第3章第4节有线电视网络传输系统陈柏年

第3章第4节（摘要）有线电视网络传输系统,陈柏年浙江传媒学院,2,HFC双向网络正向通道分配系统示意图,3,双向HFC的光链路,4,一、光纤和光缆（一）光纤（Fiber）,1、光纤：利用纤芯、包层的相对折射率差，对光产生一定的“壁垒”作用，从而防止光逸出的导光纤维（SiO2）石英玻璃。2、光纤的特点依靠光波（电磁波）承载信息；高传送速率，通信容量大；传输损耗小，适合长距离传输；抗干扰性能好，保密性好；轻便。,5,3、光纤的结构-四个组成部分,纤芯（光密媒质，传导光波）采用二氧化硅掺以锗、磷等材料制成，呈圆柱形。包层（光疏媒质，将光波封闭在光纤中传播）用纯二氧化硅制成，它将光信号折射到纤芯中。纤外涂覆层（一次涂覆层）塑料保护层（二次涂覆层）,6,4、光纤传输基本理论,（1）几何光学理论利用光的折射和全反射原理将光波封闭在光纤中传输。满足反射定律和折射定律。（2）电磁波动理论光纤中光的传播常数决定电磁场分布形式（模式）光纤模式数目N取决归一化频率V的限定纤芯中电磁场径向分布是准周期振荡电磁波，包层中分布是指数衰减场。当V小于某一值时，光纤中光不能传播的最短波长称为截止波长，SM光纤中截止波长是二次模LP11。,7,5、光纤的传播模式（Mode）,光纤的模式：表示光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截面的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。（1）多模（MM）光纤(Multi-modeFiber)：光纤中有多个传导模。（2）单模（SM）光纤(Single-modeFiber)：光纤中只有一个传导模（基模）。,8,6、光纤的损耗(Loss),用途：描述光信号传输能量的损失程度。种类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗参数：光纤损耗系数dB/km若光纤长L（km），输入光功率Pi（mW），输出光功率Po（mW），则=（1/L）10lg（Pi/Po）dB/km损耗系数定义：单位距离(公里)光信号能量衰减的分贝值。dB/km=（1/L）P2（dB）-P1（dB）,9,7、光纤的色散,色散：在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。输入光信号中不同频率或不同模式光的传播速度不同，不同时到达输出端，使输出波形展宽变形、失真的现象。（波形的顶部降低变平，底部展宽）色散对传输的影响：光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽；与光源的调制特性一起产生组合二次失真（CSO）,10,光纤的色散（Dispersion）,种类：模间色散、材料色散、波导色散。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。光纤三种色散的大小顺序：模间色散材料色散波导色散。参数：可用色散系数Dps/nmkm来衡量。D的定义：单位波长间隔（1纳米）的光经单位距离(1公里)光纤后的时延值。D=d/(Ld),11,8、按ITU-T建议光纤的分类,G.651-渐变型多模光纤G.652-常规单模光纤G.653-色散位移光纤G.654-截止波长光纤G.655-非零色散位移光纤,12,（二）光缆,1、光缆组成：由缆芯、护套和外护层三部分组成，多数情况下还增加有加强构件和护套等。2、基本结构：缆芯+护套（1）缆芯被覆光纤(或称芯线)：光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件：起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。（2）护套作用：护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。组成：护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。,13,3、光缆的四种基本型式,（1）层绞式：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。（2）骨架式：把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。,14,光缆的四种基本型式,（3）中心束管式：把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。（4）带状式：首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。,15,二、常用光无源器件,（一）光耦合器光耦合器：对同一波长的光功率进行分路或合路的无源器件。种类星形耦合器任一输入端口输入光可均匀地分配到所有输出端口。树形耦合器是将一路光信号分成N路光信号，也称为光分路器，一般有二分、四分等规格。技术参数：分光比、理论分光损耗、附加损耗、插入损耗、反向损耗和均匀性等。,16,（二）光纤连接器,光纤连接器：（也称光纤活动连接器、光纤活动接头）是一种用于连接光纤的器件。型号：常用XX/YY表示：XX：指活动接头的结构和形状，分有ST、FC、SC、DIN等；YY：指活动接头的端面形状，分有PC、APC、UPC等。性能：后向反射损耗插入损耗。,17,（三）光纤衰减器,光衰减器：用于对光功率进行衰减的器件，主要场合：光纤系统的指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等场合。特点：重量轻、体积小、精度高、稳定性好、使用方便等。,分类：到目前为止市场上已经形成了固定式、步进可调式、连续可调式及智能型光衰减器四种系列。,18,（四）光隔离器,光隔离器：一种顺向低损耗、逆向高损耗的非可逆无源光器件，也就是单向导光器。有些光器件，如激光二极管（LD）及光放大器等对来自连接点、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能的恶化。因此需要用光隔离器来阻止反射光对器件性能的影响。,19,四、光源与光发送机,（一）激光器1、什么是LASER？LASER是LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的英文缩写，中文是“受激辐射的光放大”的简称。激光所特有的单色性、方向性、相干性和瞬时性使得激光获得了广泛应用。激光器是光发射机的光源，也是最重要的器件。2、三种光的辐射过程受激吸收自发辐射受激辐射：最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。,20,3、有线电视中使用的三种激光器,有线电视中主要使用两种半导体激光器：InGaP/InP（发光半导体/基片材料）制作的激光二极管LD（LaserDiode）分布反馈式激光二极管DFB-LD（DistributedFeedBack-LD）用于正向。法布里-珀罗激光二极管FP-LD（Fabry-PerotLD）。用于反向。固体激光器：掺钕钇铝石榴石Nd:YAG（NeodymiumYttriumAluminumGarnet）。用于正向。,21,4、半导体激光器工作原理,半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，并利用光学谐振腔的正反馈实现光放大而产生激光。由此产生电光转换，将电信号转换成光信号。,荧光区,激光区,22,光调制方式：强度调制/直接检测（IM/DD）,23,（二）光发射机,功能：将有线电视电信号转换为光信号，并输出相应的功率以满足有线电视HFC网络各节点对光功率的要求。组成：激光器模块，配套外围电路（如光电二极管、热敏电阻、热电致冷器、光隔离器、透镜和尾纤）。分类：DFB、YAG和FP光发射机。应用：DFB、YAG：广播信道下行传输：FP：反向交互信道回传。常用的补偿措施：为提高非线性失真指标，在光发射机中需要对非线性失真采取补偿措施，有前馈补偿、预失真补偿和限幅补偿三类。,24,1直接调制光发射机,25,2外调制光发射机,26,四、光检测器和光接收机,（一）光检测器1、光检测器的作用：光/电转换（O/E）。2、光检测器的基本原理：半导体的光电效应。3、光电效应：光照射到金属或半导体上产生光电流的现象。光电流的强度与入射光成正比，从而将光强变化转换成电流强度的变化，达到将调制在光载波上的电信号检测出来的目的。,27,4、常见的光检测器PD,正型-本征型-负型光电二极管PIN-PD（Positive-Intrinsic-NegativePhotodiode）：PIN光电二极管无增益，灵敏度低，但要求偏压小，暗电流小，动态范围大，适用于高速脉冲和模拟电视的光/电转换。雪崩光电二极管APD（AvalanchePhotodiode）：APD光电二极管有增益，灵敏度高，但要求偏压高，适用于小信号检测和数字信号的光/电转换。有线电视系统中一般使用PIN光电二极管。,28,（二）光接收机,1、光接收机的作用：利用光电效应把来自光链路的光信号还原为射频电信号并加以放大为电平合适、噪声低、幅频特性平坦的电信号，送入用户分配系统进行分配。2、光接收机的结构：通常有室内型和室外型两种。室内型采用19英寸机架方式，便于上架安装；室外型有压铸铝合金外壳，具有密封、散热性好、防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰等特点，通过同轴电缆60V交流供电。3、技术性能：输入光功率：-2-3dBm输出射频电平：80100dBV灵敏度：-9dBm幅频特性：0.5dB带内不平坦度：1dB输出反向损耗：12dB,29,光接收机框图,30,（三）光工作站,在双向HFC有线电视网络的光节点上使用的室外型光接收机，不仅具有下行O/E转换功能，还具有上行E/O转换功能，已相当于一个光工作站。组成：包括下行光接收机、上行光发射机及进行网络管理状态的应答器等部分，它们都安装在一个压铸铝合金外壳内。,31,野外型光工作站原理框图,32,五、光放大器,1、分类：光放大器按原理不同大体上有如下三种类型，后两种也常统称为光纤放大器。半导体激光放大器。其结构大体上与激光二极管（LD）相同，是基于半导体激光器工作原理的一种放大器。掺杂光纤放大器。在光纤原材料中掺入其它元素，形成掺杂光纤。掺杂光纤放大器是利用稀土金属离子作为激光工作物质的一种放大器。传输光纤放大器。它是根据光纤中的非线性效应制成的光放大器。,33,2、光纤放大器OFA（OpticalFiberAmpler）,光放大器是实现光信号放大的一种新型全光放大器。光放大器直接对光信号进行放大，具有很好的“透明性”。光放大原理：在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。根据它在光纤线路中的位置和作用，一般分为中继放大、前置放大和功率放大三种。,34,3、掺铒光纤放大器性能,EDFA性能工作波长：1550nm输出功率：1727dBm噪声系数：35dB泵浦光功率：20100mW“泵浦”：通过外界不断供给能量，促使低能态粒子尽快跃迁的过程。“掺铒光纤”：在光纤中掺入铒元素的光纤，其芯径比普通光纤细。,35,掺铒光纤放大器原理和结构,36,4、掺铒光纤放大器的应用,中继放大器（LA）：在光纤线路中每隔一段距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。前置放大器（PA）：放在光接收机之前，放大微弱的光信号，以改善光接收灵敏度，对噪声要求苛刻。后置放大器（BA）：放在光发射机后，以提高发射光功率，对其噪声要求不高，饱和输出功率是主要参数。,37,掺饵光纤放大器的主要性能参数,（1）增益：在掺饵光纤放大器中，增益是描述光纤放大器对光信号的放大能力的性能参数，定义为输出信号光功率与输入信号光功率之比，以分贝表示。（2）饱和输出功率：饱和输出功率定义为一个输出功率阈值，这个阈值是光纤放大器从线性增益区变化到非线性增益区的转折点。这个转折点的增益为掺饵光纤放大器小信号增益的一半。光纤放大器应工作于饱和状态。,38,（3）噪声系数：噪声系数是衡量掺饵光纤放大器内部噪声的参数。光纤放大器的主要噪声是信号光与掺饵光纤中自发辐射间的差拍噪声，对于980nrn泵浦的掺饵光纤放大器，噪声系数的理论极限为3dB；对于1480nm泵浦的掺饵光纤放大器，噪声系数的理论极限为3.5dB。实际的掺饵光纤放大器的噪声系数大于等于4.5dB，并随输入光功率而变，信号光功率过大或过小，噪声系数都大。对于一个给定的光纤放大器，有一个使噪声系数最小的输入光功率最佳值。（4）非线性失真：非线性失真主要是由增益谱的不平坦引起的。光发射机在AM一VSB直接调制下，激光器会产生调频效应，经过光纤放大器后的输出信号光功率会产生信号幅度失真。这种失真经分析为二阶非线性失真，将导致C/CSO指标下降。,39,光波分复用WDM分类,波长间隔在10100nm，称为稀疏波分复用CWDM（CoarseWaveDivisionMultiplexing）；波长间隔在110nm，称为密集波分复用DWDM（Dense/DensenessWavelengthDivisionMultiplexing）；波长间隔1nm，称为光频分复用OFDM（OpticalFrequencyDivisionMultiplexing）。,40,六、光链路干线传输系统,41,光缆干线传输过程,一个实用的光纤通信系统，应具备光发射机、光纤光缆和光接收机三大要素。具体传输过程由光发射机（光源）将前端（或分前端）输出的射频信号转换为光信号；前端（或分前端）到光节点之间采用光缆传输；光信号送到光接收机（光探测器）还原为射频信号；在光节点和用户之间采用同轴电缆分配入户。,42,微波干线MMDS,多路微波分配系统MMDS（MicrowaveMultichannelDistributionSystem）是最典型的应用。它既可以代替有线电视中同轴电缆、光缆构成的干线系统，而与用户分配网的同轴电缆系统相连，构成一个大型的传输网络；也可以把电视信号和FM信号直接用电视机收看。由于微波信号有近似光的直线传播特性，因而有传输距离远、质量好、可靠性高等一系列优点。MMDS很容易实现点对面覆盖的广播。由于微波频段可利用频率资源丰富，所以MMDS推广具有良好的条件。,43,七、电缆用户分配网络,（一）电缆用户分配网络组成：有源器件（延长放大器、楼栋分配放大器、供电器）无源器件（分配器、分支器、终端盒、接插件等）同轴电缆。,44,双向HFC同轴电缆网部分,45,（二）同轴电缆线路基本问题实施两种补偿,静态补偿：补偿电缆对信号的衰减（放大器必须有增益使衰减的信号得以放大，提高其电平）补偿电缆引起的频率特性的倾斜（放大器中配置均衡器，对频响进行校正）动态补偿：电缆的温度变化电缆的老化变化电缆的间隔误差,46,八、射频同轴电缆（一）电缆结构,1、组成同轴电缆由内导体、绝缘体、外导体（屏蔽层）和护套4部分组成。绝缘体（电介质）使内、外导体绝缘并保持轴心重合。,47,2、分类干线电缆：其绝缘外径多为9mm以上的粗电缆，要求损耗小，对柔软性的要求并不高；支线电缆：其绝缘外径一般为7mm或以上的中粗电缆，要求损耗较小，同时也要求一定的柔软性；用户线电缆：其绝缘外径一般为5mm，损耗要求不重要，主要要求良好的柔软性。,48,3、同轴电缆性能参数,（1）特性阻抗定义：电缆处于匹配状态（即线路上无反射波）时沿线的电压与电流的比值。计算公式：Z特性阻抗D:外导体有效直径r相对介电常数d：内导体有效直径阻抗匹配：在CATV系统中，电缆的特性阻抗应尽可能和负载的阻抗相一致，阻抗失配：（1）造成信号的反射，负载功率减少，电缆的传输效率下降；（2）还会造成传输信号的畸变，使电缆图象传输出现重影，影响有线电视的传输质量。,49,（2）衰减常数,定义：=10（1/L）lg（P2/P1）dB/100m规律：衰减由内外导体的损耗与绝缘材料的介质损耗之和构成。在低频段主要是导体的衰减，频率越高，介质引起的衰减就越大。衰减的频率特性曲线：评价电缆衰减指标最有效的依据，基本要求主要是：曲线上各频率点的衰减值要达到技术指标，且越低越好。曲线越光滑越平坦越好，不得有吸收点。电缆衰减规律：和频率的平方根成正比。2dB/100m=1dB/100m（f2/f1）1/2,50,（3）回波损耗（反射损耗）,回波损耗大小对有线电视系统中图像清晰度影响较大。它主要是电缆制造过程中产生结构尺寸的偏差和材料变形，而使电缆沿长度方向上的区域特性阻抗产生随机性及周期性不均匀的现象。当电缆加上传输信号时，这些地方便会出现信号的反射。电缆内部均匀性好坏可用回波损耗LR（LossRatio）来表示：LR（dB）=-20lgdB式中-电缆输入端反射系数。回波损耗LR越大，反射系数越小，也就是驻波系数S越小，则表示电缆内部均匀性好。,51,（4）屏蔽特性,屏蔽衰减s定义：向电缆内外导体间形成的内回路（一次系统）馈入的功率P1与根据测得表面电流的最大值面计算出电缆的外导体和周围环境形成的非回路（二次系统）的最大功率P2mnx的对数比。大小：取决于电缆屏蔽前后的电磁场强度的比值。本质：屏蔽衰减越大，则表示电缆的屏蔽性能越好。,52,（5）电缆的温度特性,电缆温度系数T：描述电缆损耗随温度变化特性的参数。反映电缆损耗随温度变化的程度。单位是%/1C。一般电缆的温度系数是0.2%/摄氏度，即温度增加一度，损耗将增加0.2%。在我国的大部分地区,气温对电缆所造成的损耗变化量为5%，当电缆网较长时，电缆的温度特性所造成的影响就不容忽视。电缆衰减变化量=TTL,53,（6）直流回路电阻,回路电阻：单位长度内导体与外导体形成的回路的电阻值，单位是/km。在集中供电的电缆网络中，回路电阻会引起压降。一般电缆直径越大，回路电阻越小。电缆在使用中还要注意弯曲半径的限制和电缆老化可能对系统带来的影响。有关电缆的各种参数可参见GY/T135-1998有线电视系统物理发泡聚乙烯绝缘同轴电缆入网技术条件和测量方法。要求：通常回路电阻应小于6/km。,54,电缆其它特性,（1）屏蔽性能好，主要取决于外导体的密封程度。（2）结构反射损耗大，应大于20dB。（3）机械性能好，耐折弯，不易变形。（4）防水防潮性能好。（5）防污染。防护套尽量不采用有毒的塑料。,55,九、同轴电缆网络无源器件,分配器分支器系统输出口均衡器衰减器滤波器电源插入器负载,56,输入,输出,分支输出,分支输出,输入,输出,输出,输入,输出,60V电源输入,输入,带通滤波器,输入,输出,高通滤波器,低通滤波器,输入,输出,输入,输出,输入,输出,分配器,分支器,均衡器,负载,电源插入器,分配网络常用无源器件图符,57,1、分配器,两种作用：平均分配功率：将一路输入信号功率平均分配给几路输出(通常分为两路、三路或四路)；进行功率合成：将输入、输出端倒过来使用，可将两路信号或多路信号混合起来。,定义：将一路输入信号电平（功率）均匀地分配给若干个输出端的无源器件。,58,分配器主要指标,分配损耗（分配损失）=理论分配损耗+内部插入损耗=分配器输入口电平-某一分配器输出口电平理论分配损耗：10lg（分配路数）插入损耗：分配器内部附加插损相互隔离（隔离度）=某一分配口输入电平-另一分配口输出电平输入阻抗和输出阻抗：75欧姆电压驻波比：1VSWR2工作频率范围：51000MHz,59,2、分支器,定义：把一路输入射频信号分成一个主路和几个支路输出的无源器件。,60,分支器的类型,根据分支端数目划分：一分支器、二分支器和四分支器。根据外部结构分为：分支器和串接单元两类。,61,分支器主要指标,分支损耗（分支耦合损失）=分支器输入口电平-某一分支输出口电平插入损耗（接入损失）=分支器输入口电平-分支器主输出口电平反向隔离度=某一分支口输入电平-主输出口电平相互隔离度=某一分支口输入电平-另一分支口输出电平分支器的技术参数必须符合GY/T137-1999有线电视系统用分支器和分配器（5-1000MHz）入网技术条件和测量方法中的要求。,62,3、均衡器EQ,均衡器EQ：对电缆所产生的负斜率进行补偿的无源器件。均衡量两种表示方式：直接标注高低频参考点的损耗分贝差；标注当量均衡值。某段电缆的斜率等于其电长度除以系数=1/1-(fL/fH)1/2，式中fL是低端频率，fH是高端频率。,63,均衡器的主要技术参数,（1）均衡值。有两种表示方法：均衡量：表示工作频带内下限频点与上限频点间均衡量的差，以dB表示；采用不同的均衡量，可以补偿不同电缆长度的衰减。当量均衡量：工作频道内上限频点处的损耗的分贝值，一般等于放大器的增益，实际上考虑余量后常取放大器的增益-1.5dB。（2）反射损耗。衡量端口匹配程度好坏的指标，反射损耗越大，端口匹配程度越好。（3）均衡偏差。工作频段内，规定频点处的实际均衡值与理论均衡值之间的差值。均衡偏差越小，补偿效果越好。（4）接入衰减。上限频率衰减量。,64,4、系统输出口（用户终端盒）,系统输出口：提供有线电视系统与用户设备连接接口的无源器件。作用：通过用户线与电视机连接。不仅提供广播电视业务、数据广播业务，还用于开展双向网络等交互业务。三种类型：单输出口（TV）、双输出口（TV、FM）和带数据口的三输出口（TV、FM、DP）。需要采取安全隔离措施：一般的做法是用耐高压（2000V）的隔离电容将用户的电视机和分配网络隔离。要求：尽可能采用合金压铸外壳、全密封、标准F型端口输出结构，电磁屏蔽能力大于120dB。,65,5、接插件（电缆接头）,接插件：将网络中的各种设备、器件和电缆连接在一起的装置。结构：插座：装在面板或底座上的被动连接部分，插头：与插座相配合的带有连接螺母或锁紧装置的主动连接部分。阻抗：75。要求：任何不良的接插件，都将导致严重的故障，对接插件的质量和施工工艺应非常重视。类型：各种电缆都有与之配套的电缆接插件。对不同规格的电缆产品应使用相应配套的接插件。,66,接插件的主要技术参数,（1）插入损耗。指接插件入端的信号电平与出端信号电平之差，单位是dB。（2）反射损耗。反映接插件的阻抗匹配程度，数值越大越好。种类：F型接口：与室内器件连接；针型接口：与野外馈电器件连接。,67,十、放大器,1、放大器的作用：在满足载噪比和非线性失真指标的前提下，尽可能地把输入端的低电平信号放大到所需值。放大的本质：“复制”放大的特点：以小控制大，增益G（dB）0；完成功率转换任务。输入、输出波形相似。,68,2、根据放大器功能分类,I类放大器：具有ALC（AGC、ASC）的双导频长距离干线放大器。II类放大器：具有AGC、单导频的中距离干线放大器。III类放大器：具有MGC、MSC的近距离放大器。,69,目前主要使用的两种放大器,在光节点用户小于500户的双向宽带HFC用户分配系统中，所用的放大器主要是用户分配放大器（楼栋放大器）和延长放大器。用户分配放大器（楼栋放大器）电缆传输最后一级放大器，主要用于在进入无源分配前将射频信号进行放大，补偿前级由于分支、分配、电缆衰减对射频电平的损耗，使用户终端输出电平符合要求。延长放大器将电平提升，补偿光节点至用户分配放大器电缆线路的传输损耗。,70,3、放大器的主要技术参数,（1）最小满增益：带AGC的放大器，用手动调整到最大输入时所能得到的增益。（2）频率范围：以放大器最小满增益定义的有效工作频带。双向HFC网络中使用5750MHz、5860MHz双向放大器两种。（3）带内平坦度：放大器在工作频带内最高、最低幅频响应电平相对于基准频率点电平变化量，单位是分贝（dB）。（4）标称增益：也称典型工作增益，指在合适的自动电平控制和标称输入电平条件下，放大器输出电平与输入电平的差值，单位分贝（dB）。（5）标称输入电平：满足放大器性能参数的输入电平范围内的中心点电平，通常由放大器制造商给出。,71,放大器的主要技术参数,（6）标称输出电平：在标称输入电平和标称增益下放大器的