城区和市县有线电视网络的HFC升级改造

 
　　提要:本文将主要结合济宁市实例,粗浅介绍利用模拟、数字传输方式进行城区HFC升级改造和市县两级有线电视的光纤联网,同时对设备选型提供部分已实施成功的参考。

　　要害词: HFC 基站 数字传输设备 复用 编解码器

一、前言

　　广播电视作为我国最大的传播媒体,提供从无线到有线、从卫星到地面的广播电视节目传播服务,信息受众拥有数量最多。另外,我国自八十年代初开始发展有线电视,至今已形成世界最大、用户最多的集有线无线于一体、融数模光电于一身的星网结合、上下贯通、技术先进、覆盖全国的有线电视网络。经过几十年的发展,广播电视已形成了独特的系统优势、节目源优势、网络优势和人才优势,在信息的采集、处理、存储、传输等方面也积累了丰富的经验。由于广播电视网、计算机网、电信网以及相关技术的迅猛发展,电信、计算机和有线电视网络业务开始互相渗透,通过单一网络向用户提供话音、数据、图像等综合业务,最终实现"三网合一"已成为人们的普遍要求。随着我国有线电视事业的不断发展,广播电视部门在完成基本主导业务的同时,也积极发掘网络资源,充分利用网络宽带、用户规模大等优势,努力拓展数字传输业务,利用有线电视网开展数据业务等多功能应用已成为有线电视事业的发展方向,同时也成为许多城市信息化建设的重点。

　　为保证有线电视信号的优质传输并发挥有线广播电视传输网在今后我国信息高速公路建设中的优势,必须慎重和尽早实施有线广播电视传输网的升级改造,以提高其在国家信息产业中的竞争能力。而选用什么样的骨干网则又成为传输网升级改造的重点。HFC作为当前比较先进成熟的技术,采用光纤到服务区的方案,可提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目；随着今后数字综合业务的开展,亦可方便融入较高性价比的语音服务、高速数据传输服务和多种信息增值业务,并可开展交互式数字视频应用。另外,HFC技术方案能够根据市场需求平滑地扩容和升级,逐步向全光纤化和全数字化过渡,减少网络投资风险。随着HFC网的不断发展,光纤在网络中所占的比重越来越大,光节点的数量越来越多,最终要实现光纤到户。但由于HFC改造极大改进了网络性能,因此早期在资金不足、用户群相对较小时开展数字综合业务时,使得"光纤到户"的要求不再认为是必须的。这样,HFC就为将宽带业务接入解决了最后一公里的"瓶颈"问题。在HFC网络中,有线电视信号可以直接进入用户的电视机,假如采用新的数字调制技术和数字压缩技术,则可以向用户提供数字电视和高清楚度数字电视（HDTV）。同时,复用不同的频段,可以进行话音和高速的数据的交互传输,这样就使HFC全面支持窄带和宽带业务,成为所谓的综合业务数据网（ISDN）。本文将主要结合济宁市实例,介绍利用模拟、数字传输方式进行城区HFC升级改造和市县两级有线电视的光纤联网,仅供参考。

二、城区HFC升级改造

　　济宁市位于鲁西南腹地,为山东省直辖市,城区有线电视网始建于1989年,和其他地市一样,全部采用同轴电缆传输。在网络内,既有300MHz系统,又有450MHz系统,随着运行时间的增加,问题越来越多,维修任务繁重,更无法满足综合业务数据网(ISDN)开发的要求,进行城区原有网络的HFC升级改造已势在必行。在进行网络的HFC升级改造中,光传输若采用全星形辐射的网络结构,不仅会造成光纤和光功率的巨大浪费,而且很不安全。一旦光纤干线或总前端出现故障,将引起大面积、长时间停播,造成不可挽回的影响。另外,在这种网络结构中,所有交互信息必须集中到总前端交换,难以解决前端回传噪声漏斗汇集问题,而且不利于今后综合业务的发展。所以HFC优势的发挥首先必须要解决的是干线网络结构问题,而利用环-星型拓扑结构组建广播电视HFC网则已基本成为业内人士的共识。在利用环－星形拓扑结构进行有线电视网络HFC升级改造的具体实施过程中,各地均根据各自城区的实际情况将整个城区划分为几个基站,各基站之间以环形自愈网连结,基站与其所辖光节点之间以星形结构接入。基于此,我们把市区的有线电视用户按地理分布情况分成4个服务区。

　　HFC网一级骨干网采用1550nm光发射机环形路由自动保护方式,这是目前技术成熟、投资合理、轻易实现的多频道模拟电视传输手段。前端设有两台光发射机,其中1号发射机的A输出端沿顺时针方向传输主用信号到各基站,2号发射机的A输出端沿逆时针方向传输备用信号到各基站。在每个基站,都从环上取下两路信号分别输入到两台光接收机,射频开关工作在路由备份状态。当主用光路出现故障或信号质量变差时,射频开关将自动接通备份光路,从而保证信号不中断。对于光纤干线来说,其拓扑结构仍是星形,但却做成了一个物理环型自愈网,所以它有100%的保护率。二级HFC接入网利用1310nm星形光纤网络,将信号送到各光节点,然后进入电缆分配系统,形成片区的HFC网络。至于中心前端基站,在具体实施中可以考虑利用1号和2号发射机的B输出端加光开关（Optical Switch）和掺铒光纤放大器（EDFA）,直接进行二级光纤接入。

　　对于模拟光链路指标的设计、计算和验证等此处不作详述。


　　由于中心前端光发射机是整个光纤系统的核心部件,对于它的选择必须十分慎重,须从技术指标、性价比、可靠性、故障造成停播时间长短等多方面综合考虑。单从节约投资的角度,中心前端只配备一台具有双输出端口的1550nm光发射机也可以满足系统的要求,但从系统的可靠性角度分析,这种方案并不可行：假如该发射机出现故障,整个系统将陷入瘫痪,加之中心前端1550nm光发射机一般选用进口设备,维修周期比较长,从而会引发长时间停播,造成不可挽回的影响和损失。另外,选用1550nm光发射机提供主用信号、1310nm光发射机提供备用信号的做法也是不可取的,具体原因如下：当1550nm光发射机出现故障时,由于其维修周期较长（通常情况下都是这样）,1310nm光发射机提供的备用光路信号将在较长时间内工作。由于1310nm光发射机额定指标（C/N、CTB、CSO等）较1550nm光发射机低,加上前端系统指标已固定,在满足整个系统指标、保证用户收视效果的前提下,势必将对二级光纤接入网系统和用户分配系统的C/N、CTB、CSO等指标提出更严格的要求,这在后二者指标分配十分苛刻和拮据的情况下,一般是很难做到的；在这种情况下,假如二级光纤接入网采用1550nm系统,反而会造成系统总体成本的提高,从而使系统性价比降低,这在具体工程实施中是很不经济的。因此,我们在具体实施中,选用Scientific Atlanta公司产品,该产品为单机双口输出,光发及电源选用模块化结构设计,安装调试方便,性价比高,运行稳定可靠。1999年运行至今,工作状况良好,

　　以上是环形骨干网中心前端发端设备配置时的一些考虑,下面讨论环形骨干网收端设备的配置。环形骨干网接收端设备目前有4种典型配置方式可供选择。

　　这四种方式,在许多已经实施HFC升级改造的地方均有应用。第二种方式比较直观而且安装方便,加之由于其是对电信号进行切换,开关机制相对简单,因而技术比较成熟,价格也较低。但也有其致命的弊端：当模块中的射频开关(RF Switch)部分出现故障时,该基站所辖区域会出现较长时间的停播。第三种方式设备也较第一种方式少,安装也比较方便,但由于其是对光信号直接切换,开关机制比较复杂,因而价格偏高；另外,虽然光开关出现故障时可将其暂时拆除而利用光接收机直接接收有用信号,但是,假如光接收机出现故障就可能造成长时间停播事故的发生。第四种方式比较直观,而且CTB、CSO等指标较高（对C/N指标损失也较小）,但由于其也是对光信号直接切换,开关机制比较复杂,加之光放大器（EDFA）价格较高,因而系统总体成本较高；另外,由于这一种方式网络的拓扑结构近似为星-树形结构,由于没有光-电转换,较难实现今后要开展的业务数据的本地处理和交换,因而难以适应将来综合数据双向业务开展的需要。

　　相对其它三种方式而言,第一种方式是最合理的,但由于其光接收机和射频开关是分离的,系统总体成本会略高于第二种方式,但又低于第三、四种方式。从故障造成的停播时间长短上来看,这一种方式也是最短的：当主用光接收机出现故障时,第二部光接收机即刻可提供备用信号；另外,由于两部光接收机同时出现故障的概率很小（但不是没有）,因而当射频开关出现故障时,完全可将射频开关暂时拆除而直接利用光接收机提供射频信号,从而大大缩短停播时间,提高了系统的可靠性。因此,我们在具体实施中,选用ANTEC公司产品,该产品选用模块化结构设计,安装调试方便,性价比高,运行稳定可靠。1999年运行至今,工作状况良好,未出现因设备故障造成的长时间、大面积停播事故。

　　网络改造升级后,除可以完成广播电视节目传输功能外,尚可进行综合数据业务（ISDN）的开发,如：Internet、数据广播、VOD、电缆语音等。目前济宁有线电视台已开展图文电视及数据广播业务,实现了正程图文传输、股票和期货信息传送、远程教育以及部分Internet浏览等功能。

三、市县两级有线电视的光纤联网

　　一般情况下,我国市县距离一般在一百公里以内,市县联网若采用1310nm波长光纤传输系统,鉴于光发射机采用直接调制方式,虽具有较高的载噪比及非线性失真指标、性能亦稳定可靠,但由于激光器直接调制输出功率不可能很大,而光纤传输损耗在1310窗口约为0.4dB（含熔接损耗在内）,不加中继则难以满足长距离传输的要求。增加光/电/光中继后,不但投资增加,而且CNR、CSO、CTB均产生不同程度地劣化。因此,一般不宜采用1310nm波长的光纤传输系统。在1550nm光传输系统中,激光器采用外调制方式,不但具有输出功率大、可靠性高、单位光功率成本现已大幅度下降、光纤损耗小(含熔接损耗在内约为0.25dB)等优点,并且能够进行多次光放大,而光放大器对CTB和CSO指标几乎没有影响,相对比较适合我国人口密集地区市县两级的大范围网络传输。而县至乡信号采用模拟传输一般有下述三种方法：

　　1.在县覆盖乡镇不太多、距离不太远的情况下,直接从前端注入光功率到县后再直接进行分配。这时由于只有前端一次光放大损失CNR,所以信号质量好（0 dBm接收时,CNR=51.5 dB）,到乡镇的光节点光接收功率可设计为0 dBm,此时各光节点的指标可达到：CNR＞51dB、CSO＜-69dB、CTB＜-69dB。

　　2.当各县所覆盖乡镇非常多、距离比较远时,县级发射功率要求比较高,需要在其有线电视站安装一台相当功率的光放大器。值得注重的是：为保证光放大器指标,其注入功率不应太小,一般大于等于3dB。如需要在县至乡的信号中插入一套县自办节目,利用WDM波分复用器即可实现。

　　3.利用1310nm系统作再生中继,即将1550nm 光信号光/电转换后的射频信号加到1310nm光发射机上,再进行下行分配。这种方法的最大弱点是：再生中继损失CNR3dB、CTB6dB、CSO4dB,使得系统指标降低,网络总体造价升高。下面将重点讨论利用数字传输方式进行市县两级有线电视的光纤联网的设计及实施方法。

当前,采用数字光纤传输技术进行市县两级有线电视的光纤联网有以下两种典型方式：

　　⑴采用SDH传输体制加MPEG-Ⅱ或浅压缩的编解码方式：这种方式传输距离远、图象质量高,容量大,具有多功能开发的潜力,但投资相对较高。

　　⑵采用数字专网设备：发端利用不压缩的数字编码器,多路数字信号复合为一路高速数据流,经电光转换后进行传输,收端进行相反处理。这种方式传输距离远、图象质量高,投资相对较低,具有一定的多功能开发潜力,而容量不大,但作为有线电视信号的传输平台并开展小容量数据业务相对比较经济。


　　㈠系统功能设计及设备配置

　　系统除完成12套电视节目下传任务外,为适应节目交互和多功能开发需要,还必须能够进行双向传输。下行光波长我们采用1550nm,因部分县市光链路较长（80～110Km）,上行光波长1550 nm、1310 nm均有采用。据此,经过反复论证,我们选用DV6000系列数字传输设备。这是一种全编码数字视频传输系统,视音频传输指标较高,具有一次群、三次群数据传输模块,可将视音频编解码器和数据模块置于同一机框。每个编解码器对视音频信号抽样、量化、编码后的数码率为140Mbps,16个通道复用后总的数码率为2.38Gbps,系统答应最大链路损耗30 dB。总前端和县市11个分前端使用相同的机框,分别插入不同的设备以完成各自的功能。每个机框内各配置有两个相同的电源模块,除完成热备份功能外,还可进行负载的自动平衡分担。总前端光发系统分别使用12个8bit和一个10bit编码器,经复分器将多路140Mbps信号复合为一路2.38Gbps信号,送入两台DFB光发射机下传至各分前端。各分前端通过一台光接收机将光信号恢复为高速数据流,按与发送端相同的帧结构经复分器同步复分为多路数字信号,分别相应送入12个8bit和一个10bit解码器,经D/A转换生成AV信号。上行系统由一个10bit编码器（带4路音频）和一台光发射机组成,总前端使用相应的光接收机和解码器还原出上行信号。上、下行光发射机输出功率均为0dBm(1mW),满损耗（30dB）时的误码率不大于10-9。通过合理设计,使分前端光接收机输入光功率基本一致（均不低于-28 dBm）,不仅满足系统指标设计要求,而且解决了难以设置光中继点的问题。

　　㈡小容量数据业务的开展

　　说明：济宁市宽带、大容量综合数据平台已经建成开通,采用ATM+ip技术。具体方案另有介绍,此处不作赘述。

　　目前,济宁数字传输系统已向市辖各县（市）传送12套电视节目,此外,利用网络的双向功能,可实现全市电视会议、各县（市）新闻联播及话务联络、数据传输等功能。

　　在数据传输中,根据业务量大小有两种方案可供选择。系统编译码器有8 bit和10 bit两种量化标准,都能传输16个通道,利用波分复用技术可使传输容量增加数倍。每个通道除可传输一路视频外,还可传输2路（8 bit）和4路（10 bit）音频,各路音频相互独立。上行采用DV6300单路回传设备,可同时传输一路视频和4路音频。4路音频除开通一路伴音、一路话务外,其余两路伴音通道也可进行数据传输。在利用10bit编码器DV6101和解码器DV6102的C、D伴音通道进行低速广播共享数据传输时,编码器要求模拟信号输入（带宽20kHz）,利用QPSK和QAM等调制方式,每路可传输19.2kbps至64 kbps数据。如要求进行点对点数据传输,可以利用DV6081HE 和DV6082（8bit编、译码器）两路伴音中的CHB来进行,在DV6081前加调制器,而在DV6082输出后加解调器,并通过路由器进行交换。

　　为利用该数字传输设备传输证券信息或作为Internet传输干线将各县（市）LAN进行互联,由于利用伴音通道传输数据速度太慢,可在总前端和分前端DV6000机框内任一空闲通道配置E1/E3盘。E1/E3盘有4个输入口,上下行系统的编码译器接口完全相同,传输速率为2×2 Mbps和2×34 Mbps,而且是共享的。另外,可采用时分复用技术,每个分前端分配一个时隙以实现点对点通信。假如利用一个视频双向通道,同时配置接口盘与DV6100以太网设备复接。由于DV6100以太网设备具备一个100Base-T和10个10Base-T接口,可满足较小容量网络的组网要求。该系统开通以来,主要承载市至县部分有线电视节目的下传及电视会议的下传、回船业务,图象、声音清楚,设备稳定可靠、运行良好,各项技术指标经测试均满足国标要求。