回传噪声的分类以及监测与预防

1、回传噪声的分类以及监测与预防吕家保 美国胜利通讯 刊登于有线电视技术09年第三期摘要：本文主要分析上行通道中的噪声主要类型，以及产生这些噪声的来源，并对各种噪声进行系统分析和预防。关键词：DOCSIS，非线性失真噪声，激光削波，公用通道失真（CPD），高斯噪声，噪声监测系统，噪声统计分析。1. 引言随着现代科技生活的不断发展,人们对网络宽带的要求也与日俱增,而作为有着强大频带资源的广电网络,也在不断的创新技术,尽可能提高服务的质量和技术水品,所以作为广电主流DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications)技术面临强大的机遇和挑战

2、, 而DOCSIS技术的成功关键就是怎样避免和降低反向噪声的侵入和干扰,所以本文通过对各种噪声的定性分析, 找到他们的各自特征, 然后有针对性的去避免和降低这些不同的干扰因素, 让我们能充分利用广电的宽频接入资源. 一般我们在分析共系统的二者关系时,首先要找到各自的特点及产生机理, 然后再分析二者的相互之间的介入关系,最后再根据需要消弱或增加某个变量以便尽量的靠近我们的目标结果, 所以,我们先说明一下DOCSIS的基本概念,然后再对噪声进行分类, 以及对每类噪声的产生机理分析,最后分析系统中怎样解决噪声危害的方案和建议。2 DOCSIS概念DOCSIS (Data Over Cable Ser

3、vice Interface Specifications),是CATV的数据业务的一个技术规范,利用同轴电缆的宽频资源进行数据业务通讯. 下行利用广播的方式,上行利用时分和频分相结合的技术,一定比例的用户共享一个上行通道, 理论上这个系统的唯一弊端是”时间片冲突”, 所以每个用户都必须在规定的时间片内发送信息. 但由于射频调制技术,所以最大的问题却是各种噪声对上行时分信号的干扰,导致系统陷入迷茫的噪声中,导致用户的上网速度变慢甚至掉线.所以,在DOCSIS系统中研究噪声问题是至关重要的,也是最难度最大的系统工程. 下面我们针对噪声来具体分析.3 噪声.噪声是来自外界和由系统内部产生的紊乱、断

4、续、随机的电磁振动，出现在屏幕上表现为雪花状的、杂乱无章的干扰。3.1 噪声机理、特性。根据前面的定义，我们大致把噪声分为二大类：n 外部噪声，主要是通过开路进入的，它包括来自宇宙空间的噪声、大气噪声以及来自地面的工业设备噪声、民用设备噪声等。n 内部噪声，分为以下几种：基础热噪声，主要是包括由电阻等无源器件产生的。散弹噪声，由于通过晶体管PN节的载流子数目随机起伏而引起的噪声。分配噪声，由于集电极电流和基极电流之间的随机分配，造成集电极电流的随机起伏而引起的噪声。闪烁噪声，由于晶体管表面清洁处理不好或有缺陷造成的噪声。交流哼声，由于电源滤波不好引起的交流声。啸叫噪声，放大器自身故障引起的啸叫

5、等 以上噪声中，基础热噪声不是我们广电所关心的，因为他是无源器件固有存在的噪声，仅与器件的温度有关，而与所传输的信号及其他因素无关。外部噪声中我们最关注的就是工业和民用的侵入噪声。它与内部噪声中的其他几种噪声组合就是我们广电系统常见的光纤链路噪声、放大器噪声，失真噪声、脉冲噪声、单载波噪声等。而目前影响上行的主要噪声就是侵入噪声和失真干扰噪声，所以下面我将分别对这两大类噪声进行详细分析。4. 侵入噪声的特性入侵噪声根据电缆分配网络来划分主要有两方面：4.1 网络内因，由同轴电缆本身引起的。电缆段屏蔽性不好，老化或光站、放大器等传输设备的故障或设置不当，让空中或其他器件的各种开路射频信号馈入系统

6、，并混进上行通道形成噪声。 这种噪声的情况比较复杂，他们一般形成的噪声是稳定的单载波噪声和噪声面很广的高斯噪声，如下图1。这类噪声可以通过频谱的统计监测来分析噪源。一旦查出是该类噪源，解决起来也很容易。所以对于新建的网络这类噪声不是关注重点。4.2 网络外因，终端用户引起的。用户私自更改线路或增加端口数，或者电视机高频头屏蔽性差、或在屏蔽差的终端附近使用家用电器等设备，都会形成插入噪声的主力军，如下图2：这种噪声大多有规律性，利用频谱监测系统观测，比较晚上和白天频谱状况，各种干扰波形都会出现。而对于毫妙级的高能量脉冲干扰，能让你的上行CM掉包率瞬间增大，而你却无法察觉，所以，该类噪声必须用精度

7、更高的毫秒级采样率的频谱分析仪才能有效捕获。而对于同时监测多个上行端口，则要求的采样精度更高。以上两类入侵噪声主要是器件或物理环境所直接或间接引起的，随着光纤段延长，电缆段缩短，加上更严格的工程规划，以及器件、电缆和工程经验的提高，理论上该类噪声会逐渐淡化和趋于稳定。 所以我们要把重点关注到网络内部信号传输过程中由于非线性失真引起的干扰噪声，而此类噪声中的公共路径失真（CPD）和激光器削波失真则是我们研究的重点。5. 非线性失真噪声在研究失真信号前，我们先简单说明一下失真的基本原理，以便后面我们理解的容易些。一般来讲放大器或转换设备中输出电压Uo和输入电压Ui的关系可用下式来表示：Uo=Uoo

8、+K1Ui + K2Ui2 + K3Ui3 + （5.1）其中Uoo为一常数，代表输出电压中的直流成分，在阻容耦合放大器中将被电容隔断，不能传输到下一级，可以忽略不计，所以上式可以简化为：Uo=K1Ui + K2Ui2 + K3Ui3 + （5.2）其中K1,K2,K3等可视为常数。K1Ui为输出电压的一次产物，它与Ui成正比；K2Ui2 为输出电压的二次产物，与Ui2成正比；K3Ui3 为输出电压的三次产物，与Ui3 成正比。 为了方便说明，我们假设只有二个不同频率的信号同时输入，即：Ui=ACOSat+BCOSbt 其中a、b分别是这三个信号载频的圆频率，A、B分别是载波的振幅，将其带入（

9、5.2）并展开，并利用三角函数简化，可得如下结果：一次产物为：K1 (ACOSat+ BCOSbt)共有二项，分别是原来二个信号的载频及其传输的视频或数据信号，是输入信号被放大K1倍的结果，没有产生失真。二次产物为：1/2K2(A2B2) +1/2K2A2COS2at+ 1/2K2B2COS2bt+K2ABCOS(a+b)t+ K2ABCOS(a-b)t其中1/2K2(A2 B2)为直流分量，1/2K2A2COS2at和1/2K2B2COS2bt为二次谐波，K2ABCOS(a+b)t和 K2ABCOS(a-b)t为二次拍频项。三次产物为：3/4K3A3COSat+3/4K3B3COSbt+ 1

10、/4K3A3COS3at+1/4K3B3COS3bt+3/4K3A2BCOS(2a+b)t+3/4K3A2BCOS(2a-b)t+3/4K3AB2COS(2b+a)t+3/4K3AB2COS(2b-a)t+3/2AB2COSat+3/2A2BCOSbt （5.3）其中3/4K3A3COSat和3/4K3B3COSbt为基本频率项，有幅度失真，1/4K3A3COS3at和1/4K3B3COS3bt是三次谐波项，3/4K3A2BCOS(2a+b)t、3/4K3A2BCOS(2a-b)t、3/4K3AB2COS(2b+a)t和3/4K3AB2COS(2b-a)t是三次拍频项，3/2AB2COSat和

11、3/2A2BCOSbt是交调失真项。根据傅立叶的分析，高次失真产物的幅度呈指数性质衰减，即谐波次数越高，其相于基波振幅的衰减越大，而且能量主要集中在2、3次谐波。5.1 公用通道失真(CPD)公用通道失真主要是一些电缆段的接头进水、松动、生锈等引起的阻抗不匹配，让电视信号在电缆内形成回波和驻波，并以规律的8M（或8M+1.5M视音频间差拍产物）的倍数等间隔插入反向通道，干扰上行业务，这是我们常见的一种失真干扰，如下图3：此类失真噪声主要形成稳定的拍频驻波信号，从频谱上非常容易判断，当众多的拍频在峰值上持续增加时就要会淹没上行CM信号，出现的症状是首先速度变慢，少数用户掉线，严重时片区内所有CM

12、断线，利用反向频谱监测系统，通过对众多上行通道频谱进行持续监测，利用现场的终端工具，在本地做频谱对比，很容易查出CPD的馈入点，及时根除隐患。5.2 反向激光削波失真激光器中的失真主要有二个来源，一个是激光器输出光功率与注入信号电流在工作点附近的非线性；另一个是驱动信号电流太大，超过激光器门限和饱和部分而产生的过调制（激光削波），前者是器件本身的特性决定的，后者才是影响我们上行通道的主要失真。激光削波产生基波外，还产生幅度较大的二、三次谐波（驻波）占据上行通道，严重干扰CM信号的正常传输。如下图4上图中频谱分析仪的分辨带宽是300KHz，单载波基频信号的频率为48.4MHz。根据前面提非线性失

13、真理论，失真的产物主要集中在2次谐波（96.8MHz）、次谐波(145.2MHz)处，本图中三次谐波幅度已经相对很弱。特别说明的是，要鉴别此类噪声，你的频谱监测系统的带宽必须设置为5200MHz。 原因之一，大多数的激光器工作带宽是5200MHz; 原因之二，我们一般用565MHz的低通滤波器，因此在65200MHz以上的存在的谐波噪声是激光器削波区别其他噪声的最主要特征。5.3激光削波产生的原因及解决办法：由于前面已经说明的削波特性，所以建议在监测上行通道频谱时要用5200MHz宽带来观测，而不要用565MHz观测，否则，激光削波会被你很容易忽略，造成故障难以定位和不能准确定性分析，导致不必

14、要的损失。下面我们就削波产生的几种原因及其对应解决方法来进行分析。原因一，CM信号发送时间片冲突，众多CM同时发送脉冲信号（REQUEST请求）造成激光器的加载电流过大。预防此类削波，一般需要通过以下方法：1. 调整CM发送电平。2. 降低CM调制级别。3. 降低光站的CM数。原因二，单载波噪声的功率不断增加，造成激光器驱动电流太大。预防此类削波，一般需通过以下途径：1. 增加光接收机前的衰减。2. 加大CM发送电平。3. 通过频谱监测统计，查出驻波馈入点。4. 增加非数据端口的高通滤波器原因三，公用通道失真CPD，也能引起激光注入功率增大，超过其饱和电流引起削波。预防此类削波，一般通过以下途径：1. 利用频谱监测统计功能查出阻抗不匹配点。2. 更换老化的接头，器件、电缆。3. 加强设备接头和有源器件的防水功能。4. 增加非数据端口的高通滤波器原因四，有源器件的损坏，增加了幅度较大的平坦高斯噪声，也能引起激光削波，预防该类削波，一般通过：1. 利用频谱统计功能，分段排查底带噪声超高的端点。2. 更换损坏器件3. 加大老的有源器件监测密度。4. 增加非数据端口的高通滤波器5. 系统监测方案以上的各种噪声，在实际运维中难度不小，而要观测到这些噪