面向数字化传输的新一代HFC城域网

1、面向数字化传输的新一代hfc城域网作者简介： 张中  四川九州电子科技股份有限责任公司技术部主任  高级工程师，梁小军  四川九州宽带网络有限责任公司工程部主任，高级工程师 摘要： 本文论述了目前有线电视城域网的构建，介绍了大中型城市宽带综合接入网中构筑模式，重点论述了目前网络条件下模拟电视、数字电视和数据交互业务的开展，详尽介绍了qam调制后数字信号在hfc网中传输新的技术参数，并对今后数字传输条件下网络构筑提出建设性意见。 一、 新一代hfc接入网概述        中国近几年有线电视网络业务得到飞速

2、发展，数字电视、互联网hfc接入、会议电视、nvod业务已成为有线电视网络重要业务。        在网络业务迅速发展的推动下，中国有线电视的基础网络设施建设也得到了迅猛的发展，电视信号对人口覆盖普及率已经达到94%，有线电视单向网面临被淘汰，有线电视网络展开了全面的双向网重建，注入了全新的组网理念，在智能hfc双向宽带网与用户的接入网方面取得了很大成功，反向汇聚噪声在技术上得到了很好的控制，真正实现了有线电视网络智能化和可控管理，提高了有线电视网络商业运营的稳定性、可靠性，保障了有线电视用户的qos服务质量品质，减少了用户故障维修服

3、务时间。        同时有线电视增值业务收益迅速上升。2001年中国有线电视网络业务收入中电视业务收入占了95%以上，现在，2004年多功能业务开展较好的网络平台上，多功能增殖业务（含数字电视）的收益已经接近普通模拟电视业务的收益，使一个简单的hfc单向网上升到一个全新的基础网交互运营平台hfc双向宽带智能网。        目前是广电行业数字化发展的高潮，随着双向hfc网络的发展，网络可以为用户提供多种综合信息业务服务，如模拟广播、电视；数字广播、电视；电视点播（vod

4、、nvod）；ip电话；数据通信等多种业务，传输的内容将逐步形成以qam调制的数字信号为主，远期将完全实现传输内容的数字化，围绕数字化进程，业界内外引起不小的波动，网络结构和要求将出现重大的变化，我们关注的系统指标也比原有的指标有所变化，下面针对这方面做一些介绍。 二、 建立真正意义的接入网 早期的有线电视业界，并没有接入网这个名词，自从将广播电视与数据通信结合在一起组成一个宽带综合网以来，近期接入网的说法才在有线电视业界普及。 近些年来，国际电信联盟标准部(itut)已经正式采用了用户接入网(简称接入网)的概念。 这是一个适用于各种业务和技术，有严格规定并以较高的功能角度描述的网络概念。 &

5、#160; 完整的全国有线电视网可以划分为三部分，即：       核心骨干网：节目平台到各省节点以上部分，即覆盖全国的sdh骨干       中继网：即省节点与服务平台市前端之间的部分，即省sdh网       接入网：即市前端至用户之间的部分        目前国内已经把核心骨干网、中继网合在一起称传输平台，国际上倾向于将其称为核心网(core network)或转接网(transi

6、t network)。相对于核心网而言 ，余下的部分称作用户接入网（服务平台），它主要完成使用户接入到核心网的任务，两者的环境、业务量密度以及技术手段有很大差别，下图对接入网在整个网络中的位置有一个清楚的表述。       catv宽带综合网中既传输模拟广播电视信号，又传输数字交互式通信信号，从上面接入网的定义可知。所谓接入网，目前只对数字通信而言的，因为模拟广播电视信号，只有单向的分配信号的任务，而且绝大多数是本地前端产生的信号。也就是说对电视信号谈不上接入网的概念 。只是通信信息可以从internet网上获取信息和发送至internet网。

7、广电系统已建成完整的sdh网。从数据通信角度上说catv宽带综合网(hfc网)已经是全国性数据网的接入网，往往是不对称带宽配置是宽带通信。下行频带宽获取的信息量大，上行频带窄需发送的信息量小。   只有当全国光纤catv的sdh网完全投入使用，上百套电视节目可以取自sdh网而无需由卫星接收或由本地前端来产生时，hfc宽带综合网，才是完全意义上的全国catv网的接入网。 真正的catv接入网将具有相当多的优势：       1、 节目质量进一步提高， 节目接收不再有接收门限等技术参数限制，雨衰、太阳风等自然现象不再影响到信号质量。 &#

8、160;     2、 核心骨干网的工作可靠性将进一步提高，sdh网强大的自愈能力，当其中一条链路出现故障时，可以迅速地改变路由，从而大大提高了sdh网的可靠性，再不会出现由于某个卫星失控面而全国中断信号的情况。       3、 核心骨干网成为双向网，总节点可以随时掌握下面节点的运行情况，配合网管系统对下面节点进行进一步的管理，下面节点也可随时反馈信息，要求总节点作相应调整。      4、 核心骨干网对支持多种业务的支持，可以使图象、话音、数据可运行在同一条信息

9、高速公路上。      5、 对以后大面积开展vod业务提供了技术上的可行性。 三、 新一代catv宽带综合传输网系统的频谱设置         catv宽带综合网中既有模拟信号又有数字信号，两类信号的处理方法上是不同的。实际上整个系统由两部分信号通道按频分方式混合而成。        双向模拟信号通道以模拟电视信号为代表，当然还包括fm声音等，我国大多数catv系统已经采用65mhz为上下行信号的分割点，其组成及各部分的功能

10、已为人们所熟悉，在此不再讲述，与单纯的双向模拟传输网不一样，数字化传输的catv信号内容包括有数字电视信号、cable modem上下行信号、网管信号，电平、频谱设置更复杂，也有很多不同特点。         国家广播电影电视总局科技司的有线数字电视频道配置指导性意见中规定了在有线电视分配网实现整体数字化过程中的频道配置，在特殊情况下模拟与数字电视广播共存期间的过渡策略，以及上、下行频道的配置意见，为平稳实现有线电视分配网络模拟向数字技术全面转换提供频道配置的指导性意见。     &#

11、160; 有线数字电视频道配置指导性意见中有线数字电视下行频道的配置建议如下图所示。为便于标识，本文中采用a,b (b1，b2)、c(c1、c2)、d, e作为频段标号。        在不具备专门线路传输数字电视信号的地区，可根据要求同时传送模拟和数字电视广播信号供分配网络使用，分配网络的频道配置可按以下原则配置：       、按照相对完整的频段划分模拟、数字业务将有利于减少模拟和数字频段之间的邻频干扰，并且便于在系统中相对独立地处理模拟和数字电视频道。  &#

12、160;    、a频段早期可用于传输模拟电视业务,全数字化后仍传输数字电视信号。       、d频段用于传输数字电视业务。       、各频段的数字化优先顺序为:            最先数字化：b2、d, c2           其次数字化：b1、c1  &

13、#160;        最晚数字化：a       、上行频道的配置仍按照gy/t 180-2001hfc网络上行传输物理通道技术规范文件的规定。 四、 数字化传输catv网的技术指标及网络结构        dvb-c传输系统用于通过有线电视（catv）系统传送多路数字电视节目。dvb-c传输系统基于前向纠错编码（fec）技术和qam调制技术，可保证传输业务的可靠性。dvb-c系统设计的性能指标可保证在传输信道的

14、误码率为10-4的情况下正常工作，目前的技术水平可将误码率降低到10-1010-11的水平，即达到“准无失真”的水平。        为使有线电视系统传输高质量的电视节目，必须满足一些系统指标的要求：如载噪比（c/n）、交扰调制比（cm）、载波互调比（im）、复合三次差拍比（ctb）、复合二次差拍比（cso）。其中对系统影响最大的是载噪比和复合三次差拍比这三项指标。        我国的数字电视传输标准已出了很多，但是对数字信号qam调制以后的指标传输还没有提出量化数据，都未

15、对有线数字电视广播频道的传输技术参数提出要求，并在文件中提出这是考虑到一般条件下数字信号的传输要求比模拟信号低，因此在模拟有线电视网过渡到数字电视时，不作频道本身的技术要求，只提出严格执行gy106一1999有线电视广播系统技术规范是十分重要的技术保证。         在目前新的形势下，各地数字电视的发展势头非常迅猛，数字电视发展步伐明显加快，很多地方已经提出整体平移的方案，部份地方已出现全数字信号的网络，再按传统的设计思路来设计有线电视catv网已不合适，这里我们引用iec国际电工委员会、docsis标准中的参数来对新网

16、络的技术能数设计作一些说明：        1. 数字信号的下行传输指标 表1：docsis、iec标准与catv国标对下行rf信道的传输特性指标如下： 参  数docsis标准iec国际电工委员会gy106一99(模拟)有线数字电视系统用户终端接收机入网技术条件和测量方法频率范围91860mhz88860mhz85mhz1ghz110855mhzrf信道间隔6mhz或8mhz6mhz8mhz8mhz电平(db)5577476760805080最大电平差相邻 33 任意 1310 调制

17、误差率(db) 30  误码率 10-4  载噪比35db31db43db28db（接收机）cso50db 54db ctb50db 54db 交流哼声-26dbc(<5%)-26dbc(<5%)3% 相位抖动 +5°/-5°  射频载波相位噪声 -50/-70(db/hz)        2. 数字信号的电平    

18、;   有线电视网络中的信号电平通常是指调制后的载波电平。信号电平低，容易出现噪声和干扰；信号电平高，容易出现削波和非线性失真。        在电缆数字视频广播(dvb-c，digital video broadcasting-cable)中使用正交幅度调制(qam，quadrature amplitude modulation)对信号强度描述时，使用数字信号电平的概念。         数字信号电平定义为：在有效带宽内所选射频或中频信号的均方

19、根值(rms)功率。       模拟信号的载波电平与带宽无关，数字调制信号却与带宽紧密相关，因而数字调制信号电平在频谱仪上不是由测量仪器直接读出，而是要考虑等效信号带宽、仪器的分辨带宽和修正系数，然后从计算得出，所以具体的数字信号电平还与符号率、qam调制数有关，        数字传输的峰值功率比平均功率高610db，在电缆电视中为了防止放大器的压缩和降低互调干扰产物.要求通过调节峰值功率来降低平均传输功率。数字调制信号电平可比模拟调制信号电平低10db左右。  

20、0;    通常情况下前端调试时数字电视电平比模拟调制信号电平低6db左右，在用户端数字电视电平会比模拟调制信号电平低1015db左右。       3. 载噪比(c/n, carrier to noise ratio)       载噪比的大小与有线电视信号质量有密切关系，其值越大，图像和声音的质量越好；相反，信号质量就越差，模拟电视的屏幕上就会出现“雪花”干扰，数字电视就会出现码赛克，严重的会出现静像。      

21、; 载噪比是指己调制信号的平均功率与加性噪声的平均功率之比。它们以对数的方式来计算，单位为db。其表示式为：       c/n=101g(载波功率/噪声功率)=201g(载波电压/噪声电压)        在catv系统中，载噪比指标反映了系统内部产生的噪声对电视图像质量的影响。为了限制噪声的干扰，保证一定的载噪比，就必须按指标要求限制系统内部放大器的级联数量。载噪比的大小直接影响到用户收看电视节目的图像质量，载噪比越大，电视图像的清晰度就越高，我国将电视图像划分为5个等级， cat

22、v系统的图像质量要达到4级以上，载噪比是4046 db， 模拟传输时hfc网络的下行通道的载噪比国标要求43db，而docsis标准对cmts系统的载噪比要求是35db，iec在数字传输系统中载噪比要求是31db ，而在广电总局«有线数字电视系统用户终端接收机入网技术条件和测量方法»中，数字电视系统用户终端接收机要求接收机在载噪比28db能进行正常接收，所以，我们在全网传数字信号的情况下可以大胆的降低载噪比c/n的设计值，在充分考虑余量的情况下，建议按c/n38db设计hfc系统。       4. 比特误码率（ber） &

23、#160;     误码率是数字传输系统中特有的指标，它是通信系统的有效性和可靠性通常是衡量通信系统的优劣程度的重要指标。对于数字通信系统来说，从信号传输角度看，有效性主要是指传输速率，即比特率和波特率；可靠性主要是指传输的差错概率(俗称误码率)，即比特差错率和码元差错率。差错概率越小，可靠性越高。       实际上，用户对一个数字通信系统性能的最终要求通常远比模拟通信系统简单，最终的要求只有误码率。因为数字通信系统只要所传输的码字不发生错判就不会造成信息丢失，其他方面(如信号波形等)的失真都是无所谓的

24、。       误码率是指在经过通信系统的传输后，送给用户的接收数字码流与信源发送出的原始码流相比，发生错误的码字数占信源发出的总码字数的比例。对于二元数字信号，由于传输的是二元比特，因此误码率称为误比特率(ber)：       ber=错误比特数/传输总比特数       根据iec国际电工委员会的要求，误码率10-4，同时也考虑到目前对数字电视的误码率，我们通过前向纠错技术（fec），可以在实际误码率10-4的情况下，获得的10-10相对误

25、码率，我们一般假定ber =10-4是数字有线接收机的门限值。       通过射频载波电平和噪声电平，可得到c/n与ber的一一对应关系值，由图可见，64qam在理想状态下上ber=10-4时，c/n =23.62db，实测载噪比门限在27db左右，实际上，除了c/n值对误码率的影响，其它指标对误码率也有影响，此处的测试数据，是在其它条件充分优良的情况下得到的，再加上3db裕量，实际系统的载噪比应达到30db以上，所以iec对数字系统载噪比要求为31db是合理的。       5. 非线性失真

26、对数字电视系统的影响       在catv系统中，由于有源设备的使用和传输频道数量的增多，产生了非线性失真。尽管在有源设备中采用线性良好的晶体管和集成电路模块，但设备的输入输出特性仍不是绝对的直线，因此，非线性失真始终存在于有源设备中，这种失真会造成电视画面失真，如产生条纹和重影，影响模拟电视图像传输的质量和传输的距离。       在广电总局«有线数字电视系统用户终端接收机入网技术条件和测量方法»中，数字电视系统用户终端接收机要求的ctb、cso未作要求，包括iec国际电

27、工委员会也未对此作出要求，只有docsis标准提及ctb、cso50db，这也是针对cable modem而非数字电视接收机，实际上，非线性失真对于数字信号可以造成数字误码率的提高，由于数字广播系统近年才开始普及，对其影响研究不是很多，在此我们引用摩托罗拉公司的研究成果如表2       表2：不同非线性失真（c/n、ctb）下的数字信号误码率        ctbc/n60db55db51db50db45db55db1.0×10-101.0×10-101.9

28、15;10-96.1×10-86.2×10-550db1.0×10-101.0×10-101.9×10-96.3×10-86.7×10-545db1.0×10-101.0×10-105.8×10-81.1×10-78.9×10-540db1.0×10-104.8×10-91.4×10-75.1×10-78.6×10-535db3.5×10-66.1×10-61.4×10-52.3×10-

29、5（合格）        从表2中可以看出，好的系统载噪比和ctb可以满足数据无损失传输的要求，用户的ctb劣化可以严重影响到数字电视系统的指标，此表也证实，满足gy106一99的系统完全可以传数字电视信号。       根据iec国际电工委员会的要求，误码率10-4，我们可以在ctb=50db、c/n=35db情况下获得可用的信号质量。        综上所述，我们在全网传送数字信号的情况下可以比模拟传输系统降低c

30、tb、cso的设计值，如果留1 db余量，按ctb、cso51db设计hfc系统，这样，在ctb、cso的设计中比以前的传统设计参数中宽松了4db。        6. 调制误差比(modulation error ratio,mer )        调制误差比定义为矢量幅度的有效值与误差幅度的有效值的比值，以分贝（db）表示，iec给出的要求mer30db 。       调制误差比包含信号的所有类型的损伤，例如各种噪声、

31、载波泄漏、iq幅度不平衡、iq相位误差、相位噪声等。  mer的测试结果反映了数字接收机还原二进制数码的能力，它近似于基带信号的信噪比snr.，测试中mer通常可由星座分析仪直接读出。        7. 全数字化catv网的技术指标应用分析        电平、c/n、ber、mer和ctb、cso等指标是catv系统非常重要的指标。它们的高低直接影响用户接收的电视图像质量的好坏，一个设计优良的catv系统，这些指标必须达到或超过标准要求，但过高的要求也会带来成本

32、的不必要上升，针对前面论述，我们认为对全网只传输数字信号的hfc系统的技术指标：        1、 对于普通hfc城域网，光接收功率的最佳值将是 5 dbm左右，而不是现在流行的 1 dbm。       2、 建设具有三级光链路的hfc网将是可行的，不存在通常认为的指标紧张的情况。       3、 由于技术指标的宽松，200公里甚至以上的超长距离1550nm传输将成为现实。     

33、0; 4 、 伴随相关技术的进步，直接调制的1550光发射机在将来会成为主流，反过来，又会推动光纤到户的实现。       五、 结束语      电视广播从模拟向数字过渡是项长期的任务，数字电视系统除自身的技术难题外，所涉及系统结构、传输的技术越来越多，需要专业化的系统集成，数字电视的出现将对电视行业产生巨大的影响，传播技术数字化革命不只是引起传输内容的变化，也会带来hfc传输系统结构的变化，甚至引起社会传播结构的大调整，传播系统的新配置将促使媒体的融合，这种融合完全有可能发生在电视与其它媒体（如电信、

34、电脑网络）之间，在今后将改变现有电视广播系统结构和运营模式，对广大电视工作者提出新的挑战。 为了方便计算和测量，我们经常使用电平表示信号的强度。电平的概念是在指定频带范围内、特定的阻抗条件下的信号功率（能量）的概念，与在时域条件下指定频带范围内、特定阻抗条件下的信号功率（能量）强度是一致的。有线电视对模拟信号的电平测量，是在规定的带宽（300khz）对模拟电视信号的载波用场强仪的测量的结果是基本正确的，因为电视载波集中了信号在频道内的主要能量（超过98），所以我们可以认为对于载波的测量代表了信号在测量频道内的电平值。由于没有注意这是在300kc带宽条件下测量值是代表电视信号在电视频道内的全部功

35、率（能量）的概念，习惯地将频谱仪上的频谱图形最高点误认为是时域条件下的电压幅度有效值的概念。电平的基础定义是“特定阻抗条件下在指定频带范围的信号全部能量”。由于数字电视信号的能量均匀地分布在该频道范围内，其信号电平值必须是频道内全部能量的总和。以相同电平的数字电视信号和模拟电视信号在频谱仪上同时显示（测量）为例；观测模拟电视信号和数字电视信号，模拟电视信号的测量图形峰值必然会比数字电视信号的峰值高很多。因为模拟电视信号的能量集中在300k的频带内（并且又集中在中心），其频谱能量集中图形的峰值幅度很高，而8m带宽数字电视信号的全部能量呈均匀分布的图形，分布在大约6.4m的频带内，频谱能量分散，峰值幅度就比较低，在频谱仪屏幕上分别代表两种信号的频谱图形的最高幅度值必然相差很大，一般为1214db，因为数字电视信号的能量频谱很宽，有效能量带宽是模拟电视信号宽度大约为20倍，按照换算也近似为1214