辑拓扑上都有 重大变化。现在h f c 网基本上是星型+ 树型( 或总线) 结构，由3 部分组成， 即馈线网、配线网和用户引入线，图2 1 就是网络的结构框图。 2 1 其结构很像电 话网中的d l c ( 数字环路载波) ，其服务区类似于电话网中的配线区，它们的区 别在于h f c 网服务区内仍基本保留着传统c a t v 网的树型或分支型的总线式同 轴电缆网，而不是星型的双绞线铜缆网。 图2 1h f c 网络结构示意图 ( 1 ) 馈线网。h f c 的馈线网指前端至服务区( s a ) 的光纤节点之间的部分， 对应c a t v 网的干线段。区别在于从前端至每一服务区的光纤节点，都有一专 用的直接的无源光连接，即用一根单模光纤代替了传统的粗大干线电缆和一连 串几十个有源干线放大器。从结构上则相当于用星型结构代替了传统的树型分 支结构。由于服务区又称光服务区，因此，这种结构又称光纤到用户区( f s a ) 。 ( 2 ) 配线网。配线网指服务区光纤节点与分支点之间的部分，相当电话网中 远端节点与分线盒之间的部分。在h f c 网中，配线网部分采用与传统c a t v 网 5 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 基本相同的同轴电缆网，很多情况是简单的总线结构，但其覆盖范围则已大大 扩展，可达5 1 0k m 。因而，仍须保留几个干线或桥接放大器。这一部分的好坏 往往决定了整个h f c 网的业务量和业务类型。采用服务区的概念可以灵活地构 成与电话网类似地拓扑，从而降低双向通信业务成本。 ( 3 ) 用户引入线。用户引入线是指分支点到用户之间的线路，与传统c a t v 网完全相同。p j 从用户终端到h f c 网络总前端的信号流程可以这样理解。整个网络大致可 分为总前端、分前端、终端站和用户终端几大块。总前端即城市中心站，如北 京市网络公司；分前端即区域中心站，如海淀区网络公司；终端站即小区( 社 区) 机房，如a l 社区、a 2 社区；用户终端即各家庭的p c 机，如p c a 卜p c a 2 。 一座楼的用户终端上行信号汇聚成r f 信号，形成一个用户组，如图2 2 所示， 其中p c a l 、p c a 2 代表用户终端。 广1 r 一 阢，a 2 赡a l l 图2 2 用户组示意图 若干个用户组汇聚后，在终端站形成一路r f 信号，经电光转换成光信号， 通过光纤送往分前端。例如a 社区有若干个这样的组汇聚，在终端站内成一路 r f 信号，然后在终端站进行电光转换，由光纤送往分前端，如图2 3 所示。 6 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 图2 3 若干用户组组成一路r f 信号 一般的，一个中等以上城市有1 0 0 万户终端用户，约2 0 0 - 5 0 0 户用户构成 一路信号；一个分前端中最多有大约有1 0 0 路信号，即一个分前端有大约2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 户用户终端；一个总前端中分前端的最大数约为2 0 - - 一5 0 个。在一个分前 端内，有若干路上行光纤接入，先进行光一电变换，得到r f a 、r f b 、r f t 多路射频信号，这些多路射频信号再汇聚成一路射频信号r f a ，然后电光变换， 送入光纤，上传至总前端，如图2 4 所示。 图2 4 多个分前端信号汇聚后通往总前端 f i b e ra 等上行光纤最后接入总前端，如图2 5 所示。 7 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 f ，l b e r a 丫f 殂 e f b 、，壬池e z i 形形l哌 三r f ai 胁上踊 分频器 l cmts 王 ( i t , i 潞3 图2 5h f c 双向网络总前端 h f c 网络是一种双向共享介质系统，包括前端和光纤节点之间的光纤干线， 以及从光纤节点到用户驻地的同轴分配网络。光纤节点将光纤干线和同轴电缆 互相连接。光纤节点通过同轴电缆可以为3 0 0 5 0 0 个用户服务，这些用户共享 同一根线缆的传输带宽。与传统的树型和分支型电缆网络相比。h f c 大大减少 了前端和用户之间的放大器数目；因此，改善了信号的传输质量，提高了可靠 性。 通常，放大器故障是c a t v 网络传输中断的主要原因。采用h f c 技术构建 c a t v 网络拓扑结构的主要优点是：光纤干线上不再需要放大器，光纤的噪声干 扰较小，同时其信号衰减也很小。即便是出现放大器故障时，也只影响很少的 用户，故障定位比较容易。 为什么不存整个c a t v 网络中都用光纤，而采用光纤与同轴分配线相结合 的方式呢? 这样做的原因是：全光纤电视网络的造价太大，成本太高。所以， 具有较好的性能、成本相对较低的h f c 网络才被广大运营商和用户所接受。h f c 网络本身采用的是光纤到服务区的结构，一个光纤节点可以连接多个服务区， 而在一个服务区内，通过下引线接入的用户共享一个线缆，所以在光纤网络中， 服务区越小，各个用户可用的双向通信带宽越大，通信质量越好。然而，随着 光纤逐渐靠近用户，成本会迅速上升。所以h f c 网络才采用了光纤和同轴电缆 的混合结构。 8 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 2 1 3h f c 频谱划分 同传统的电视网络一样，h f c 网络也面临双向改造的问题。 要实现双向传输，就必须在系统中引入一条双向传输通道。一般来说，双 向传输通道可以有三种实现方式： ( 1 ) 空间分割方式：例如在全光纤网络中，利用两根光纤，一根正向传输下 行电视信号，另一根反向传输各种上行信号。该传输方式简单、方便，但不宜 同轴传输，主要是需要用两根同轴电缆传输，造价高、投资大，同时也需要改 造大量电视接收设备。 ( 2 ) 频分复用方式：它可把不同内容的信号调制到上、下两段不同的频段上 进行双向传输。 ( 3 ) 分时复用方式：利用脉冲开关控制一个脉冲周期内发送的下行信号、在 另外一个脉冲周期内传送上行信号。 h f c 网络主要采用的是频分复用方式，即为上、下行信道划分不同的频段。 图2 6 就是h f c 网络频带划分示意图 地区 北美 欧洲 中国 日本 f 1f 2f 3f 4f 5f 6 54 28 85 5 08 6 01 0 0 0 56 5 1 1 05 5 08 6 2 1 0 0 0 56 56 55 5 08 6 01 0 0 0 54 88 85 5 08 6 01 0 0 0 图2 6h f c 频谱图 以我国h f c 频带划分为例，低端的5 m h z 6 5 m h z 频率范围为上行数字传 9 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 输通道；6 5 m h z 1 0 0 0 m h z 频率范围用于下行通道，其中6 5 m h z 5 5 0 m h z 频率 范围用来传输现有的模拟c a t v 信号，每一通路的带宽为8 m h z ，因而总共可以 传输各种不同制式的电视信号6 0 路。5 5 0 m h z 7 5 0 m h z 频率范围用来传输附加 的模拟c a t v 信号或者下行数字信号。高端的7 5 0 m h z 1 0 0 0 m h z 频率范围已表 明用于各种双向通信业务，其中两个5 0 m h z 频率范围用于个人通信业务，其他 未分配的频段可以有各种应用以及应付未来可能出现的其他新业务。 为了实现用户向头端回传数据，电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) ( 以北美 频段划分为例) ，使用5 m h z - 4 2 m h z 上行信道，将用户发向头端信息调制到该 频段的某个6 m h z 宽的频道内发送，而其接收器除了能调谐出模拟电视信号， 还必须要在4 5 0 m h z - 7 5 0 m h z 频带范围内解调出数字信息。c m 对于上行信道一 般使用抗噪声性较好的调制技术，如正交相移键控( q p s k ) ，因为在 5 m h z - 4 2 m h z 这个频段上噪声干扰比较严重：对于下行信道一般选用正交幅度 调制( q a m ) 。 由于同一个服务区的用户是共享信道的，为了避免用户在上行传输信号时 发生冲突，h f c 网络必须采用介质访问控制( m a c ) 技术来控制和协调不同用 户传输的上行信息。 2 1 4h f c 面临的技术难点和问题 双向h f c 网络同时也面临许多技术难点和问题。主要包括上行信道噪声问 题，可靠性问题，安全性，以及操作、管理和维护等方面的问题。 h f c 网络上、下行传输信道是分开的，下行信道频段在5 0 m h z 以上，这段 频带具有比较好的传输特性和较高的信噪比；但上行信道频段一般在5 0 m h z 以 下，在这段频段上，噪声干扰比较大，如天线干扰、家用电器的脉冲噪声干扰 以及各种工业干扰，并且由于h f c 网络拓扑呈树枝状，在用户向头端发送信号 的同时，在用户端和网络内部产生的噪声和入侵干扰会通过上行信道在树根即 h f c 的头端处汇聚在一起，并且这部分噪声正比于接入同一树型网络的用户。 这种噪声的汇聚现象成为噪声漏斗效应，或称作汇聚干扰，这是在h f c 网络双 向改造时需要着重解决的问题。 一般认为网络噪声的来源有以下三个方面： ( 1 ) 用户家庭的噪声( 7 0 ) 。 l o 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 ( 2 ) 下引线( 2 5 ) 。 ( 3 ) 同轴设备( 5 ) 。 c m 必须根据h f c 网络的信道特征，来不断改进自己m a c 层物理层规范。 目前，对于避免和抑制噪声的主要方法有： ( 1 ) 合理设置网络结构，减少光纤节点的用户：减少h f c 网络中每个光纤 节点的服务用户数是较为彻底的解决方法，但会增加系统造价。一般来说，每 个光纤节点的用户数不超过5 0 0 户。 ( 2 ) c m 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。 ( 3 ) 采用上行通道滤波器。例如，使用高通滤波器阻止入侵干扰进入上行信 道。 ( 4 ) 采用纠错技术。采用前向纠错技术可以有效地消除脉冲噪声带来的影 响。 ( 5 ) 确保线缆设备在机械和电气方面都密封良好，避免产生侵入噪声和脉冲 噪声。 另外，在可靠性方面，h f c 分配网络中某个放大器故障会导致整个临近区 域的服务中断；而交流电供电故障，更会造成整个服务区的服务中断，所以必 须考虑对h f c 的放大器等设备提供备份电源。 由于h f c 采用了共享介质的拓扑结构，安全性问题尤为突出，比如黑客的 攻击行为不仅损害到合法用户的权益，同时还有可能会影响同分支内的其他 合法用户的正确通信。而失灵的c m 也可能会造成同一分支内的其他用户无法 正常网络。 4 1 第二节h f c 网络上行信道监控系统 从上述分析可以看出，影响h f c 网络传输质量的主要问题是上行信道的噪 声干扰。虽然可以通过各种方法抑制噪声，但是对于某些突发性噪声，例如线 路故障或用户端设备故障，以及各种家用电器产生的突发性噪声，却不能很好 的抑制；并且如何及时地发现噪声也是个问题。这些噪声经上行信道上传后， 与其他用户信号混叠，进入终端站、分前端以及总前端，对整个网络的通信质 量造成影响，严重时造成整个网络的瘫痪，这是用户所不能容忍的。 由此可见，上行信道的噪声监测、分析定位噪声来源和抑制突发噪声，已 第二章h f c 州络及上行信道监控系统 成为多功能业务稳定运行的关键问题，解决上行信道噪声问题的难点在于噪声 源出现的时间地点的突发性，往往是我们赶到机房时，或者在接入检测设备后 ( 改变了刚络的原始状态) ，故障现象又消失了。 h f c 双向通讯网络结构复杂，一旦网络 现故障，工程技术人员很难及时 找出错误的根源。这就需要一种对h f c 网络进行实时监测的系统，在不改变嘲 络运行状态的情况下，在线监测上行信道的信号状态，并可根据检测结果，进 行突发噪声定位。帮助运行维护人员及时排除网络故障。本文针对h f c 网络特 点和噪声干扰问题，主要研究和设计了一种h f c 网络上行信道监控系统，用于 监控和分析h f c 嘲络中多路用户5 6 5 m h z 上行信道的信号性能和指标，为 h f c 网络中噪声的监控提供了极大的方便。 图27 是i - i f c 网络上行信道监控系统所在h f c 网络中的位置。它被放置在 总前端或分前端的电信号端用来完成上行信道实时监控的任务。 蚕 青 帑。? 2 2 1 系统介绍 1 1n 逆。 ；i h 。= 争暑t 蠹_ 弩蕃 ，一 i 一 图27h f c 网络上行信道监控系统所在阿络中的位置 h f c 网路上行信道监控系统是一个用于监控h f c 刚络中上行信道性能指标 的强大的测试系统。通过该系统，管理员可以在内部联网的任一计算机上得到 所有上行信道的特性参数及相应的波形数据，而无需跑到各个远程站点。 奉系统采用先进的实时频谱分析技术可以对很短暂的突发噪声和侵入噪声 遑。 一 彭并叭“彭毁 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 进行捕获。这样就可以在系统发生重大故障之前发现网络中的细微问题，并进 行及时解决，从而避免了重大事故的发生。 系统服务器数据库管理系统能够存储历史性能数据和参数，可以存储多达 一年的通道信息。以此建立对故障历史状态以及发展趋势的分析，为可能发生 的问题做提前的准备。同时系统使用智能的告警管理系统，用户可自定义多种 报警门限，对每个故障的严重性进行等级，采取不同的措施。 该系统的模块化设计具有很好的可扩展性，可以根据用户网络的大小灵活 配置测试模块的数量，最大程度地提高系统初期建设性价比。同时支持今后网 络的不断扩容，保护用户的前期投资。 2 2 2 系统主要功能 ( 1 ) 通过对十几个直至上千个测试点或节点的测试，完成对电平、噪声、突 发噪声等参数的自动性能监控功能，并做出相应的统计图表。 ( 2 ) 允许多用户同时访问，并可根据系统管理员到监测工程师划分不同的用 户安全等级。 ( 3 ) 在不中断监控、告警和数据存储的前提下，可以实时的显示多个不同节 点的的频谱分析窗口。 ( 4 ) 为每一个节点提供独立的可自定义频谱监控方式，可显示每一个节点的 告警事件、持续时间等。 ( 5 ) 对于所有的节点进行自动数据管理，并且可以自动存储最多一年的性能 参数。 ( 6 ) 小于每通道1 毫秒的监控速度，可捕捉瞬间干扰。 2 2 3 系统构成 ( 1 ) 本地机系统 本地机系统包括一个系统控制器( p c 服务器) ，以及多达1 6 个频谱分析模 块的的标准1 9 寸机架式安装的控制仪器它提供本地数据存储，智能化分析， 以及通信界面等。使用基于p c i 工业标准的测量模块，每个测试模块提供8 通 道切换扫描的测试能力因此1 个系统最多可以为客户提供1 2 8 路信号的实时 监控。图2 8 为本地机系统的外观图。 1 3 第二章h f c 网络及t 行信道监控系统 6 器零雾萝 誓i j 蚕 裂筵釜蕊 ”? 篓套骶， 塞譬阏 o k 飞 囊 图2 9h f c 网络上行信道监控系统频曙分析模块外观图 此模块就象一个频谱分析仪，它能够根据用户定义的特性参数在5 - 6 5 m h z 的范围内快速的扫描每一个端口的反向通道频谱特性。同时主控系统不断的记 录数据，分析被测r f 端口故障状态。此监控处理过程一天2 4 小时连续不断的 进行数据测量、计算运行和故障状态的r f 电平测试分析。 用户可以自由定义以下特性参数进行监控：频率范围或扫描带宽( c e n t e r 第一章i - i f c 网络及上行信道监控系统 s p a n ) ；更改步进尺寸：( s t e p p o r n t s ) 分辨率带宽( r b 、 ( d e l a y ) ；视频带宽( v b w ) ：榆波方式( p e a ko r a v g ) 等。 在一个监控训划中，这些测量参数可以根据不同的端口或者 同频率而变化 f 2 ) 系统软件和服务器 监控软件是一个基于w i n d o w s 平台的软件包，主要提供用户 络通讯，参数数据库以及测量数据管理等等。本系统监控软件基一 器结构包括服务器程序和用户端程序两个部分它需要一台w i l 的p c 机作为服务器。用户端软件可以在安装在嘲络中的远端计算 脑上运行，它允许多用户同时进入系统操作。图21 0 为用户端进 果图。 图2i o h f c 网络上行信道监控系统用户端敏粜图 本章小结 通过这一章的论述可以知道h f c 网络是目前比较适合发展 第二章h f c 网络及上行信道监控系统 而网络的噪声干扰又是网络需要及时发现和解决的问题。h f c 网络上行信道监 控系统就是因此产生的。此系统除了进行网络噪声的监控之外，还提供了较好 的人机交互功能，为使用者提供全方位的监控服务。 1 6 第一章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 第三章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 本章在上一章的基础上，对于h f c 网络上行信道监控系统本地机的总体架 构和各部分做了适当的说明和讨论。本章对于系统硬件的设计做了较为详细的 说明。 第一节本地机系统结构 上行信道监控系统由上行监控单元( 1 6 个) 和主控单元( 1 个) 两个部分 组成，如图3 1 所示。上行监控单元又可以细分为射频单元和数字信号处理单元， 如图3 2 所示；而主控单元由p c i 插卡和本地机服务器组成，如图3 3 所示。 图3 1 上行信道监控系统本地机系统框图 1 7 第= 章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计集构 l j 临控单兀 i * t a 4 x l 豁p 正 崔啊! 羔胁 图3 2 本地机系统上行监控单元原理框图 一 圉3 3 本地机丰控单元原殚框图 第三章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 第二节本地机系统关键技术及创新点 3 2 1 关键技术 本地机系统的关键技术是如何实现高速a d 全场采样。 3 2 2 创新点 本地机系统相对于既有的类似产品，无论是在结构方式上，硬件采集电路， 嵌入式软件处理以及服务器软件上都有颠覆性的创新。其中： ( 1 ) 结构上，采用标准2 u 主控工控机以及5 u * 1 6 带电插拔插卡式设计。保 证系统稳定性的同时，最大程度提高系统可维护性，缩短更换时间。 ( 2 ) 硬件设计上，数据采集使用高速a d 首次实现全场一次采样以及分析。 可以捕捉顺发信号，非常适合反向c a b l e m o d e m 的b u r s t 通讯方式测量。 ( 3 ) 嵌入式软件上，f p g a 与d s p 有效平衡双方的负载，特定f f t 与d f t 算法，保证处理速度，充分发挥硬件的性能。 h ) p c i 卡软硬件设计。在硬件f p g a 上实现1 6 卡的同时并发处理，互不干 扰。软件上驱动层保证通讯稳定性，中断方式大幅提高效率。 ( 5 ) 服务器软件上，采用服务器多客户端架构。实现海量数据库存储，网络 实时波形显示，以及可扩展的智能专家系统。 第三节系统各部分功能和设计实现简要说明 3 3 1 射频单元 射频单元主要包括：主要由多路开关、低通滤波器、衰减器、可变增益放 大器( v g a ) 以及固定增益放大器等。 3 3 1 1 多路开关设计 每个测试模块提供8 通道切换扫描的测试能力。因此1 个h f c 信号监控系 统系统包括1 6 个测试模块最多可以提供1 2 8 路用户信号的实时监控。把h f c 网 1 9 第二章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体没计架构 络信号隔离监控，实时扫描，通过几十个直至上百个测试点或节点，完成对电 平、噪声、突发噪声等参数的监控功能，并做出相应的统计图表，可以及时找 到各种故障的根源。电路图中只显示出一个测试模块的8 通道电路原理图，由 图3 2 可以看出，信号进入r f 单元后经过滤波器，保证其他非信号本身干扰的 排除，经过二选一开关后汇聚为四路信号，如此类推，再经过2 个二选一开关 后，最终汇聚为一路信号完成后面的测试。也就是说，每个测试模块的8 路通 道具有灵活选择性，用户既可以看8 路通道循环扫描，也可以只看固定一路通 道信号质量情况。 图3 2 开关部分电路原理图 3 3 1 2 增益控制设计 增益控制部分主要包括低通滤波器、衰减器、可变增益放大器( v g a ) 和 固定增益放大器。由多路开关隔离出来的任意一路信号，经过6 5 m h z 低通滤波 器，由可控衰减器和放大器把信号调整到一定的比例倍数，达到安全或理想的 电_ 甲值，以便满足多端口和a d c 对电平的要求。增益控制部分电路原理图如图 3 3 所示。 第j 章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 。争 图3 3 增益控制部分电路原理图 3 3 2 数字信号处理单元 3 3 2 1a d c 选择 增加a d 转换器位数可以减少量化误差，提高a d 转换精度。但另一方面， 位数的增加直接影响数据转换速率，难以保证较高的采样频率。此外，增加a d 转换器位数造成实际系统成本的显著增加，因此在确定a d 转换器位数时应综 合考虑以上因素，本系统采用的a d 芯片是1 2 位的。 3 3 2 2 数据采集 数据采集部分主要负责控制数据采集工作，将信号采集进来通过c p l d 传 输给f p g a 做处理，其采样频率由d d s 芯片l m k 3 0 0 2 芯片提供。在本课题中， 采样频率范围是5 6 5 m h z ，根据奈奎斯特采样定理，采样频率只要大于1 3 0 m h z 即可。为了方便采样数据的算法处理以及r b w 和v b w 等方面的要求，选取采 样时钟为1 6 6 4 m h z 。此频率完全符合a d 芯片对采样时钟的要求，达到实时采 样的目的。图3 4 为d d s 时钟部分电路图。 2 l 第三章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 图3 4d d s 时钟部分电路图 3 3 2 3f p g a 电路设计 f p g a 是英文f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 f p g a 的结构主要包括l a b ( 1 0 9 i ca r r a yb l o c k ，逻辑阵列) ，i o 块，r a m 块和可编程行y o 连线。在现代的f p g a 中，一般都内嵌有p l l ，以及硬件乘法累 加器模块，利用乘法器可以完成一些高速的数字信号处理。本地机上使用的是 a l t e r a 公司的c y c l o n e l i i 系列f p g a ，。 在c y c l o n e l i i 系列f p g a 中，每个l a b 包含有1 6 个l e ( 1 0 9 i ce l e m e n t ) ， 每个l e 中含有一个四输入查找表( l u t ) ，一个可编程触发器，和一些输出逻辑。 图3 5 是c y c l o n e l i i 系列f p g a 中一个l e 的结构。【5 】 2 2 第三章h f c 网络上行信道监控系统本地机总体设计架构 图3 5c y c l o n e i i i 系列f p g a 中一个l e 的结构 l e 的全称是l o g i ce l e m e n t ，是f p g a 中最基本的逻辑单元，而它内部的查 找表( l o o k - u p t a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。当用户通过原理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，p l d f p g a 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这 样，每输入个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对 应的内容，然后输出即可。 在c y c l o n e l i i 系列f p g a 中，除了有l a b 资源之外，还有着丰富的其它资 源，表3 1 所示为本系列f p g a 各种型号所含的资源数量。 表3 1c y c l o n e l l l 系列各型号f p g a 的资源 第三