HFC有線電視網絡設計

蔡偉東

根據浙江省寧海縣廣播電視臺網絡的規模，網絡的拓樸結構為星型，即集中式HFC光纖/同軸網，信號由前端直接用光纖傳輸至小區光接點進入同軸電纜分配網。光纖傳輸形式為FTLA（光纖到路邊），小區光接點所帶用戶為500戶，用戶端電平69±3 dB，我臺2006年前端是模擬廣播電視信號與RF數據頻道混合后進入1310光發射機以VSB-AM方式光信號（E/O轉換），通過光纖網絡傳輸到各小區光接點由接收機還原RF信號（O/E轉換），輸出4路高電平（105～115 dB）信號進入同軸電纜分配網到用戶終端，其間串聯放大器限制在1～2級內。高速數據交互系統是一個雙向不對稱的通道，由放在前端的線纜調制解調器頭端系統CMTS和用戶端的CABLE MODEM構成，利用雙向的HFC網進行IP數據包的通信。CMTS通過交換機、路由器等設備進入國際互聯網和WWW.FTP等服務器，向用戶提供各種服務數據。IP數據包由網絡層、數據鏈路層、物理層和各子層的數據通信協議來保證傳輸的穩定。

1 HFC網絡系統技術指標的分配

1.1 頻率資源規劃

浙江省寧海縣廣播電視臺HFC網絡規劃總帶寬750 MHz，上行頻段為5～65 MHz，下行頻段為87～750 MHz，其中65～87 MHz為過渡帶，87～108 MHz為FM廣播和FM方式的公共數據信息下行發布，111～550 MHz傳輸模擬電視信號，550～750 MHz傳送數字電視、數據信號。

1.2 系統傳輸指標

作為傳輸有線電視節目的HFC網絡，保證下行電視信號的指標是首要問題。HFC網絡主要由三部分組成，即前端設備、光纖系統和分配系統，考慮到數字信號傳輸，還需要增加機上變換或電纜調制解調器。HFC網絡的射頻技術指標主要有三個，即載噪比CNR、組合二次差拍CSO、組合三次差拍CTB。GY/T106-1999有線電視廣播系統技術規范規定系統：CNR≥43 dB；CSO≤-54 dBc；CTS≤-54 dBc,設計時為了給終端留下一些余量，取下列值為設計值：CNR≥44 dB；CSO≤-55 dBc；CTS≤-55 dBc。

系統各部分指標要根據具體網絡考慮，使系統整體經濟性能達到最好優化。對系統各部分所占系統指標的百分比。根據分配系數，各系統部分的指標按下式計算：（注：引用有線電視HFC雙向網絡技術唐明光講義）CNR≥44 dB-10 Lgk；CSO≤-55 dBc+10 Lgk；CTS≤-55 dBc+10 Lgk。例：前端CNR在占總指標的20%，則CNR≥44 dB-10 Lg0.2=51 dB

計算結果如表1所示：分配系數的確定主要取決于各設備指標及價格。一般情況下，分配系數K愈大，則該部分設備的指標要求愈低，價格也相對便宜。從上述分配給光鏈路的指標上看，在使用750 MHz情況下，光鏈路的指標經過交換調整，可以滿足要求。電纜分配網采用倍功率傾斜均衡輸出的放大器，后串接1～2級放大器，也能達到要求。

表1 各系統部分的指標計算結果

2 HFC網絡設備選型與材料選擇的要求

上行設備選擇包含上行光發射機、光接收機、延長放大器和用戶放大器，就按上行設計要求的指標進行選擇。通常上行光發射機/光接收機選用帶寬60 MHz模塊，上行光發射機模塊選輸入電平高的模塊，輸入電平105 dBμv的模塊。反向放大模塊（延長放大器）增益21 dB，分配放大器增益26 dB模塊。以2006為例，對光發射機的選型，不僅要參考各廠家光發射機的技術指標，還要參考各廠家光發射機性能特點。其中四川省德賽電子技術有限公司DSOT光發射機的技術指標如表2所示，與四川九州電器集團有限公司GFS1310F-A性能比較如表3所示。

通過比較得出，四川德賽電子技術有限公司DSOT光發射機比較適合HFC建網的要求和當地的實際情況，故選用四川德賽公司系列產品作為光傳輸設備，光發射機功率選用7 MW,接收光功率為-1 dBm，對于雙向分配放大器選取具有表4和表5性能技術要求：

對于放大器的選型，參考許多廠家的產品，根據其技術指標、性能特點，以及性能/價格比，最后決定廠家的產品。

同軸電纜以及同軸器件的選擇要求：同軸電纜——提供大于100 dB屏蔽能力，干線電纜選用無縫鉛管電纜，支線和入戶電纜選用壽命長高性能頻譜好的電纜；分支分配器，室內分支分配器采用1GHz、高屏蔽的器件，其處殼就一體化設計，保證屏蔽大于100 dB；電纜接頭——提供90 dB屏蔽能力，室外電纜接頭采用針型頭，室內電線接頭采用螺紋接頭或六角型壓接式接頭；用戶終端盒及連接電纜，用戶終端盒雙向高屏蔽終端盒，提供大于90dB屏蔽能力，連接電纜建議采用四屏蔽電纜。

表2 四川省德賽電子技術有限公司DSOT光發射機的技術指標

表3 四川省德賽電子技術有限公司DSOT光發射機與四川九州電器集團有限公司GFS1310F-A性能比較

表4 雙向分配放大器下行通道傳輸性能技術要求

表5 雙向分配放大器上行通道傳輸性能技術要求

3 HFC網絡光纖干線計算

光纖干線系統鏈路的計算要確定的是光發射功率P，分光器的分光比q,光纜長度L及芯數，以及光鏈路損耗A驗算結果。

如2006年浙江省寧海縣光纖采用星形布線，從機房出來，分五路光纖圖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；第三路到日用品市場L3=1.2 km；第四路到東門口L4=1.9 km；第五路到京都賓館L1=1.2 km。光發機工作波長1 310 nm，光纖損耗ɑ=0.4 dB/km，每根光纖采用活動連接器連接，每個光纖連接器損耗Lc取0.5 dB，光接收機Pr=-1 dBm。根據光鏈路計算公式：Pi=ɑL+aLc+Pr其中ɑ—光纖損耗系數，a—光纖活動連接器個數，Lc—分光器總插入損耗。

圖1 城區光纖星型分布圖

計算各鏈路光功率P：

P1=0.4×1.5+2×0.5+（-1）=0.6 dBm/1.15 MW

(注：0.6 dBm/1.15 MW轉換是引用ANTEC/LLRX400光工作站說明書內dBm與MW轉換表，以下類同。）

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

計算鏈路分光比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%

計算光發射機功率：

其中0.5mW光纖預留的損耗余量）故選用8.5dBm/7.0mW的光發射機。

計算光纜長度：

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

驗算光鏈路總損耗：

選取最長的光節點分路，其所需要的光功率為：

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

8.5-（-1)=9.5＞Ai，設計正確。

4 HFC有線電視雙向網絡的設計與調試

目前，下行設計已經有成熟的方法和準則，上行設計尚未形成標準的方法。對此，可以對下行（正向）設計從上到下，一點到多點，到達每個用戶端電平69±3 dB；從發射源至所有用戶接收機的增益一致，保證到回傳光發射機輸入電平一致，所用的輸入電平采用多個發射源至前端反向光接收機的增益一致。這樣的好處是方便調整和增加業務，同時保障業務接收質量。

HFC雙向網絡設計分為三個部分。從前端到光節點：正、反鏈路計算。從光節點至放大器：正、反向增益計算。從放大器到最終用戶正、反向損耗計算。

正向設計在此不作介紹，著重對回傳設計進行描述。

4.1 回傳設計正向、反向電平設置和調整

4.1.1 正向電平

正向電平指用戶入戶電平，浙江省寧海縣廣播電視臺用電平69±3 dBμV，正向電視端（v端）電平65±3 dBμV。正向數據信號設置：以Cable Modem為例，MOTOROLA CM接收電平要求為65～45 dBμV，其最佳接收電平為55 dBμV。由于在前端調制時，下行數字信號電平比模擬電視信號電平低10 dB，因此，在用戶家中雙向分配器電平為55 dBμV。

4.1.2 反向電平

根據Cable Modem的發射電平范圍，選用一個最佳發射電平范圍，例如MOTOROLA的CM發射電平范圍84～115 dBμV，其最佳發射電平為100～105 dBμV，可選發射電平為103 dBμV。反向激光器驅動功率，根據每Hz功率按業務寬帶來指派：

每Hz功率=激光器總驅動功率-10Lg（上行總帶寬）如總驅動功率為105 dBμV，上行頻段5～65 MHz,即總帶寬為60 MHz，則

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

如分配給CM8個上行信道，每信道帶寬600 kHz，則激光器驅動電平為27.2+10Lg（8×60×103）=94 dBμV/Hz，在業務較少的情況下，可適當提高驅動電平，有利于抗干擾，例如可提高1 dB，取為95 dBμV。

4.2 用戶分配放大器的反向入口電平設置

找出從用戶端到放大器的對反向低頻信號的最大路徑損耗（通常離放大器器最近的用戶到達放大器反向低頻信號的損耗最大），找出用戶中回傳發射功率最低的一種用戶設備（通常Cable MODEM回傳發射功率最低)，放大器反向入口電平=Cable MODEM的發射電平-最大路徑損耗。

一般用戶分配放大器正向輸出電平V/U端100/105 dBμV，離高樓最近的用戶由于電纜距離短可不考慮衰減，用戶家端口電平主要通過分支分配器進行衰減。以69±3 dBμV要求。衰減量最小為34 dB，因此，反向信號衰減也為34 dB，若從Cable MODEM發射的電平為103 dBμV，所以用戶放大器反向入口電平為103-34=69 dBμV，遠離分配放大器的用戶，電纜對正向高頻信號電平衰減將減少。但是，電纜對反向低頻信號的衰減較少，從這些用戶家中CM發射的電平到達用戶放大器反向入口要向于近端的用戶電平，最大可高出6～7 dB（或）更高。因此，就在此高電平的用戶端加裝反向衰減器進行調整，這就是所謂路徑損耗均衡。圖2是一個小區的網絡分配圖。

同理，延長放大器的反向入口電平設置原則與用戶放大器類似，首先找出靠近延長放大器的分支分配的分支損耗（最大損耗），即可計算出延長放大器反向入口電平為：用戶放大器的反向入口電平+用戶分配放大器增益-最大分支損耗；如最大分支損耗為20 dB，用戶分配放大器增益為26 dB，則延長放大器入口電平為：69+26-20=75 dBμV；遠離延長放大器的分支器的分支損耗較小，因此，對反向信號衰減也小，因此就在這些低分支損耗口加裝反向衰減器，進行調整。通常反向光發射機模塊中的RF放大模塊增益為24～30 dB，取其為28 dB。則光發射機的驅動電平最高可達75+28=103 dBμV；激光器要求的驅動電平為95 dBμV，因此，103 dBμV比95 dBμV高8 dB，就在光發射機中加8 dB衰減片使其達到設計要求。

圖2 正學公寓分配網絡整改圖

4.3 回傳通道調整

系統設置所采用電平由于光鏈路長短不一，前端光接收機輸出射頻電平可能不一致，為了簡化前端設置、保證系統載噪比一致，可以選擇特定鏈路的光接收機輸出電平作為參考，而所有光鏈路輸出均以此參考電平為準，對光接收機進行調整。在確定好上述前端的參考電平和光節點輸入電平后，就可以進行整個系統的調整。回傳放大器的作用不是用來放大信號電平，而是補償反向放大器的輸出端，使得前端得到原設定的參考電平。此時，此放大器已經調整好了。對于放大器后面的級聯的放大器，也同樣可以利用上述原理進行下一級的調整。

上述整個過程中，所用調整的方法是以光節點為中心，根據其特性在不失真的情況下最大輸入電平為基礎進行的，在進行某設備調整時沒有也不必要考慮其他設備，放大器級聯時，要先對靠近光節點的放大器進行調整。此設置方式非常簡單，并且保證實際使用過程中不會產生削波失真，并保證最大的C/N。同時，由于整個調整過程中始終以光節點驅動電平為基準來調整放大器，使得整個網絡中所有用戶都是平等的。

這里介紹筆者在工程實際操作的調試方法，以供大家參考。對于回傳通道調試，筆者遵循從反向光接收機—反向光發射機—橋接放大器—延長放大器—用戶分配放大器的順序原則。在反向通道中，使用一個6個載波發生器來模擬傳回的信號。信號發生器在5～65 MHz頻率范圍內均勻地產生6個載波峰值信號的載波，回傳信號到達每個反向放大器的輸入口的電平都設定為88 dBμV，根據公式總功率=每個載波的功率+10Lg（載波數），即每個載波的功率=總功率-10Lg（載波數）。可以計算出每個載波的電平值：88-10Lg6=82 dBμV，調整信號發生器，使每個載波都為82 dBμV。同時，為了將頻譜儀上看到的反向接收機的射頻信號送到調制器上，調制送到下行頻道后用電視機接收觀看。操作步驟如下。

第1步，將信號從光接收機的射頻輸出口輸入，考慮到20 dB的衰減，注入的信號應該為88+20=108 dBμv，光發射模塊要求輸入信號為75 dBμV，測量反向光發射模塊送到下行頻道的輸入電平，選擇合適的衰減片將輸入信號衰減到75 dBμV。

第2步，將前端光接收機的射頻輸出電平調整到90 dBμV，每個峰值的電平為90-10Lg6=82 μV，這是一個參考點，以后就不要再動前端的光接收機了。這樣，整個光鏈路部分的反向調整就完成了，下面是電纜部分的反向調整。

第3步，將108 μV的信號從離光節點最近的橋放大器的射頻輸出口輸入，觀察電視上的頻譜信號。使用合適的反向均衡器調整，使電視上看到頻譜信號在同一水平上。

第4步，因為每個放大器都是單位增益，因此電視上顯示的整個回傳通道的信號電平應該還是90 dBμv，使用適當的衰減器，將整個回傳通道的電平調整到90 dBμV。

第5步，重復步驟3和4，按從上往下的順序將每個放大器都調整完畢。

5 結語

從HFC網絡系統的設計的工作實踐中，應該遵循經下幾點準則。

5.1 光鏈路單位增益準則

光鏈路單位增益準則：選擇一個“參考光鏈路”，以其鏈路增益（損耗）為基礎，將其他鏈路增益（損耗）調整為與參考鏈路相同。實現的方法很簡單，將最長的光鏈路作為參考鏈路，其光接收機的輸出電平最低，以其輸出電平為基準，將其余回傳光接收機的輸出電平調整與其相等即可。

5.2 每Hz固定功率法準則

通常每Hz固定功率法來確定不同業務（不同帶寬）的回傳電平。每Hz固定功率法是：從激光器的可用總驅動功率開始，將該總功率分配到整個上行頻帶，即可計算每Hz功率，然后將每Hz功率分配給不同帶寬和各種業務，即得到不同業務的回傳電平。

5.3 同軸鏈路單位增益準則

回傳同軸鏈路的線路損耗應等于放大器的增益，從而使鏈路實現單位增益，即放大器之間的增益為0 dB，可以使每個放大器輸出的電平相等，可以方便地選擇網絡中分支分配器的值，從而使每各類回傳信號都能達到正確的電平。這一點對回傳系統是非常重要的。

5.4 RF運行電平準則——30 dB法則和用戶電平差異準則——6 dB法則

30 dB法則是RF運行電平準則，指用戶盒到放大器的輸出的損耗應在30 dB以內，這樣系統既滿足正向的要求，也滿足了回傳的要求，并得到了較好的載噪比。6 dB法則指同一分支線路的用戶電平差在6 dB之內,這是由于低頻回傳電纜與高頻電纜差別造成的原因,6 dB法則目的是盡力減少電平差,提高用戶收視質量。

通過改造HFC網絡擴大了有線網絡的覆蓋面，增加了信息傳送的能力，提高了信息傳輸質量和可靠性，確保了電視節目的安全播出；同時，為開展交互業務、數據業務、視頻點播和遠程教育等多功能開發和傳送數字高清晰度電視提供了保證。

[1]唐納德·拉斯金(DonaldRaskin).張文生,周強,譯.有線電視寬帶HFC網絡回傳系統[M].北京:中國廣播電視出版社,1999.

[2]施國強.有線電視網絡技術手冊[M].北京:電子工業出版社,2002.