[科普中国]-混合光纤同轴电缆接入网

定义

混合光纤同轴电缆接入网，是以光纤作为传输骨干，采用模拟传输技术，以频分复用方式传输模拟和数字信息的网络。也可以说，它是一种综合应用模拟和数字技术、同轴电缆和光缆技术以及射频技术的高分布式接入网络，是电信网和CATV网相结合的产物。它实际上是将现有光纤/同轴电缆混合组成的单向模拟CATV网改造为双向网络，除了提供原有的模拟广播电视业务外，利用频分复用技术和专用电缆解调器实现话音、数据和交互式视频等宽带双向业务的接入和应用1。

基本原理HFC系统构成HFC系统的典型结构由馈线网、配线网和用户引入线3部分组成。

（1）馈线网

HFC的馈线网对应CATV网络中的干线部分，即从前端（局端）至服务区（SA）的光纤节点之间的部分。与CATV不同的是，从前端到服务区的光纤节点是用一根单模光纤代替了传统的干线电缆和一连串的几十个有源干线放大器。从结构上说则是相当于星型结构代替了传统的树型—分支型结构。服务区又称光纤服务区，因此这种结构又称为光纤到服务区（FSA）1。

一个典型的服务区的用户数为500户，将来可进一步降至125户甚至更少。由于取消了传统CATV网干线段的一系列放大器，使得由于放大器失效所影响的用户数减少至500户，也无需电源供给，因而HFC网可使每一用户的年平均不可用时间减少至170分钟，使网络可用性提高到99.97%，可以与电话网相比。此外，由于采用高质量的光纤传输，使得传输质量获得改进，维护成本得以降低。2

（2）配线网

配线网是指从服务区光纤节点至分支点之间的部分，大致相当于电话网中远端节点与分线盒之间的部分。在HFC网中，配线网部分还是采用与传统CATV网基本相同的同轴电缆网，而且很多情况常为简单的总线结构，但其覆盖范围大大扩展，可达5~10km左右，因而仍需保留几个干线/桥接放大器。这一部分非常重要，其好坏往往决定了真个HFC网的业务量和业务类型1。

在设计配线网时采用服务区的概念可以灵活构成与电话网类似的拓扑，从而提供低成本的双向通信业务。将这一大网分解为多个物理上独立的基本相同的子网，每个子网为相对较少的用户服务，可以简化及降低行通道设备的成本。同时，各子网络允许采用相同的频谱安排而不互相影响，最大程度的利用了有限的频谱资源。服务区越小，各个用户可用的双向通信带宽越大，通信质量越好，并可明显的减少故障率及维护工作量1。

（3）用户引入线

用户引入线与传统的CATV网相同，是指从分支点至用户之间的部分。其中分支点上的分支器是配线网和用户引入线的分界点。分支器是信号分路器和方向耦合器结合的无源器件，功能是将配线的信号分配给每一个用户。每隔40~50m就有一个分支器。引入线负责将分支器的信号引入到用户，传输距离只有几十米。它使用的物理媒质是软电缆，这种电缆比较适合在用户的住宅出处铺设，与配线网使用的同轴电缆不同1。

传输媒质（1）光纤

光纤和光缆是接入网中最重要的传输媒质，其性能和价格在很大程度上决定了接入网的发展。HFC网采用光纤的主要原因之一是利用其低损耗特性。与同轴电缆相比，光纤将信号传输7-10km时信号功率损失一半，而同轴电缆将信号传输180m时射频电压信号就损失一半，因而采用光纤可以代替大部分乃至全部干线，消除了影响信号质量和可靠性的最大隐患，干线放大器和电源供给。HFC光纤系统中高动态范围的光收发机和无源元器件均比同轴电缆系统贵很多，在中短期内，光纤将主要用于干线段。光纤是一种高度透明的玻璃丝，经复杂工艺拉制而成，其全称为光导纤维。一根光纤从横截剖面看由三部分组成，即折射率高的芯区、折射率低的包层以及表面的涂层2。

公用电信网中的主导光纤类型为单模光纤，其主要参数有：模场直径、截止波长、衰减率、色度及色散、弯曲损耗。目前常用的光纤为1310nm和1550nm波长区的单模光纤。ITU-T建议G.652规定这两种光纤的衰减系数分别小于0.5dB/km和0.4dB/km。多数国际商用光纤在这两个窗口的典型衰减水平都己低达0.3~0.4 dB /km和0.17~0.25dB/km2。

（2）同轴电缆

电信网的接入网中占主导地位的传输媒质是双绞线，其带宽很窄，信号有辐射，对噪声和环境很敏感，电磁场不能控制，高频电性能很差。而同轴电缆则提供了固有的高带宽特性，工作频率可达1，可传300～600m的距离。同轴电缆是封闭性导体，电磁场能量泄漏很少，不受干扰，也不干扰其它系统且也易于接续和重新配置，损耗不大。适于HFC网络的同轴电缆主要有两类，即配线电缆和引入线电缆，引入线电缆采用在同轴电缆外护层上附加一双绞线的复合电缆结构，可用于供电目的，为业务发展提供了较大的灵活性.2

频谱安排FC网络是频分复用网络，不同的业务分配不同的频带，各种业务之间有一隔离保护带宽。目前，HFC网络主要采用低频率分割的双向复用方式，而且与现有电视制式相兼容2。

世纪HFC系统所用标称频带为750MHz，860MHz和1000MHz，目前使用最多的时750MHz系统。低频端的5~42MHz安排为上行信道，主要用来传送电话，非广播业务等；45~750MHz均用于下行信道；582~750MHz频段主要用来传输VOD、电话及数据业务；高频端750~1000MHz频段已明确仅用于各种双向通信业务，如个人通信业务2。

双向通信HFC网络回传通道的可用频带仅为37MHz，因而必须具有灵活的、易管理的频率规划，载频必须完全由前端控制并由网络运营者分配。一种解决方案是将整个回传通道频带划分为一个个较小的子频带单位，例如2MHz、3MHz或3．5MHz等，使网络运营者可以针对任何业务最有效地使用可用频谱。同时采用动态频率分配方式，使小块电话业务可以灵活地放置在最有利的地方，多个2MHz可以结合起来置入6～8MHz通路内2。

对于回传通道，由于没有通路分配标准，采用接需分配带宽的方式最适合于动态分配带宽，避免受噪声和其它业务的影响。在空闲状态，用户接口单元不占用回传通道带宽，仅在呼叫状态下才从回传通道频带中分配一小段带宽2。

为了传输电话和双向通信业务，前端必须有一个与现有电话网交换机接口的网关，有时称为局用数字终端(HDT)。这是一个智能网络设备，可通过一次群接口与交换机相连。趋势是采用开放的综合接口，如V.5接口，可以消去至配线架并具有网管功能。用户则需要一用户接口单元，称为网络接口单元(NIU)。NIU有微处理器、存储器和控制逻辑，是一个智能的射频调制解调器。它不仅允许用户接入网络．而且可以建立为HDT的信令和通道，处理呼叫甚至监视本身的好坏，与HDT一起还可以进行实时指配和维护。这种以软件为基础的接口单元可以方便地接受网管系统的信息下载，改变功能和业务指配，具有很大的灵活性。可见在HFC上双向通信的关键是增加HDT和NIU，网络的其它部分基本不变2。

调制与纠错技术HFC网是一种上下行频谱非对称的共享媒体网络，尤其适合于许多交互式通讯量不平衡的业务，如VOD、交互式游戏、Intemet接入等为提高传输效率，需要进行数字调制的场合。在上行信道采用抗干扰能力强的QPSK，在下行信道采用调制效率高的64QAM，高速传输数据。数字信息在HFC网络媒体中传输时，由于存在噪声和干扰，需要利用纠错和检测技术。Reed Solomon编码和码位交织是经常采用的FEC技术2。

关键技术接入网作为电信网的一部分，其网络性能的好坏直接影响到整个网络。HFC网络中的噪声与失真，延时特性对网络的性能有很大的影响2。

HFC网络的噪声与失真HFC网络下行通道的传输特性比较理想．影响数据传输的是上行通道的噪声。由于HFC网络的树型分支拓扑结构，噪声在上行通道中积累，使前端形成所谓的噪声“漏斗”效应，使数据传输链路的载噪比大大降低，因此在设计建设交互式HFC网络时，解决上行通道噪声问题是HFC网络成败的关键。上行通道中的噪声是多种因素造成的，影响HFC上行通道信号传输的因素主要有信号的波形失真、网络结构噪声以及系统入侵噪声。HFC网络的结构噪声包括电阻、多级放大器热噪声、散粒噪声以及分支器、分配器等无源器件的衰减、失配带来的噪声等，其中以热噪声为主。热噪声主要来源于各种有源器件，如：RF放大器、家庭里的电视机、录像机等；其次来源于无源器件，如分支器、分配器等2。100个用户时在12-15MHZ时最大C/N也只达到40多dB。从实际测试的结果看，噪声最大的频率大概是在12～15MHz，因而15MHz以下的频率用于数据传输时，需要采用较为可靠的数据传输和纠错技术。

上行通道噪声问题的解决根据各类噪声的特点，采用相应的措施以消除这些噪声，是解决上行通道传输质量问题的关键。热噪声是系统本身所固有的，但可选用具有致冷等抑制热噪声装置的设备，同时确保器件正确安装，就可以大大降低其对系统的影响。对于光纤链路噪声也可以采取两点措施来降低它。(1)选用优质器材，不仅其结构噪声小，而且屏蔽性能也好。例如优质的DFB激光器相对强度噪声（RIN）优于-155dB/Hz；(2)选择合理的上行工作电平。工作电平选择得好可以大大减少系统的失真现象，尤其是光发射机带来的限幅失真2。

在上行通道设备选用、安装合理的情况下，影响系统上行通道传输质量的原因主要是侵入噪声的干扰，这些噪声具有随机性、不规则，对数据通信影响很大，有时达到不能正常工作的程度，因而必须采取措施，予以消除。可通过以下两个方面：（1）增加光节点数；（2）增加用户分配系统的屏蔽，衰减侵入噪声；同时应该注意以下几项：（1）电缆弯曲，电缆弯曲对屏蔽效率影响很大，标准屏蔽型电缆弯曲后屏蔽效率降低29dB：三层屏蔽型电缆弯曲后屏蔽效率降低33dB：四层屏蔽型电缆弯曲后屏蔽效率降低36dB。(2)孔径泄漏和缝隙泄漏，孔径泄漏常常是电缆屏蔽的决定因素。同轴电缆屏蔽层中电流沿外导体流动，屏蔽的一个开口将引起信号泄漏，或外部信号侵入。（3）分支器不用的插孔要用75欧电阻终接，才能屏蔽良好，如果不终接，屏蔽效率下降35dB。(4)用户盒要用铝锌合金压铸，屏蔽效率在90dB以上2。

HFC上行信道QPSK性能分析HFC的特殊问题是上行信道干扰与噪声严重，存在着冲击干扰和窄带连续波干扰。在这样的环境中数字调制解调器的性能肯定与纯高斯的噪声背景下性能不同，如果只考虑高斯白噪声条件下数字调制解调器的性能，或者只讨论冲击干扰对调制解调器的影响，即冲击干扰环境下的最佳接收，或者只考虑冲击与高斯噪声联合作用的影响，都不符合HFC上行信道的实际情况。针对HFC上行信道中侵入干扰与噪声的性质，为QPSK相干解调器提出一个完整的统计模型，其中包括泊松冲击干扰，又包括多个幅度、相位随机，频率分布离散的窄带连续波干扰及高斯噪声。用傅里叶一贝塞耳级数展开的一维简化式，建立QPSK相干解调符号差错概率的广义傅里叶级数逼近算法2。

实现HFC网双向传输最关键的是同轴电缆分配网的质量。通过采用合理的网络设计、选择屏蔽良好的同轴电缆和线路器件、安装性能优良的滤波器、应用抗干扰能力强的调制解调技术、前向纠错技术以及电平控制技术，在HFC网上能够实现双向混合传输模拟电视、数据和话音信号。与电信网、计算机网相比，HFC网具有明显的带宽优势，它是适合我国现阶段国情的宽带接入网，是实现三网合一的有效途径之一。随着电缆调制解调器（Cable Modem）技术的发展和成本的降低，HFC网必将在解决信息高速公路最后一公里的问题上发挥重要的作用3。