模拟HFC网络设计

模拟的HFC网络设计1.HFC的概念 (2)2 EDFA的原理及特性 (2)2.2掺铒光纤放大器的构成和特性 (4)2.3 EDFA的优点 (5)3 HFC原理 (5)3.1 HFC (5)4 HFC网的结构和功能 (7)4.1 前端 (8)4.2 干线 (8)5 工程计算 (9)6 性能指标 (9)1.HFC的概念HFC是一种经济实用的综合数字服务宽带网接入技术有线电视网目前在全世界已有超过9.4亿的用户，我国有线电视网自90年代初发展至今，全国覆盖面已达50％，电视家庭用户数有8000多万，成为世界上第一大有线电视网。

随着计算机技术、通信技术、网络技术、有线电视技术及多媒体技术的飞速发展，尤其在Internet的推动下，用户对信息交换和网络传输都提出了新的要求，希望融合CATV网络、计算机网络和电信网为一体的呼声越来越高。

利用HFC网络结构，建立一种经济实用的宽带综合信息服务网的方案也由此而生。

在有线电视系统传输距离不太长时，我们根据同轴电缆的特性，采用分支分配结构就能构成较为经济的电视电缆系统，而在有线电视传输距离较远、范围较大时，我们通常采用光缆、电缆组合搭建HFC网络，在HFC网络的光纤部分我们也可利用分支器件来搭建成本较低的系统。

实际应用中，我们通常采用光分支来实现同一光源带更多的光节点，同时为使光信号传输距离更远，必须对光信号进行放大，以补偿光分支损耗和光纤损耗。

解决这一问题的传统方法是采用光电中继器，而这种光/电/光的变换和处理方式已满足不了现代通信传输的要求。

掺铒光纤放大器直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，并且具有输出功率大、增益高、工作频带宽、与偏振无关、噪声指数低、放大特性与系统比特率、数据格式无关等特点，因此它已成为现代光通信系统的关键器件之一，因而在有线电视HFC系统中格外受到青眯。

2 EDFA的原理及特性2.1 EDFA的工作原理图2-1示出掺铒光纤放大器(EDFA)的工作原理，说明了光信号为什么会放大的原因。

从图2-1(a)可以看到，在掺铒光纤(EDF)中，铒离子(Er3+)有三个能级：其中能级1代表基态，能量最低；能级2是亚稳态，处于中间能级；能级3代表激发态，能量最高。

当泵图2-1（a ）硅光纤中铒离子的能级图 (b) EDFA 的吸收和增益频谱Figure 2-1 erbium-doped fiber amplifier works(a)Silica fiber in the energy level diagram of erbium ions (b)EDFA gain spectrum of absorptionand浦(Pump, 抽运)光的光子能量等于能级3和能级1的能量差时，铒离子吸收泵浦光从基态跃迁到激发态(1→3)。

但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。

如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)，产生受激辐射光，因而信号光得到放大。

图2-2(a)输出信号光功率与泵浦光功率的关系 (b) 小信号增益与泵浦光功率的关系Figure 2-2 characteristics of erbium-doped fiber amplifier(a)Output signal power and pump power relations (b)Small-signal gain and pump power relations002040608020406080转换效率92.6％输入泵浦光功率 / mW输出信号光功率 / m W02001030405101520增益系数6.3 dB / mW输入泵浦光功率 / mW增益 / d B(a)(b)4F 9 / 24I 9 / 24I 11 / 24I 13 / 24I 15 / 21.48 μm泵浦0.65 μm 0.80 μm 0.98 μm 1.53 μm 123光信号 1.48 1.50 1.52 1.54 1.56246246810吸收增益波长 / μm 损耗或增益 /( d B ·m－1)(b)(a)截面 / (×10－25m 2)但是激发态是不稳定的，Er3+很快返回到能级2。

如果输入的信号光的光子能量等于能级2和能级1的能量差，则处于能级2的Er3+将跃迁到基态(2→1)， 产生受激辐射光，因而信号光得到放大。

由此可见，这种放大是由于泵浦光的能量转换为信号光的结果。

为提高放大器增益， 应提高对泵浦光的吸收， 使基态Er3+尽可能跃迁到激发态，图2-1(b)示出EDFA 增益和吸收频谱。

图2-2(a)示出输出信号光功率和输入泵浦光功率的关系， 由图可见，泵浦光功率转换为信号光功率的效率很高，达到92.6%。

当泵浦光功率为60 mW 时，吸收效率［(信号输入光功率-信号输出光功率)/泵浦光功率］为88%。

2.2掺铒光纤放大器的构成和特性图2-3(a)为光纤放大器构成原理图，图2-3(b)为实用光纤放大器构成方框图。

掺铒光纤(EDF)和高功率泵浦光源是关键器件，把泵浦光与信号光耦合在一起的波分复用器和置设计高增益掺铒光纤(EDF)是实现光纤放大器的技术关键， EDF 的增益取决于Er 3+的浓度、光纤长度和直径以及泵浦光功率等多种因素，通常由实验获得最佳增益。

对泵浦输入信号光隔离器波分复用器泵浦掺铒光纤光隔离器输出信号(a)监视和告警电路泵浦监视和控制电路泵浦LDPD 探测器泵浦LD输入隔离器输入WD M输出耦合器输出隔离器输出WD M掺铒光纤热 沉光输入＋5 V0 V －5 V电源监视激光器驱动输入光输出(b )图2-3（a）光纤放大器构成原理图(b) 实用光纤放大器外形图及其构成方框图Figure 2-3 Block diagram of optical fiber amplifiers(a)Schematic optical amplifiers (b)Outline of practical fiber amplifier block diagram form光源的基本要求是大功率和长寿命。

波长为1480 μm的InGaAsP多量子阱(MQW)激光器，输出光功率高达100 mW, 泵浦光转换为信号光效率在6 dB/mW以上。

波长为980 nm的泵浦光转换效率更高，达10 dB/mW，而且噪声较低，是未来发展的方向。

对波分复用器的基本要求是插入损耗小，熔拉双锥光纤耦合器型和干涉滤波型波分复用器最适用。

光隔离器的作用是防止光反射，保证系统稳定工作和减小噪声，对它的2.3 EDFA的优点EDFA(1)工作波长正好落在光纤通信最佳波段(1500～1600 nm)；其主体是一段光纤(EDF)，与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1 dB。

(2) 增益高，约为30～40 dB; 饱和输出光功率大，约为10～15 dBm; 增益特性与光偏振状态无关。

(3)声指数小，一般为4～7 dB; 用于多信道传输时，隔离度大，无串扰，适用于波分复用系统。

(4) 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为20～40 nm，可进行多信道传输，有利于增加传输容量.3 HFC原理3.1 HFCHFC 采用副载波频分复用方式，其频谱安排目前国际上还没有统一标准，但在实际应用中存在一种趋势：HFC 系统有750 MHz 系统， 也有1000 MHz 系统，其频率资源采用低分割分配方案，将下行和上行的各种业务信息划分到不同的频段， 如图3-1所示。

通常安排50～750 MHz(或1000 MHz)为下行通道，5~40 MHz为上行通道。

图 3-1 HFC 原理图 Figure 3-1 HFC schematic50～550 MHz 这段频谱用来传输模拟电视，对于PAL 制式每个信道的频带为8 MHz ，这段频谱能传输(550-50)÷8≈60信道的模拟电视。

550～750 MHz 这段频谱用来传输数字电视，也可以用其中一部分来传输数字电视，另一部分来传输下行电话和数据信号。

5～30 MHz 这段频谱用来传输上行电话信号， 由于每个光纤结点能服务的用户数约为500个，图 3-2 HFC 系统频谱安排Figure 3-2 HFC system spectrum arrangements前 端H D T…光纤结点…抽头ISU 18用户同轴分配网同轴电缆光纤ISU542505507501000话音数据等非广播业务模拟电视数字电视话音或数据个人通信MHz所以每个用户的上行回传信道频带为25 MHz ÷500=50 kHz ；也有另一种分配上行频段的方法， 将其扩展为5～42 MHz, 其中 5～8 MHz 传输状态监视信息，8～12 MHz 传输VOD(视频点播)信令，15～40 MHz 用来传输上行电话信号。

750～1000 MHz 这段频谱用于各种双向通信业务，其中695～735 MHz 和970～1000 MHz 可用于个人通信业务，其它未分配的频段可以有各种应用，也可用于将来可能出现的新业务。

3.2 HFC对模拟视频信号的调制，主要采用模拟的VSBAM 调制方式和FDM 复用方式，便于与家庭使用的电视机兼容； 对于长距离传输，也可采用FMSCM(副载波调频)方式。

对于数字视频信号的调制，可以将数字视频进行BPSK 、QPSK 或64 QAM 调制到载波上，再使用FDM 或SCM 复用方式。

下行的数字话音或数据经QPSK 调制到下行副载波上，上行的数字话音或数据经QPSK 调制到上行副载波上。

经FDM 或SCM 复用后的射频信号或微波信号再对光源进行直接强度调制，经光纤传输后再在接收端解调。

当然，光信号也可采用WDM 、 DWDM 甚至OFDM 复用方式。

图 4-1 HFC 网的结构图 Figure 4-1 HFC network structure4 HFC 网的结构和功能HFC 网主要由前端(HE)、 主数字终端(HDT)、传输线路、 光纤结点(FN)和综合业务单元(ISU)等组成，如图4-1所示。

视频前端的作用是将各种模拟的和数字的视频信号源处交换机H D T…光纤结点抽头ISU1同轴分配网电话数据电视电话数据电视电话数据电视…M-ISU 前端V5.2MPEG-2服务器HFC8理后混合起来。

主数字终端的作用是将CATV前端出来的信息流和交换机出来的电话业务信息流合在一起。

其主要功能有：通过V5.2接口与交换机进行信令转换，对网络资源进行分配，对业务信息进行调制与解调和合成与分解，光发送与光接收，提供对HFC网进行管理的管理接口。

光纤结点的作用主要是接收来自HDT的光形式的图像和电话信号，将其转换为射频电信号，再由射频放大器放大后送给各个同轴电缆分配网；并且还能对上行信号进行频谱安排，综合业务单元(ISU)是一个智能的网络设备，分为单用户的ISU和多用户的ISU，主要提供各种用户终端设备与网络之间的接口、实现信令转换，对各种业务信息进行调制与解调和合成与分解。