HFC网络基本知识0110.docx
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HFC网络基本知识0110
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HFC网络常识
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HFC、频谱、网络结构、器件、工程计算
摘要：
数字技术的迅猛发展使得计算机网络、公共电信网和有线电视网这三大业务网络开始互相渗透。
HFC（光纤/同轴电缆混合网）因其良好的频带资源、覆盖范围和业务综合能力成为业界倍受瞩目的三网业务载体之一。
当前发展的HFC网络是建立在有线电视同轴网基础上的双向交互式宽带网，它保留了传统的模拟传输方式，同时充分利用现有的有线电视同轴电缆资源，不需重新铺设配线网，就可为用户提供电话、广播电视、视频点播、Internet接入、视频会议、数据等多种业务。
由此，HFC的低成本、宽频带和多业务特性使它成为解决最后1公里宽带接入的优选方案。
作为HFC网络中数据、语音业务接入的关键部件，由我司提供的CMTS（CableModemTerminationSystem）设备：
SmartAXMA5800有线电视电缆宽带接入设备（简称MA5800）采用了最新的IP传输技术，具有高速数据处理能力，保证端到端QoS（QualityofService，服务质量），提供可靠安全的服务保障。
本文针对HFC的络常识进行介绍，相信对大家了解这一技术会有所帮助。
缩略语清单：
参考资料清单：
第1章HFC网络常识
1.1HFC网络的概念和发展
1.1.1HFC网络的发展
HFC网络是从有线电视网络发展而成，在有线电视出现时，网络规模较小，称作共用天线系统，网络线路一般由纯粹的同轴电缆组成。
后来网络规模扩大，由于信号在电缆中得损耗较大，一般要每隔200-300m得距离上加入放大器中继，由于在加入放大器得同时也引入了噪声，经过多级放大器后，信号的载噪比下降到使用户的收视质量不能接受，因此靠纯粹的同轴电缆不能将信号送得太远，后来随着光纤技术的成熟，光纤被引入到有线电视网络，光纤具有损耗小、不受电磁干扰、传输带宽宽等优点。
有线电视网络上原承载的业务一般只有电视和调频广播，这些业务都是单向的，只有从局端（前端）向用户的信号，而没有从用户到前端的信号，用户处于被动接受的位置。
随着数据通信的发展，以及对承载网络的数据传输速率要求越来越高，人们自然想到了有线电视网络，因为有线电视网络在我国已进入了千千万万的用户家中，具有广泛的接入基础，而且网络具有很高的带宽能力，十分有利于开展高速数据接入。
但原HFC网络是单向结构，也就是说信号只能从局端向用户广播，用户不能向局端发送信号，无法实现交互式业务，因此HFC网络需要进行改造，使之具有双向通信能力。
目前我国许多地区的HFC网络已开始进行了网络双向改造并实现了宽带的数据接入。
1.1.2HFC网络的概念
HFC是HybirdFiberCoax的缩写，意思是混合的光纤同轴网，指的就是有线电视网络。
光纤同轴混合网是这样一个网络：
在局端有前端设备进行有线电视信号处理，把信号调制到指定的载波上，主干线路使用光纤或低损耗同轴电缆传输载波信号，在用户小区使用同轴分配网络分配下行载波信号。
以上的定义还只是单向业务的HFC网络，如果要在HFC网络上承载数据业务，网络还必须具有反向转送能力。
目前我们所指的HFC网络都是承载双向业务的网络。
按流向，HFC网络上存在上行和下行两种信号，下行信号指有线电视载波或CMTS（头端）发送的数据载波，以广播的形式从前端传输到各用户家中。
上行信号指CM发送的数据载波，是点对点的形式从用户回传到局端。
下行信号也叫正向信号，上行信号也叫反向信号。
1.2HFC网络的网络结构
HFC网络一般由前端、干线和分配网络组成。
图1-1HFC网络结构
1.2.2前端
原先对前端的定义是进行电视信号处理的机房，在前端，设备完成有线电视信号的处理，从各种信号源（天线、地面卫星接收站、录象机、摄象机等）解调出视频和音频信号，然后将音/视频信号调制在某个特定的载波上，这个过程称为频道处理。
被调制的载波占用8MHz的带宽，载波频率有国家标准规定，一路电视信号就是一个频道。
在前端多个这样的不同频率的载波被混合，混合的目的是为了将各信号在同一个网络中复用（频分复用）。
开展数据业务后，前端设备中又加入了数据通信设备，如路由器、交换机等。
1.2.3干线
正向信号（有线电视信号载波和下行的数据载波）在前端混合后送往各小区，如果小区离前端的距离很近，直接用同轴电缆就可以传送，在主干线路上的同轴电缆线路叫作干线。
干线一般采用低损耗电缆，但一般300m左右的距离就需要加入放大器。
如果小区离前端较远，如5-30Km，这样的距离传送就需要采用光传输系统。
请注意这里所讲的光传输系统不是指PDH或SDH，而是模拟的光传输系统，模拟光传输系统相对于数字传输系统，要求光端机有较高的发射或接受功率，以保证长距离传输后仍能使信号具有较高的载噪比。
光传输系统的作用是将射频信号（RF）调制到光信号上，在光缆上实现远距离传输，在远端光节点上从光信号中还原出RF信号。
光传输系统中的光发射机一般放置在前端机房，光接收机放置在小区。
对于传输距离特别远的线路，可以在线路中加中继，将光放大后在续传。
有些HFC网络为了节约资金，在光传输系统或主干线下还使用支干线传输，支干线用的同轴电缆一般较主干线同轴电缆稍小，损耗稍大，但成本要低。
反向信号（上行的数据载波信号）的传输路径与正向信号相反。
各用户的上行数据载波信号在远端光节点上汇聚后，调制到反向光发射机，从远端光节点传送到前端机房，在前端机房从反向光接收机还原出RF信号，送入CMTS。
正向信号和反向信号一般采用采用空分的形式在不同的光纤上传送。
反向光发射机与正向接收机可以构置在同一个机壳中，称之为光站。
光传输系统结构如图2-2。
图1-1光传输系统
1.2.4小区分配网络
用户分配网不仅完成正向信号的分配，还完成反向信号的汇聚。
正向信号从前端通过干线（光传输系统或同轴电缆）传送到小区后，需要进行分配，以便小区中各用户都能以合适的接收功率收看电视，从干线末端放大器或光接收机到用户终端盒的网络就是用户分配网，用户分配网就是一个由分支分配起串接起来的一个网络。
如图2-3。
图1-1用户分配网络
各用户的上行数据信号在CM中被调制，上行数据载波信号沿着正向信号相反的路径汇聚到光站上。
分支分配器的输出输入端口具有互易性，对正向信号起分支分配的作用，对反向信号起混合汇聚的作用。
尽管上行数据载波信号从用户端到光站的线路与下行载波信号从光站到用户的线路相同，但由于下行信号工作在高端频率，上行信号工作在低端频率，在同轴电缆上的损耗不同而使两者在同样的线路上损耗不一致。
1.3HFC频谱
1.3.1频谱规划
有线电视的频谱规划如下：
图1-1HFC频谱规划
上行频段
（Upstreamdata）
模拟和数字电视频段
（AnalogTV&DigitalTV）
下行频段
（Downstreamdata）
美标
DOCSIS
5-42MHz
50-550Mhz模拟电视
550-750Mhz数字电视
750-860Mhz
欧标
euroDOCSIS
5-65MHz
87-550Mhz模拟电视
550-750Mhz数字电视
750-860Mhz
表1-1HFC频谱规划表
我国采用的标准接近euroDOCSIS，但目前网上也有CMTS设备是采用DOCSIS标准。
1.3.2模拟电视和数字电视频段
在原来的有线电视网络上开展的业务只有电视，国家标准规定了各频道的频率划分，如：
频道代号
频率范围（MHz）
图象载波频率（MHz）
伴音载波频率（MHz）
DS-1
48.5-56.5
49.75
56.25
…
…
…
…
Z-21
327-335
328.25
334.75
…
…
…
…
不同的电视信号被调制在不同频道的载波上，这些载波混合后以广播的形式送到各家各户。
1.3.3下行频段
数据下行载波频率规定在750MHz以上，但实际上数据也可以被调制在电视频段的空闲频道上。
下行RF信号频谱（部分）如图1-2。
图中频谱由2个模拟的电视信号频道和一个数据载波组成。
每个模拟频道占8MHz带宽。
兰色是数据载波，占6MHz带宽（DOCSIS标准为6MHz，euroDOCSIS标准为8MHz）。
一般下行数据载波的电平要求比模拟电视的图象载波电平低10dB左右。
图1-1频道频谱
1.3.4上行频段
目前在HFC网络上逐步开展起来的数据业务是交互式业务，不但有从前端送往用户的下行信号，还有从用户上传的上行信号。
CM的上行数据载波频率在CMTS上设置，上行载波频率的选择不固定，在5--42/65MHz的频段内，各HFC网络可任选一个固有噪声小、突发噪声少的频带作为上行载波。
但一般选择在20MHz以上，因为20MHz以下一般噪声较大。
观察上行频段噪声情况可以使用频谱分析仪。
按照DOCSIS标准，上行载波的频率带宽有5种：
200KHz、400KHz、800KHz、1600KHz、3200KHz，可根据噪声和速率要求选择，频率带宽越宽，速率会越大。
上行频率、带宽、接收功率等参数就决定了CMTS的一个上行通道，CMTS定时下发这些上行通道的参数，某个CM（CABLEMODEM）注册后根据配置文件上的设置选择上行通道。
同时使用该通道可以有多个CM，上行通路在时间上被分割成许多段，每个CM根据设置的服务级别分占这些时间段，时间段占的越多上行带宽越宽。
同一通道中不同CM的上行信号是时分复用。
1.4数据信号的调制
上行RF信号是从千家万户的终端回传，是从多点汇聚到一点，存在噪声累积的问题。
根据一些测试结果，大部分的噪声来自用户家中的电器，其次线路上由于电缆和接头屏蔽不良，也会引入外界噪声，设备本身也会产生噪声。
如果线路设计或或改造不好，回传噪声过大，可能使CMTS不能从噪声中分辨出信号，或者解调出的信号错误较大，引起大误码甚至根本不能解调信号。
由于上、下行通道的特性不一样，上、下行数据信号的调制方式也不一样。
下行通道有载噪比高、下行数据量大的特点，下行数据需要采用较高频谱利用率的调制方式，而抗干扰能力不强调，一般下行数据信号采用256QAM或64QAM的调制方法；而上行通道由于存在漏斗效应，前端噪声累积严重，要求上行数据信号采用抗干扰能力强的的调制方式，一般采用16QAM或QPSK，这两种调制方式频率利用律较低，数据速率小。
上、下行数据载波信号采用了不同的调制方式、不同的载波带宽，因而上下行信号的数据传输速率也是不同的。
一个6MHz带宽的下行数据载波采用256QAM的调制方式，其数据传输速率可达40Mb/s；而一个3.2MHz带宽的上行数据载波采用16QAM的调制方式只有约10Mb/s的数据速率。
这种非对称的数据传输速率与上网、点播等业务是相适用的。
1.5HFC网络中常见器件
1.5.1放大器
放大器的作用是将RF信号进行放大，干线使用的放大器质量较好，固有噪声小，输出功率较小，延长放大器置于网络末端，输出功率较大，但质量较干放稍差。
正向放大器的增益一般在28dB左右，有2-3级放大电路，而反向放大器一般只有1级放大电路，增益较小。
这与上下行信号在电缆上的损耗相适用。
正向放大器和反向放大器可以分别放置在线路上，但多数情况下两者都装置在同一个铝壳中，共用电源，在输入输出口用双工器进行信号分割。
放大器置于同轴电缆线路上，它的供电一般采用60V交流电源供电，电源从节点上引入，与RF信号共缆传输。
在同轴电缆上信号随频率变化损耗也变化，频率越高，损耗越大。
在放大器内一般还有均衡电路，对高低频信号进行均衡，使到达某个节点的信号从频率到高段都相等。
均衡的原理就是加大低频信号的损耗，以弥补信号在电缆上的差异。
1.5.2衰减器
衰减器的作用与放大器相反，它是将信号进行衰减。
HFC工程中存在多种形式的衰减器，我们一般使用衰减棒，衰减棒的规格有6dB、8dB、10dB、16dB等。
如图：
图1-1衰减器
1.5.3分支分配器
分支分配器是定向藕合器，是将信号进行功率分配的器件，将一路信号分成多路信号。
按照输出功率异同，分为分配器和分支器。
如果输出信号相等，称为分配器，常见的分配器有二分配器、三分配器、四分配器等。
如果输出信号功率不相等，称为分支器，常见的分支器有一分支器、二分支器、三分支器、四分支器等，分支端口分别是1、2、3、4个，分支器输出端口除了分支端口外一般还有一个主输出端口。
分支端口的输出功率相对输入端口的损耗常见的有8dB、10dB、12dB、14dB、16dB、18dB、20dB等，主输出端口的输出功率较大，插入损耗一般只有1-5dB，即主输出端口的输出信号比输入端口信号小1-5dB。
图1-1二分配器
图1-2四分配器
1.5.4混合器
将分支分配器反过来用，即将输入端口变成输出端口，将输出端口作输入端口使用，分支分配器就成了混合器，混合器的作用是将多路信号合成一路。
无论正向使用还是反向使用分支分配器（或者说混合器）输入输出端口间的损耗是相同的。
在双向HFC网络中，分支器、分配器同时有正向信号和反向信号通过，很难讲它是分支分配器还是混合器，也没有必要区分。
只要记住分支分配器以下2个特点，我们就能很熟练地使用它，
1、互易性：
分支分配器的输入和输出端口具有互易性，即信号从输出端口流向输入端口的损耗与信号从输入端口流向输出端口相同。
2、输出端口之间隔离：
即信号不能从一个输出端口流向另一个输出端口，信号只能在输入和输出之间传送。
1.5.5F连接头
在HFC网络中，电缆与设备或器件的连接一般采用F连接头，F连接头是旋插型的连接头，网上使用的有公制和英制两中形式，公制的母头只能和公制的工头很好地连接，英制的母头只能和英制的工头很好连接。
根据电缆的大小，接头也有不同的型号，线缆是母头，器件和设备是公头。
在工程上电缆接头一般现场制作。
图1-1F头
1.6工程计算
工程上对RF信号一般不使用绝对值来计算，而采用对数的方式来计算和描述，如放大器的增益用“30dB”描述，分支器分支损耗用“xxdB”表示等。
将绝对信号功率取对数表示，如20mv对应的分贝数是
20log1020=26（dBmv）或20log=86（dBuv）
注意：
同一个功率，用dBmv表示，其读数比用dBuv做单位的读数小60。
举例：
如图，A点（线路输入点）信号功率是95dBuv，经过300m的同轴电缆，进入放大器，放大后分支。
图1-1信号电平（功率）计算图例
假设同轴电缆上损耗是12dB/100m，放大器增益是30dB，分支器的分支损耗是8dB，那么B点（分支器输出端）的信号大小是：
95-300*12/100+30-8=81（dBuV）
MA5800的功率单位采用的是1/10dBmv，例如要将下行信号的功率设置成56dBmv，那么在配置时输入的数字就是560。
1.7如何搭建一个典型的测试网络
许多情况下，局方对自己的HFC网络质量并不是很清楚，一旦设备安装起来后，局方可能会先要求在机房先接入1、2个CM看看，这就需要工程人员简单地搭建一个测试网络，搭建测试网络需要知道MA5800和CM的功率发送和接收范围。
发射功率范围（dBmV）
典型值（dBmV）
接收功率范围（dBmV）
典型值（dBmV）
MA5800
50--60
55
-16--+14@200kHz带宽
-13--+17@400kHz带宽
-10--+20@800kHz带宽
-7--+23@1600kHz带宽
-4--+26@3200kHz带宽
0
CM
8--58
45
-15--+15
0
表1-1MA5800和CM的功率设置范围
CM比较典型的测试网络如下：
图1-2典型的MA5800测试网络图
因为在测试环境中同轴电缆都很短，一般只有几米，其损耗可以忽略不记。
CMTS下行通道发射功率的设置：
58dBmV
CM的接收功率的估算：
58-16-7-32-3=0dBmV
CMTS上行通道接收功率的设置：
0dBmV
CM的发射功率的估算：
3+32+7+0=42dBmV
1.8如何将MA5800接入实际的HFC网络
在已有有线电视业务的HFC网络上开展数据业务，MA5800该如何接入实际的HFC网络呢？
当然可以要求局方工程人员来进行这个工作，但我们也应该了解：
1、下行信号
下行信号从HFC接口板的下行端口F输出，下行端口应该连接到混合器，混合器的作用就是将所有的电视信号和数据下行信号混合在一起后，送往各线路。
注意数据信号的载波功率应该比模拟的电视载波电平低10dB，例如如果模拟电视信号载波送入混合器的电平是95dBuV，那么下行信号数据载波的功率应该是85dBuV左右。
这个功率85dBuV并不是点频的电平数值，而是整个通道内数据所有数据载波的功率总和。
实际操作中建议请局方人员用频谱分析仪观察，比较模拟电视图象载波和数据载波的峰值电平，二者相差约24dB左右即可，具体的计算请参考相关书籍。
参考图1-5。
图1-1模拟载波和下行数据载波电平
下行信号到混合器的信号功率的调整可以通过在CMTS进行配置修改，但最好通过混合器和MA5800之间的线路上加衰减器等器件调整。
图1-2下行信号连接
2、上行信号
上行信号从各小区通过反向光转输系统或干线回传到前端，按照局方的要求，不同的小区可以分别单独送入MA5800各上行端口，也可以混合后同时送入一个上行端口，还可以部分混合送入某个上行端口，如图：
图1-3上行信号连接
用户端CM的发送功率是由CMTS上接受功率的设置和上行信号线路损耗共同决定的，因而CM的发射功率的数值是被动决定的。
关于这点，可能比较难以理解，请大家参看DOCSIS协议中关于RANGING过程描述。
形象地可以理解为CM是智慧终端，它能知道自己应该发送多大的功率才能保证上行信号到达CMTS时满足CMTS的要求。
当然如果上行线路损耗过大，CM则无法保证到达CMTS的上行信号功率满足要求，这时CM就无法RANGING成功，当然也就不能在CMTS上注册了。
在这种情况下，工程人员应该建议局方人员检查上行线路的损耗情况。
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