HFC网络基础知识

HFC网络基础知识

有线电视网络的历史和演变最初的CATV：CommonAntennaTV典型的同轴电缆网络带宽多次提升同轴电缆网络的局限性光纤的引入由全同轴电缆向HFC的转化典型的现代HFC网络有线电视的历史和演变CATV：共用天线电视（CommonAntennaTV）始于1940s晚期（俄勒冈和宾夕法尼亚）使用更大、更高的天线来增强接收效果同一区域内的用户，通过同轴分配网络来共享电视节目CATV：CommonAntennaTV多频道：

频分复用：FrequencyDivisionMultiplexing(FDM)如何工作：

每个频道使用独立的调制器调制到不同频率的载波上将所有调制器的输出混合在一起混合之后的信号通过同轴网分配到每个用户使用60VAC统一供电

如何通过同轴网络来分配电视信号？A/V1A/VnA/V2A/V3射频放大器射频分支器典型的同轴网络结构电视调制器1射频混合器电视调制器2电视调制器3电视调制器n更多的电视节目需要更多的频道资源NTSC制式每频道6MHz，PAL制式每频道8MHz下行信号最低一般从50MHz开始主要的几次带宽提升：350，450，550MHz一个550MHz的网络可以传输60路PAL制式或80路NTSC制式电视节目现代典型的HFC网络带宽为750MHz或860MHz带宽提升严重的信号衰减：RG11电缆大概每公里衰减20dB，并且与频率有着密切关系信号质量差：每个放大器都会给网络带来噪声和失真可靠性低：如果一个放大器故障，则其后的所有网络全部瘫痪受外界电磁干扰严重BrokenCable全同轴电缆网络的局限性解决方案：由于光纤有着极低的衰减率，因此将网络的干线部分替换为光纤传输基本原理：光纤进行干线长距离的传输，同轴电缆做短距离的接入HybridFiberCoaxnetworks（HFC）光纤的引入光纤光发射机光接收机前端早期的HFC：单向，模拟广播电视升级：

单向升级为双向：交互性光纤延伸：更少的用户来分享同一个光节点（包括它提供的带宽）加入数字电视频道加入数据服务

加入语音服务目的就是让HFC进化成为可以支持多种业务（包括视频、数据、语音）的宽带平台HFC网络的演变同轴分配网互联网前端分前端光节点正向传输光纤反向传输光纤同轴电缆典型的HFC网络CATV网络中用到的光纤技术CATV网络中用到的光传输技术1310nm系统1550nm系统DWDM数字传输系统CATV网络中用到的光纤技术极低的衰减率：每公里0.25~0.35dB（光纤）大约每公里20dB（同轴电缆）将近100倍的差别完全不受外接电磁干扰体积小、重量轻，并且易于管理为什么要用光纤传输？折射定律：n1*sin1=n2*sin2如果n1n2，那么21而且

当入射角1=c=sin-1(n2/n1)时，出射角2=90o

我们称之为全反射

c即为临界角n1n212

光纤如何工作？外覆层纤芯n2n1光纤的结构单模和多模玻璃和塑料衰减曲线色散曲线光纤的特性光纤衰减曲线0.00.501.01.52.02.58001000120014001600衰减率（dB/km）波长，nm1310nm光放大器使用波长范围dB：分贝定义：对于一个实数x，它对应的dB值是10Log(x)举例来说，如果x=2那么10Log(2)=3dBdB最适合用来测量和表示相关参数

举例来说，如果A是B的2倍，那么A比B多3dB什么是dB？光纤的衰减不是一个线性值，它依赖于输入光纤的光功率数学描述为：dP=-k*P*dx（k为常数）所以P(x)=P0*e-kx，P(x)/P0=e-kx

或LogP(x)-LogP0=-[kLog(e)]*x（线性模式）这样我们使用LogP要比直接使用P方便，并且所有的测试都是以dB为准为什么要使用dB？1310nm1550nm光纤色散曲线-120-100-80-60-40-20020408001000120014001600Dispersion,psnm1km-1Wavelength,nmStandardDispersionShiftDispersionFlat通过光纤将信号从A点送到B点我们需要什么？在A点需要一台光发射机将电信号转变成光信号一条从A点到B点的光链路在B点需要一台光接收机将光信号转变成电信号光纤通信光纤光发射机光接收机可行性：半导体激光器，尤其是分布反馈式（DFB）激光器的发展使其成为可能开始的1310nm传输系统，以及直接调制技术后来的1550nm传输系统，以及外调制技术以及波分复用（WDM）技术光纤在CATV网络中的应用内置波状光栅，使输出光信号波长的波动范围很小镜面反射率=100%反射率=4%发出的光包含很多波长很多波长，一般没有强制冷却和输出隔离，很高的RIN值（-120～-130dB/Hz），受环境温度的影响极大Fabry-Perot激光器分布反馈式（DFB）激光器真正意义上的单波长，并带有强制冷却和输出隔离更低的RIN值（-150～-160dB/Hz）性能基本不受环境温度或光纤色散的影响半导体发光二极管CurrentLaserOutputIbIthP0Ith

:门限驱动电流强度Ib

:激光器驱动电流强度P0:输出光功率发光二极管驱动电流

–

光强度曲线图

直接调制发射机的性能主要依赖于电子预校正电路CurrentRFInputPre-distortionLaserOutputTimeOpticalSignalIbIth直接调制：如何将电信号变为光信号CATV网络中用到的光传输技术1310nm系统1550nm系统DWDM数字传输系统CATV网络中用到的光纤技术优点：简单，所以成本低可使网络的设计和升级变得更加灵活局限性：输出光功率有限（一般低于15dBm或30mw）相对于1550nm波段来说衰减率偏大传输距离有限，在可接受的传输性能下，传输距离不超过50Km抗失真性能有限直接调制光发射机：1310nm系统简单的连接：发射机+光纤+

接收机光接收机：光电检测二极管+RF放大电路简单的1310nm光传输系统光纤1310nm光发射机光接收机CATV网络中用到的光传输技术1310nm系统1550nm系统DWDM数字传输系统CATV网络中用到的光纤技术主要优点：更低的光纤衰减率：0.25dB/Km（0.35dB/km@1310nm）可商用的光放大技术（EDFA）关键技术问题：光纤色散为什么有关键技术问题：激光器啁啾声+光纤色散

失真1550nm系统不同波长的光在光纤中传输速率不同没有色散存在色散1550nm系统：光纤色散激光器啁啾声：驱动电流加上后，激光器的输出光波长随输入信号的变化而变化光纤色散：不同波长的光在光纤中的传输速率不同1550nm系统：关键技术问题激光器啁啾声+光纤色散

失真CurrentRFInputPre-distortionLaserOutputTime原始信号IbIth102失真信号激光器啁啾声+光纤色散失真消除光纤色散：使用色散位移光纤成本太高会把新的色散引入1310nm波段，导致现有系统中出现新的问题使用色散补偿光纤（DCF）DCF会带来新的光损耗和更高的成本消除激光器啁啾声：使用外调制技术综上：选择外调制技术可能的解决方案外调制技术是如何工作的？线性调制光信号LaserSource调制模块RFInputSignal(Vin)VmodIoutVmodVin线性预失真电路Time光强度RF信号加载到调制器上要比直接加载到激光器上好，避免了激光器的啁啾声相位调制转化为强度调制由于调制器本身的非线性转化函数：xSin(x)，所以需要额外的预失真校正电路：Sin-1(x)如果驱动电流控制得好的话，将会有非常好的二次失真特性：CSO，以及其他性能外调制技术特点新型号：:HLT7XXXE/R增强的传输性能双输出，可与HLE配合使用来提高传输性能MAXLink系列：1550nm光发射机LightOutput1LightOutput2(180degree)调制模块DFBLaserEDFA：掺铒激光放大器工作原理1550nm光放大器：EDFAEr3+:silica能态等级图4I13/24I15/2t

:1ms980nm1520-1570nm4I11/2t

:10ms1480nm哈雷公司光放大器：HOA多种输出功率：14，17，20，26，31dBm光输入光输出Er+3光放大器控制电路Power/CommunicationsPUMPLASERPUMPLASERPDRF监测T隔离器WDM(1550/980/1480)WDMPD声子波PoutPinPrefPtrans光波在光纤中传输时会产生声子波部分输入的光会被声子波反射这种反射会产生干涉噪声，将严重影响CNR和CSO非线性影响：受激布里渊散射（SBS）NoisedB50100150200250Frequency(MHz)SBS首先导致低频段噪声提高PPtt在光纤色散中激光相位噪声会转化为幅度噪声

相对强度噪声正比于L2

f2Dn传输距离越长，频率越高，CNR下降得越厉害非线性影响：激光相位噪声u1u2v2v1u1＋u2u1u2光强度变化光纤折射率变化频率啁啾声CSO降低+光纤色散

ntotal=n0+n2I自相位调制长距离传输前端互联超过150km的长距离传输与HLE（链路延展器）配合使用提高传输性能本地分配高输出功率，每个EDFA可以覆盖很多光节点低成本典型的1550nm应用1550nm系统的性能取决于……调制度光放大器的噪声系数光接收机的输入光功率光纤的影响（非线性综合效应）1550nm性能完善的系统EDFAFiberEDFA1550nmTxReceiverFiber1310nm系统与1550nm系统的比较1310nm系统1550nm系统应用较小网络内的广播或较大网络内的窄播大范围网络内的广播传输距离短距离长距离或短距离传输性能好优越成本低高（除了应用于高密集用户分配）在同一根光纤内传送不同波长的光信号为什么要这么做：在不增加新的光纤的条件下，提高通信容量工作原理每个光发射机发射不同波长的光信号，这些光信号与普通光发射机发出的光信号没有区别不同光发射机输出的光信号经过波分复用器复用，然后只需用一根光纤传输在接收端，再经过解复用器将不同波长的光信号分开，分别送到不同的光接收机

WDM：波分复用密集波分复用METROLink系列一根光纤内可传输32个波长波长均在ITU标准指定的1550nm波段内正向及反向均可应用1611x16MUX11x16DEMUX1611DWDM密集波分复用分配面向对象的窄播服务BroadcastNarrowcastHFCDWDM接入网CableHeadendHubCWDM：粗波分复用，将1310nm和1550nm信号混合在一起DWDM：密集波分复用，将1550nm波段的不同波长的光信号混合在一起CWDM和DWDM节省光纤：在骨干网的应用中意义尤其重大，也包括反向传输引入窄播服务：可以在不需要重建现有系统的条件下插入窄播信号波分复用技术的应用HFC网络组成及性能参数典型的HFC网络要素总前端分前端光节点用户家庭接入点HFC网络及其性能参数信号源控制中心：广播服务和部分窄播服务典型设备信号源卫星接收机电视信号调制器和RF信号混合器视频服务器及CMTS传输设备1550nm光发射机和光放大器1310nm光发射机DWDM发射机和波分复用及解复用器反向接收机控制中心网络管理总前端供部分窄播设备和传输设备使用的机房典型设备信号源：本地电视节目、视频服务器以及CMTS传输设备1550nm光放大器1310nm光发射机DWDM发射机和波分复用及解复用器反向接收机和发射机一些运营商希望减免分前端的有源设备（无分前端架构）来降低维护成本分前端提供光接收机和反向发射机的安装平台给未来预留更多的应用空间，比如FTTx光节点意味着光纤网络的终端典型设备：下行光接收机反向光发射机DWDM波分复用及解复用器

状态应答器园区交换机、节点交换机，等等光节点现在绝大多数家庭都有同轴电缆入户，接入电视机或机顶盒模拟广播电视：不需要附加设备数字电视广播：单向机顶盒

交互式数字电视（VOD）：双向机顶盒数据服务（选择1）：CableModem数据服务（选择2）：五类线接入，不需要附加设备数据服务（选择3）：FTTH，需要家庭网络接口设备（NIU）家庭接入点性能目的：更多的信号，更低的噪声及失真主要的性能参数CNR：载波与噪声功率比，单位dBCSO：二次谐波组合失真，单位dBcCTB：三次谐波组合失真，单位dBc我们需要更高的CNR及更低的CSO和CTBHFC网络性能参数OMI:m=PS/P0LaserCurrent(I)OpticalOutput(P)IthIbP0PS光调制度（OMI）：mModulationIndex时间光强度（Power）光发射机直流驱动输出功率P0调制后输出功率PP每频道调制度，m=PPP0m<100%，否则将会出现削波传输频带内的总调制度在多频道传输系统中，RF载波之间是互不关连的，那么总的有效调制度就是每个频道调制度的均方根（RMS）的总和

TotalRMSModulation,s=(N/2)0.5msingle

上式中N是频道总数，msingle

是单个频道的调制度

m

调制度 r

光接收机光电检测器灵敏度Pr

光接收机检测光功率[W] B

传输信号带宽q

电子电量 Ith

光接收机热噪声RIN

相对强度噪声Signal热噪声CNR=[]mP2BqPIPRINrrthr++()()rrr2222量子噪声光相对强度噪声10LogCNR定义量子噪声当系统的热噪声与相对强度噪声可以忽略不计时，我们主要关注量子噪声所导致的载噪比

CNRshot=m2r

Pr/4qB

=85.0+20Log(m)+Pr[dBm][B=4.2MHz]

=84.2+20Log(m)+Pr[dBm][B=5MHz]

=83.4+20Log(m)+Pr[dBm][B=6MHz]CNRshot

与接收光功率的dB值直接关联相对强度噪声RIN当接收光功率特别高时，相对强度噪声起主导作用：

CNRRIN=m2/2BRIN

=20Log(m)-69.2-RIN[dB/Hz] 这里B=4.2MHz热噪声当接收光功率特别低时，热噪声将起主导作用：

CNRThermal=m2/2Ith2B

=20Log(m)-69.2-20LogIth

这里B=4.2MHzRIN=-155dB/Hz,3%ModulationIndexCNR与接收光功率曲线图RINLimitedShortNoiseLimitedThermalNoiseLimitedCNR与调制度的平方（m2）成正比关系CNR与传输的频道数量无关家庭接收信号的CNR典型值：43dB家庭接收信号的CNR与整个链路的各个部分都有关：前端，光纤，同轴电缆，等等图像质量在CNR低于38dB时开始明显降低CNR和图像质量主观评价非线性失真不管我们如何在传输系统的线性转换上如何努力，总会有很小的非线性响应存在这些非线性响应叠加起来将会在其他载波频段内产生干扰——通常称为“节拍（beats）”InputOutputfHighlyLinearizedSystemf+af3+bf3+…wherea,b<<1非线性失真-CSO二次谐波混合—两个载波的非线性叠加

fCSO=fi±fj

例如：

20个NTSC频道内（55.25,61.25,121.25~223.25）：

在54MHz产生9个节拍，在176.5MHz产生1个节拍，在222.50MHz产生2个节拍非线性失真-CTB三次谐波混合—三个载波的非线性叠加 fCTB=fi±fj

±fk

例如：

20个NTSC频道内（55.25,61.25,121.25~223.25）：

在55.25MHz产生16个节拍，在175.25MHz产生135个节拍，在223.25MHz产生74个节拍

CSO/CTB节拍数与频道数的关系（1）CSO/CTB节拍数与频道数的关系

CSO节拍数CTB节拍数

Cannel Freq. 80Chs110Chs 80Chs110Chs 2 55.25 7099 15002857 41 325.253667 2400 4433 78 547.252948 1800 4322 110 745.25 46 3150CSO/CTB节拍数与频道数的关系（2）CSOBeatsCTBBeats40202000100050400300200100500MHz60NTSCCSO/CTB视频率而定CSO最高点一般在载波的两端CTB最高点一般在载波的中心系统测试时，必须至少测试三个频率点才能正确得出CSO与CTB的性能指标CSO和图像质量主观评价载波功率与载波所在频段内所有二次失真谐波的功率总和之比

单位是dBcCSO与N*m2成正比，N为所传输的电视频道数家庭接收信号的典型CSO不能超过-53dBc图像质量在CSO超过-48dBc时开始明显降低CTB和图像质量主观评价载波功率与载波所在频段内所有三次失真谐波的功率总和之比单位是dBcCTB与N2*m4成正比，N为所传输的电视频道数家庭接收信号的典型CTB不能超过-53dBc图像质量在CTB超过-48dBc时开始明显降低提高调制度将会提高CNR，但会降低CSO和CTBCNR增加1dB会导致CSO降低1dB，CTB降低2dB需要根据系统需要来选择性能参数的平衡点，然后才能确定调制度如何调节并找到系统性能参数的平衡点因为信号在各链路间传输时始终保持功率不变，所以我们只要考虑噪声与失真的增加就可以了CNR：噪声只是功率的叠加，所以CNR的叠加基于10Log计算CSO和CTB：失真的叠加并不简单地基于功率或电压，因此他们的计算不能简单地遵循10Log或20Log的规则设计中我们可以拿实验结果来做参考各级链路的性能参数叠加网络的性能参数是网络各部分链路性能参数共同作用的结果：前端、光纤和同轴部分一般来说，前端部分不会引起太多的失真和噪声，所以网络的性能参数主要取决于光纤和同轴部分HFC网络的链路性能参数数字频道一般设置在550MHz到870MHz，并且主要用于数字电视和数据服务数字频道一般采用QAM调制数字频道会给模拟频道带来新的噪声和失真解决方案：将数字频道电平调节到低于模拟频道电平10dB哈雷公司的产品说明书中指出的模拟频道的CNR都是在同时加载了数字频道（200MHz，-10dBc）的测试结果

加入数字频道将会带来什么后果？对于模拟视频回传，性能参数可通过测试CNR、CSO和CTB来衡量，与下行通道一样

对于数字回传，性能参数可通过测量噪声功率比（NPR）和误码率（BER）来衡量反向通道的性能广播简单HFC系统：星型分配结构简单HFC系统：树型结构备份系统：环网结构加入窄播后窄播在分前端直接加入1550/1310nm光传输窄播在分前端通过波分复用加入1550/1310光传输窄播在分前端通过DWDM加入窄播在前端通过DWDM加入并在分前端直接加入1550/1310光传输窄播在前端通过DWDM加入并一直传输到光节点回传CATV网络系统：网络结构和发展趋势1310nm或1550nm系统，点对点传输光节点1310nm系统1550nm系统光节点广播：星型分配结构PWL49xxSPWL49xxS前端光分路器光分路器前端广播：树型结构1310nm或1550nm系统1310/1550nm光发射机光分路器光接收机备份：环网结构一般用于干线传输，使用1550nm系统具备光信号或RF信号自动倒换功能TX1TX2RX1RX2主环备环前端分前端A/B切换BC:05001000BCVideoNC:05001000NC窄播在分前端直接加入1550/1310nm光传输NCn(RF)NC1(RF)BC1550nmTxPWL49xxSPWL49xxS前端BC分前端RxRFSplitter光节点#1光节点#nBC:05001000BCVideoNC:05001000NC窄播在分前端通过波分复用加入1550/1310光传输NCnNC1BC1550nmTxPWL49xxSPWL49xxS前端1550nm分前端EDFAOpticalSplitter光节点#1光节点#nNC1+B

NCn+B

1310nmOpSplitterBC:05001000BCVideoNC:05001000NC窄播在分前端通过DWDM加入NCnNC1BC1550nmTxHLD7805THLD7805T前端分前端EDFAOpticalSplitter光节点#1光节点#n1+B

n+B

n1B窄播在前端通过DWDM加入并在分前端直接加入1550/1310光传输N1N1HLD7805THLD7805T1xnMUX1xnDEMUXNCnNC1BC1550nmTxPWL49xxSPWL49xxS前端BC分前端RxRFSplitter光节点#1光节点#nRxEDFA窄播在前端通过DWDM加入并一直传输到光节点单接收机接收N1N1HLD7805THLD7805T1xnMUX1xnDEMUXNCnNC1BC1550nmTx前端分前端EDFAOpticalSplitter光节点#1光节点#n1+B

n+B

BEDFA窄播在前端通过DWDM加入并一直传输到光节点双接收机接收N1N1HLD7805THLD7805T1xnMUX1xnDEMUXNCnNC1BC1550nmTx前端分前端EDFAOpticalSplitter光节点#1光节点#nB

BEDFAHLHLDWDM分配与光ADM模块密集波分复用METROLink系列一根光纤内可传输32个波长波长均在ITU标准指定的1550nm波段内正向及反向均可应用N1N1HLD7805THLD7805T1xnMUX1xnDEMUXNCnNC1前端分前端RxEDFA11ADM利用DWDM来分割反向通道只将少数的光节点回传信号混合输入到一个独立的反向发射机提供了应用动态范围极广的回传通道，例如可以在一个很宽的动态范围内控制回传信号和噪声分前端反向光发射机l31x16WDM1x16WDMl1l2l3l8光节点RxRxRxRx射频混合器RxRxRxRx反向光发射机l2反向光发射机l1Tx前端TxTxTx反向通道：在分前端通过DWDM混合传输28*03/08/99*1光纤延伸架构及无源同轴网络传统HFC网络前端分前端2,000户光环网同轴网RFAmpUPS光分配网传统的HFC网络光节点典型的同轴网络：每公里3.5个放大器典型的同轴网络赢得市场的关键光纤延伸架构及无源同轴网络前端光节点分前端<500户光环网无源或准无源同轴网光分配网减少61%的有源