HFC有线电视网络设计

蔡伟东

根据浙江省宁海县广播电视台网络的规模，网络的拓朴结构为星型，即集中式HFC光纤/同轴网，信号由前端直接用光纤传输至小区光接点进入同轴电缆分配网。光纤传输形式为FTLA（光纤到路边），小区光接点所带用户为500户，用户端电平69±3 dB，我台2006年前端是模拟广播电视信号与RF数据频道混合后进入1310光发射机以VSB-AM方式光信号（E/O转换），通过光纤网络传输到各小区光接点由接收机还原RF信号（O/E转换），输出4路高电平（105～115 dB）信号进入同轴电缆分配网到用户终端，其间串联放大器限制在1～2级内。高速数据交互系统是一个双向不对称的通道，由放在前端的线缆调制解调器头端系统CMTS和用户端的CABLE MODEM构成，利用双向的HFC网进行IP数据包的通信。CMTS通过交换机、路由器等设备进入国际互联网和WWW.FTP等服务器，向用户提供各种服务数据。IP数据包由网络层、数据链路层、物理层和各子层的数据通信协议来保证传输的稳定。

1 HFC网络系统技术指标的分配

1.1 频率资源规划

浙江省宁海县广播电视台HFC网络规划总带宽750 MHz，上行频段为5～65 MHz，下行频段为87～750 MHz，其中65～87 MHz为过渡带，87～108 MHz为FM广播和FM方式的公共数据信息下行发布，111～550 MHz传输模拟电视信号，550～750 MHz传送数字电视、数据信号。

1.2 系统传输指标

作为传输有线电视节目的HFC网络，保证下行电视信号的指标是首要问题。HFC网络主要由三部分组成，即前端设备、光纤系统和分配系统，考虑到数字信号传输，还需要增加机上变换或电缆调制解调器。HFC网络的射频技术指标主要有三个，即载噪比CNR、组合二次差拍CSO、组合三次差拍CTB。GY/T106-1999有线电视广播系统技术规范规定系统：CNR≥43 dB；CSO≤-54 dBc；CTS≤-54 dBc,设计时为了给终端留下一些余量，取下列值为设计值：CNR≥44 dB；CSO≤-55 dBc；CTS≤-55 dBc。

系统各部分指标要根据具体网络考虑，使系统整体经济性能达到最好优化。对系统各部分所占系统指标的百分比。根据分配系数，各系统部分的指标按下式计算：（注：引用有线电视HFC双向网络技术唐明光讲义）CNR≥44 dB-10 Lgk；CSO≤-55 dBc+10 Lgk；CTS≤-55 dBc+10 Lgk。例：前端CNR在占总指标的20%，则CNR≥44 dB-10 Lg0.2=51 dB

计算结果如表1所示：分配系数的确定主要取决于各设备指标及价格。一般情况下，分配系数K愈大，则该部分设备的指标要求愈低，价格也相对便宜。从上述分配给光链路的指标上看，在使用750 MHz情况下，光链路的指标经过交换调整，可以满足要求。电缆分配网采用倍功率倾斜均衡输出的放大器，后串接1～2级放大器，也能达到要求。

表1 各系统部分的指标计算结果

2 HFC网络设备选型与材料选择的要求

上行设备选择包含上行光发射机、光接收机、延长放大器和用户放大器，就按上行设计要求的指标进行选择。通常上行光发射机/光接收机选用带宽60 MHz模块，上行光发射机模块选输入电平高的模块，输入电平105 dBμv的模块。反向放大模块（延长放大器）增益21 dB，分配放大器增益26 dB模块。以2006为例，对光发射机的选型，不仅要参考各厂家光发射机的技术指标，还要参考各厂家光发射机性能特点。其中四川省德赛电子技术有限公司DSOT光发射机的技术指标如表2所示，与四川九州电器集团有限公司GFS1310F-A性能比较如表3所示。

通过比较得出，四川德赛电子技术有限公司DSOT光发射机比较适合HFC建网的要求和当地的实际情况，故选用四川德赛公司系列产品作为光传输设备，光发射机功率选用7 MW,接收光功率为-1 dBm，对于双向分配放大器选取具有表4和表5性能技术要求：

对于放大器的选型，参考许多厂家的产品，根据其技术指标、性能特点，以及性能/价格比，最后决定厂家的产品。

同轴电缆以及同轴器件的选择要求：同轴电缆——提供大于100 dB屏蔽能力，干线电缆选用无缝铅管电缆，支线和入户电缆选用寿命长高性能频谱好的电缆；分支分配器，室内分支分配器采用1GHz、高屏蔽的器件，其处壳就一体化设计，保证屏蔽大于100 dB；电缆接头——提供90 dB屏蔽能力，室外电缆接头采用针型头，室内电线接头采用螺纹接头或六角型压接式接头；用户终端盒及连接电缆，用户终端盒双向高屏蔽终端盒，提供大于90dB屏蔽能力，连接电缆建议采用四屏蔽电缆。

表2 四川省德赛电子技术有限公司DSOT光发射机的技术指标

表3 四川省德赛电子技术有限公司DSOT光发射机与四川九州电器集团有限公司GFS1310F-A性能比较

表4 双向分配放大器下行通道传输性能技术要求

表5 双向分配放大器上行通道传输性能技术要求

3 HFC网络光纤干线计算

光纤干线系统链路的计算要确定的是光发射功率P，分光器的分光比q,光缆长度L及芯数，以及光链路损耗A验算结果。

如2006年浙江省宁海县光纤采用星形布线，从机房出来，分五路光纤图1。

第一路到松竹新村L1=1.5 km；第二路到南大超市L2=0.9 km；第三路到日用品市场L3=1.2 km；第四路到东门口L4=1.9 km；第五路到京都宾馆L1=1.2 km。光发机工作波长1 310 nm，光纤损耗ɑ=0.4 dB/km，每根光纤采用活动连接器连接，每个光纤连接器损耗Lc取0.5 dB，光接收机Pr=-1 dBm。根据光链路计算公式：Pi=ɑL+aLc+Pr其中ɑ—光纤损耗系数，a—光纤活动连接器个数，Lc—分光器总插入损耗。

图1 城区光纤星型分布图

计算各链路光功率P：

P1=0.4×1.5+2×0.5+（-1）=0.6 dBm/1.15 MW

(注：0.6 dBm/1.15 MW转换是引用ANTEC/LLRX400光工作站说明书内dBm与MW转换表，以下类同。）

P2=0.4×0.9+2×0.5+（-1）=0.36 dBm/1.08MW

P3=0.4×1.2+2×0.5+（-1）=0.48 dBm/1.12MW

P4=0.4×1.9+2×0.5+（-1）=0.76 dBm/1.19MW

P5=0.4×1.2+2×0.5+（-1）=0.48 dBm/1.12MW

计算链路分光比q：

q1=1.15/5.66×100%=20.3%

q2=1.08/5.66×100%=19.1%

q3=1.12/5.66×100%=19.8%

q4=1.19/5.66×100%=21%

q5=1.12/5.66×100%=19.8%

计算光发射机功率：

其中0.5mW光纤预留的损耗余量）故选用8.5dBm/7.0mW的光发射机。

计算光缆长度：

L1=1.1×1.5=1.65 km

L2=1.1×0.9=0.99 km

L3=1.1×1.2=1.32 km

L4=1.1×1.9=2.09 km

L5=1.1×1.2=1.32 km

验算光链路总损耗：

选取最长的光节点分路，其所需要的光功率为：

A4=0.4×2.09+10Lg（1/0.21）+0.5+2×0.5=9.11 dB

8.5-（-1)=9.5＞Ai，设计正确。

4 HFC有线电视双向网络的设计与调试

目前，下行设计已经有成熟的方法和准则，上行设计尚未形成标准的方法。对此，可以对下行（正向）设计从上到下，一点到多点，到达每个用户端电平69±3 dB；从发射源至所有用户接收机的增益一致，保证到回传光发射机输入电平一致，所用的输入电平采用多个发射源至前端反向光接收机的增益一致。这样的好处是方便调整和增加业务，同时保障业务接收质量。

HFC双向网络设计分为三个部分。从前端到光节点：正、反链路计算。从光节点至放大器：正、反向增益计算。从放大器到最终用户正、反向损耗计算。

正向设计在此不作介绍，着重对回传设计进行描述。

4.1 回传设计正向、反向电平设置和调整

4.1.1 正向电平

正向电平指用户入户电平，浙江省宁海县广播电视台用电平69±3 dBμV，正向电视端（v端）电平65±3 dBμV。正向数据信号设置：以Cable Modem为例，MOTOROLA CM接收电平要求为65～45 dBμV，其最佳接收电平为55 dBμV。由于在前端调制时，下行数字信号电平比模拟电视信号电平低10 dB，因此，在用户家中双向分配器电平为55 dBμV。

4.1.2 反向电平

根据Cable Modem的发射电平范围，选用一个最佳发射电平范围，例如MOTOROLA的CM发射电平范围84～115 dBμV，其最佳发射电平为100～105 dBμV，可选发射电平为103 dBμV。反向激光器驱动功率，根据每Hz功率按业务宽带来指派：

每Hz功率=激光器总驱动功率-10Lg（上行总带宽）如总驱动功率为105 dBμV，上行频段5～65 MHz,即总带宽为60 MHz，则

每 Hz功 率 =105-10Lg（60×106）=27.2 dBμV/Hz

如分配给CM8个上行信道，每信道带宽600 kHz，则激光器驱动电平为27.2+10Lg（8×60×103）=94 dBμV/Hz，在业务较少的情况下，可适当提高驱动电平，有利于抗干扰，例如可提高1 dB，取为95 dBμV。

4.2 用户分配放大器的反向入口电平设置

找出从用户端到放大器的对反向低频信号的最大路径损耗（通常离放大器器最近的用户到达放大器反向低频信号的损耗最大），找出用户中回传发射功率最低的一种用户设备（通常Cable MODEM回传发射功率最低)，放大器反向入口电平=Cable MODEM的发射电平-最大路径损耗。

一般用户分配放大器正向输出电平V/U端100/105 dBμV，离高楼最近的用户由于电缆距离短可不考虑衰减，用户家端口电平主要通过分支分配器进行衰减。以69±3 dBμV要求。衰减量最小为34 dB，因此，反向信号衰减也为34 dB，若从Cable MODEM发射的电平为103 dBμV，所以用户放大器反向入口电平为103-34=69 dBμV，远离分配放大器的用户，电缆对正向高频信号电平衰减将减少。但是，电缆对反向低频信号的衰减较少，从这些用户家中CM发射的电平到达用户放大器反向入口要向于近端的用户电平，最大可高出6～7 dB（或）更高。因此，就在此高电平的用户端加装反向衰减器进行调整，这就是所谓路径损耗均衡。图2是一个小区的网络分配图。

同理，延长放大器的反向入口电平设置原则与用户放大器类似，首先找出靠近延长放大器的分支分配的分支损耗（最大损耗），即可计算出延长放大器反向入口电平为：用户放大器的反向入口电平+用户分配放大器增益-最大分支损耗；如最大分支损耗为20 dB，用户分配放大器增益为26 dB，则延长放大器入口电平为：69+26-20=75 dBμV；远离延长放大器的分支器的分支损耗较小，因此，对反向信号衰减也小，因此就在这些低分支损耗口加装反向衰减器，进行调整。通常反向光发射机模块中的RF放大模块增益为24～30 dB，取其为28 dB。则光发射机的驱动电平最高可达75+28=103 dBμV；激光器要求的驱动电平为95 dBμV，因此，103 dBμV比95 dBμV高8 dB，就在光发射机中加8 dB衰减片使其达到设计要求。

图2 正学公寓分配网络整改图

4.3 回传通道调整

系统设置所采用电平由于光链路长短不一，前端光接收机输出射频电平可能不一致，为了简化前端设置、保证系统载噪比一致，可以选择特定链路的光接收机输出电平作为参考，而所有光链路输出均以此参考电平为准，对光接收机进行调整。在确定好上述前端的参考电平和光节点输入电平后，就可以进行整个系统的调整。回传放大器的作用不是用来放大信号电平，而是补偿反向放大器的输出端，使得前端得到原设定的参考电平。此时，此放大器已经调整好了。对于放大器后面的级联的放大器，也同样可以利用上述原理进行下一级的调整。

上述整个过程中，所用调整的方法是以光节点为中心，根据其特性在不失真的情况下最大输入电平为基础进行的，在进行某设备调整时没有也不必要考虑其他设备，放大器级联时，要先对靠近光节点的放大器进行调整。此设置方式非常简单，并且保证实际使用过程中不会产生削波失真，并保证最大的C/N。同时，由于整个调整过程中始终以光节点驱动电平为基准来调整放大器，使得整个网络中所有用户都是平等的。

这里介绍笔者在工程实际操作的调试方法，以供大家参考。对于回传通道调试，笔者遵循从反向光接收机—反向光发射机—桥接放大器—延长放大器—用户分配放大器的顺序原则。在反向通道中，使用一个6个载波发生器来模拟传回的信号。信号发生器在5～65 MHz频率范围内均匀地产生6个载波峰值信号的载波，回传信号到达每个反向放大器的输入口的电平都设定为88 dBμV，根据公式总功率=每个载波的功率+10Lg（载波数），即每个载波的功率=总功率-10Lg（载波数）。可以计算出每个载波的电平值：88-10Lg6=82 dBμV，调整信号发生器，使每个载波都为82 dBμV。同时，为了将频谱仪上看到的反向接收机的射频信号送到调制器上，调制送到下行频道后用电视机接收观看。操作步骤如下。

第1步，将信号从光接收机的射频输出口输入，考虑到20 dB的衰减，注入的信号应该为88+20=108 dBμv，光发射模块要求输入信号为75 dBμV，测量反向光发射模块送到下行频道的输入电平，选择合适的衰减片将输入信号衰减到75 dBμV。

第2步，将前端光接收机的射频输出电平调整到90 dBμV，每个峰值的电平为90-10Lg6=82 μV，这是一个参考点，以后就不要再动前端的光接收机了。这样，整个光链路部分的反向调整就完成了，下面是电缆部分的反向调整。

第3步，将108 μV的信号从离光节点最近的桥放大器的射频输出口输入，观察电视上的频谱信号。使用合适的反向均衡器调整，使电视上看到频谱信号在同一水平上。

第4步，因为每个放大器都是单位增益，因此电视上显示的整个回传通道的信号电平应该还是90 dBμv，使用适当的衰减器，将整个回传通道的电平调整到90 dBμV。

第5步，重复步骤3和4，按从上往下的顺序将每个放大器都调整完毕。

5 结语

从HFC网络系统的设计的工作实践中，应该遵循经下几点准则。

5.1 光链路单位增益准则

光链路单位增益准则：选择一个“参考光链路”，以其链路增益（损耗）为基础，将其他链路增益（损耗）调整为与参考链路相同。实现的方法很简单，将最长的光链路作为参考链路，其光接收机的输出电平最低，以其输出电平为基准，将其余回传光接收机的输出电平调整与其相等即可。

5.2 每Hz固定功率法准则

通常每Hz固定功率法来确定不同业务（不同带宽）的回传电平。每Hz固定功率法是：从激光器的可用总驱动功率开始，将该总功率分配到整个上行频带，即可计算每Hz功率，然后将每Hz功率分配给不同带宽和各种业务，即得到不同业务的回传电平。

5.3 同轴链路单位增益准则

回传同轴链路的线路损耗应等于放大器的增益，从而使链路实现单位增益，即放大器之间的增益为0 dB，可以使每个放大器输出的电平相等，可以方便地选择网络中分支分配器的值，从而使每各类回传信号都能达到正确的电平。这一点对回传系统是非常重要的。

5.4 RF运行电平准则——30 dB法则和用户电平差异准则——6 dB法则

30 dB法则是RF运行电平准则，指用户盒到放大器的输出的损耗应在30 dB以内，这样系统既满足正向的要求，也满足了回传的要求，并得到了较好的载噪比。6 dB法则指同一分支线路的用户电平差在6 dB之内,这是由于低频回传电缆与高频电缆差别造成的原因,6 dB法则目的是尽力减少电平差,提高用户收视质量。

通过改造HFC网络扩大了有线网络的覆盖面，增加了信息传送的能力，提高了信息传输质量和可靠性，确保了电视节目的安全播出；同时，为开展交互业务、数据业务、视频点播和远程教育等多功能开发和传送数字高清晰度电视提供了保证。

[1]唐纳德·拉斯金(DonaldRaskin).张文生,周强,译.有线电视宽带HFC网络回传系统[M].北京:中国广播电视出版社,1999.

[2]施国强.有线电视网络技术手册[M].北京:电子工业出版社,2002.