HFC回傳通道的非線性失真噪聲電子版本

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。HFC回傳通道的非線性失真噪聲-HF回傳通道的非線性失真噪聲摘要：本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳通道的噪聲作了簡(jiǎn)單的概述，并依據(jù)廣州市有線電視網(wǎng)絡(luò)上的情況，重點(diǎn)討論了激光器削波和公共路徑失真兩種非線性失真。NonlineardistortioninHFCnetworkReturnPathAbstract：ThispapersummarizesbrieflythenoiseinHFCnetworkreturnpathAndstressesLaserclippingandCPD，accordingasGuangZhouCA

2、TVnetwork一、引言如何對(duì)付回傳噪聲是困擾回傳業(yè)務(wù)發(fā)展的主要技術(shù)難點(diǎn)。作者認(rèn)為，在眾多的噪聲分類方法中，按噪聲的來源進(jìn)行分類對(duì)實(shí)際工作最具指導(dǎo)意義，而研究噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響則按噪聲的波形進(jìn)行分類。下面依據(jù)廣州市廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司的網(wǎng)絡(luò)情況，對(duì)其存在的噪聲進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸類：一光纖鏈路噪聲。目前大多數(shù)的城市都使用短距離光纖，因此主要是選購(gòu)相關(guān)強(qiáng)度噪聲較小的激光器，如IFP。二放大器等設(shè)備的熱噪聲。三侵入噪聲。（1）來自周圍的空間。通過一些密封性不好的地方侵入HFC系統(tǒng)，如：松動(dòng)的接頭、松動(dòng)的設(shè)備外殼、電纜破損或老化后屏蔽性下降、沒加終端負(fù)載的分支分配、非法的線路等。（）來自用戶家里。主要源

3、頭是電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、機(jī)、電機(jī)、家用放大器等設(shè)備。為了區(qū)分這些侵入噪聲對(duì)通信質(zhì)量的影響，我們需要按這些干擾的波形進(jìn)行分類：（）脈沖噪聲。通常為人造源：電視等家用電器的開關(guān)切換，帶電機(jī)的家用電器的使用。出現(xiàn)頻率一般為每秒幾次到幾十次，它導(dǎo)致掉包率上升。由于長(zhǎng)度大的包更容易比脈沖噪聲破壞，所以我們可以減少數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，同時(shí)增大FEC的能力，將獲得很好的抵抗能力。在實(shí)際的使用和測(cè)試中（BW3240和ArrisC3），采用S-CDMA方式比A-TDMA和TDMA有更強(qiáng)的抵抗能力。（）穩(wěn)定的單載波干擾。如電視圖象中頻泄露：Z或45.75z（，出現(xiàn)在兼容機(jī)和改裝機(jī)）；57.75MHz的開路電視信號(hào)等。Arr

4、isC3最新的CMTS采用電子抵消技術(shù)，能很好地識(shí)別這些幅度穩(wěn)定的干擾。此外對(duì)信號(hào)進(jìn)行分割并放在幾個(gè)副載波（而不是一個(gè)）上傳送（OFDM技術(shù)）也是一種很好的方法。當(dāng)然，來自常見設(shè)備的泄露和穩(wěn)定的空中電波的單載波干擾，最好的方法還是避開該頻率。（C）頻譜比較連續(xù)的類高斯噪聲干擾。最常見的是由于電纜破損、老化、中心和外皮有短路，而接收下來的自然環(huán)境噪聲。入侵噪聲是雙向業(yè)務(wù)開展初期影響回傳系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素。但運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)過各種處理的HFC回傳系統(tǒng)開始趨向于穩(wěn)定，維護(hù)人員也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，入侵噪聲的影響程度開始下降，而回傳激光器削波失真和公共路徑失真等由系統(tǒng)里非線點(diǎn)引起的噪聲變得越來越重要。

5、二、非線形失真的基本理論非線性系統(tǒng)的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系可用下式來表示：Uo=K1Ui+K2Ui2+K3Ui3+當(dāng)輸入只有一個(gè)載波時(shí)候，輸出也只有其基波和諧波。當(dāng)輸入信號(hào)為2個(gè)載波時(shí)，Ui=ACOSat+BCOSbt,代入上式并化成一次三角函數(shù)的形式：Uo=K1(ACOSat+BCOSbt)+K2(A2B2)+A2COS2at+B2COS2bt+ABCOS(a+b)t+ABCOS(a-b)t+K3A3COSat+B3COSbt+A3COS3at+B3COS3bt+A2BCOS(2a+b)t+A2BCOS(2a-b)t+AB2COS(2b+a)t+AB2COS(2b-a)t+3AB2COSa

6、t+3A2BCOSbt式中的項(xiàng)是我們所需要的信號(hào)。項(xiàng)為二次失真的產(chǎn)物：第1項(xiàng)是直流分量；第、項(xiàng)為二次諧波項(xiàng)；第、項(xiàng)是拍頻項(xiàng)。項(xiàng)為三次失真的產(chǎn)物：第1，2項(xiàng)為基本頻率項(xiàng)，但存在幅度失真；第3，4項(xiàng)是三次諧波項(xiàng)；第5-8項(xiàng)是拍頻項(xiàng)；第9，10項(xiàng)的為交調(diào)失真項(xiàng)。交調(diào)失真是一種幅度失真，其頻率仍是基本頻率但卻疊加了多個(gè)頻道的幅度。互調(diào)失真是屬于頻譜失真，如第項(xiàng)。三、回傳光發(fā)射機(jī)削波失真加到激光器上的RF信號(hào)足夠大，在負(fù)方向上使驅(qū)動(dòng)電流低于驅(qū)動(dòng)門限時(shí)，將會(huì)引起削波失真。（1）各種信號(hào)引起激光器削波的特征（）穩(wěn)定的單載波引起的激光器削波上圖中頻譜分析儀的分辨帶寬是375KHz，單載波信號(hào)的頻率為15.5M

7、Hz。特征：i)回傳通道內(nèi)總功率很大，用測(cè)到的功率減去到激光器的鏈路損耗得出的值應(yīng)該比閥值電平要高。ii)根據(jù)前面提到非線性失真理論，失真的產(chǎn)物主要集中在2次諧波（31MHz）、次諧波(46.5MHz)等等。iii)高次失真產(chǎn)物的幅度呈指數(shù)性質(zhì)衰減。iv)本實(shí)驗(yàn)中光節(jié)點(diǎn)使用的是MHz低通濾波器，所以MHz以上的失真噪聲成為激光器削波的最大特征。大多數(shù)激光器的工作帶寬是MHz，對(duì)于使用MHz高分割的系統(tǒng)，MHz存在非線性失真噪聲是激光器削波區(qū)別于其他噪聲的最明顯特征。（）信號(hào)引起的激光器削波信號(hào)的帶寬越窄就越接近單載波時(shí)的情況，但它攜帶的畢竟是數(shù)字信號(hào)，回傳通道里也可能有多個(gè)載波，因此其失真產(chǎn)物

8、會(huì)隨其帶寬和載波的增加而迅速增加。下圖使用了一臺(tái)Terayon的TeraLink1000主控制器（MHz帶寬，調(diào)制，技術(shù)）和一臺(tái)Terayon的（.MHz帶寬，技術(shù)），在分辨帶寬不高（375KHz）的測(cè)試儀表看來，失真信號(hào)已經(jīng)變得很接近連續(xù)頻譜了。（C）平坦高斯白噪聲引起的激光器削波可以看作是連續(xù)頻譜的多載波信號(hào)引起的失真，其失真產(chǎn)物應(yīng)該也是連續(xù)頻譜的，所以效果就是引起白噪聲幅度的提高。我們?cè)诔Ｒ姷挠迷肼暡蹨y(cè)激光器NPR的實(shí)驗(yàn)中會(huì)見到，這里省略。（）單載波信號(hào)引起的激光器削波對(duì)通信的影響平坦高斯白噪聲引起的削波沒遇到過，而信號(hào)引起激光器削波通常是由回傳光接收機(jī)損壞導(dǎo)致輸出信號(hào)下降或者是到CMT

9、S通路中有器件衰減偏大等原因引起，都比較容易解決。還有就是回傳通道過多的CM同時(shí)發(fā)送請(qǐng)求（此時(shí)是沖突狀態(tài)），也有可能導(dǎo)致激光器削波，所以我們要均衡CMTS每個(gè)上行口的CM數(shù)。而我們通常遇到的是單載波引起的激光器削波，因此我們只討論該情況下的影響。同時(shí)，以廣州市廣播電視網(wǎng)絡(luò)有限公司的情況來看：工作在dBmV，與常見信號(hào)發(fā)射器的最大功率接近；星型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，每個(gè)終端損耗差異少于dB；激光器工作點(diǎn)距離削波點(diǎn)有dB余量。由此看來，最常見的削波情況是剛好超過閥值幾個(gè)dB淺削波狀態(tài)。在繼續(xù)說這個(gè)問題之前，我想先說一下另一個(gè)與它密切相關(guān)的問題：使激光器削波的是某一時(shí)刻加到它上面的功率（瞬時(shí)值)，而我們常用的儀

10、表測(cè)量的是信號(hào)功率的有效值而不是峰值功率。例如一個(gè)正弦波，它的有效電壓為，則其峰值電壓（瞬時(shí)值）為：max有效值（的開方）dB峰值因子定義為：lg（max/有效值），它表示信號(hào)峰值和有效值的差距。下面是幾種信號(hào)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的峰值因子（dB）：信號(hào)類型正弦波540MHz回傳噪聲塊QPSK10Mbit/s16QAM20Mbit/s測(cè)得峰值因子313911實(shí)驗(yàn)：在模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的HFC系統(tǒng)中有一路中心頻率為MHz、使用調(diào)制的信號(hào)和一個(gè)MHz單載波，并緩慢地增加單載波的幅度。后面接一臺(tái)筆記本電腦，查看發(fā)射電平同時(shí)在連續(xù)PING網(wǎng)關(guān)（）。實(shí)驗(yàn)中觀察到：隨著單載波干擾幅值的增大，掉包率不斷上升，的發(fā)射電平也

11、在不斷增大，在掉包率接近的時(shí)候仍能在線（CM上線是使用QPSK）。繼續(xù)增大單載波干擾的幅值，最后掉線。（）激光器削波對(duì)發(fā)射電平的影響。激光器工作在限幅狀態(tài)，需要隨著削波深度的增加而不斷提高發(fā)射電平。實(shí)例：高訊大廈光節(jié)點(diǎn)覆蓋的用戶反映上網(wǎng)很慢，派分部維護(hù)人員用儀表測(cè)試反向通路，反映某些時(shí)段反向通道的增益會(huì)比正常低dB。查看9581SST記錄，發(fā)現(xiàn)有一幅度很大的單載波干擾，當(dāng)在線和測(cè)試儀表同時(shí)發(fā)信號(hào)回來時(shí)，激光器有明顯的削波產(chǎn)物。重新校正該激光器的工作電平并查找屏蔽該干擾后，故障消失。（）激光器削波對(duì)的影響。當(dāng)削波失真的諧波不落在工作頻帶上時(shí)，對(duì)沒造成明顯的影響。（C）激光器削波對(duì)不同調(diào)制方式的的

12、影響。我們知道激光器削波發(fā)生在信號(hào)接近峰值的瞬間，持續(xù)時(shí)間教短，受影響的只是少數(shù)的幾個(gè)狀態(tài)。下圖比較了有噪加載和有削波工作時(shí)同為的的星座分布圖：從上圖看到，高斯噪聲使星座圖的點(diǎn)分布半徑增大。而削波的影響是：除了外部的幾個(gè)點(diǎn)以外，星座圖的點(diǎn)比較緊湊。對(duì)64QAM來說，它的各個(gè)狀態(tài)更加緊湊，削波現(xiàn)象更容易引起其他符號(hào)狀態(tài)落進(jìn)相鄰的狀態(tài)中。又由于削波主要是幅度失真，所以16QAM比QPSK對(duì)削波失真更為敏感。從上一段分析可以看到，64QAM以上的調(diào)制，對(duì)削波的敏感度很大，即使激光器在該工作點(diǎn)的SNR很高也沒法工作。它等效于降低了激光器的動(dòng)態(tài)范圍，因此我們通常不建議把激光器工作在削波以后的狀態(tài)中。（）

13、激光器削波時(shí)的應(yīng)對(duì)措施通過簡(jiǎn)單調(diào)整設(shè)置來降低激光器削波引起的影響是代價(jià)最低、效率最高的方法。（）調(diào)低調(diào)制方式。由于不同調(diào)制方式對(duì)削波的敏感度不同，我們可以把的換成或，的換成。調(diào)低調(diào)制方式的同時(shí)也降低了CM信號(hào)的峰值和對(duì)SNR的要求，這樣我們可以依據(jù)SNR進(jìn)一步調(diào)抵接收電平到一個(gè)合適的值。這種方法等效于增大了激光器的工作范圍，降低輸入電平，讓工作點(diǎn)重新落入工作范圍內(nèi)。（）降低發(fā)射電平。削波時(shí)，只要諧波不落在工作頻道上就不會(huì)影響，因此有下面幾種方式來降低進(jìn)入激光器的發(fā)射電平。i）在有余量的情況下，可以適當(dāng)降低的接收電平或者單純調(diào)低該回傳鏈路的前端損耗。ii）把工作電平降低的同時(shí)減少工作帶寬。工作帶

14、寬每減少一倍，可以降低CMTS的接收電平dB而維持不變iii）修改調(diào)制文件。修改數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和增加FEC能力，編寫出新的調(diào)制文件，也可以作為一種參考。（C）干擾信號(hào)過于強(qiáng)烈時(shí)，增大光節(jié)點(diǎn)內(nèi)的回傳衰減直到工作點(diǎn)重新落入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，為了使該光節(jié)點(diǎn)下的發(fā)射電平不變，同時(shí)應(yīng)相應(yīng)地增大前端射頻混合鏈路的增益?？梢栽谙旅嫒N方法中選最方便的：降低CMTS接收電平，更換成較少的固定衰減子，提高光收機(jī)的射頻輸出。經(jīng)過上面的快速處理后，爭(zhēng)取了維護(hù)的時(shí)間，派維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)查找干擾源并加以屏蔽。（）激光器削波的預(yù)防正確設(shè)計(jì)回傳系統(tǒng)的工作電平讓激光器工作在最佳狀態(tài)；濾掉MHz的短波信號(hào)；禁止使用或懸空回傳損耗過低的終端

15、（或?qū)ζ浯弦粋€(gè)高通濾波器）。反向電平的設(shè)置應(yīng)盡量使和回傳激光器都工作在最佳狀態(tài)：（）回傳光發(fā)射模塊工作電平的確定：下面是motorola公司提供的SG1-EIFPT的典型曲線，建議工作點(diǎn)設(shè)在比削波點(diǎn)15dBmV低dB。（）單位增益點(diǎn)電平的確定：依據(jù)分配網(wǎng)的損耗和業(yè)務(wù)發(fā)射機(jī)的工作電平。廣州市廣播電視有限公司采用星型網(wǎng)設(shè)計(jì)，在40MHz位置，分配損耗少于22dB，接入線損耗24dB，安裝CM時(shí)室內(nèi)損耗59dB，同時(shí)要求分配網(wǎng)絡(luò)總損耗少于33dB。為了讓CM業(yè)務(wù)有較高的抗干擾性能，應(yīng)盡量使CM工作在最高的發(fā)射電平狀態(tài)：S-CDMA方式下的64QAM最高發(fā)射電平為53dBmV，回傳鏈路會(huì)有波動(dòng)所以我

16、們留3dB余量（不同CMTS還允許有-4dB到-6dB的電平差異）。則CM在單位增益點(diǎn)的電平為17dBmV?；貍鳂I(yè)務(wù)的發(fā)展存在很多制約，因此我公司目前僅規(guī)劃2個(gè)6MHz的CM業(yè)務(wù)，可能還會(huì)有一個(gè)幾百K的機(jī)頂盒回傳業(yè)務(wù)（假如要使機(jī)頂盒發(fā)射到最高電平50dBmV狀態(tài)必須給他規(guī)劃6MHz的占用帶寬）。那么單位增益點(diǎn)的電平為20dBmV。（C）光節(jié)點(diǎn)內(nèi)部反向增益的確定：回傳光發(fā)射模塊的工作電平減去單位增益點(diǎn)電平，12-20=-8dB。為方便調(diào)試工作，上面說到的工作電平在實(shí)際中略有修改。前端的工作電平這里不討論。（D）將來增加業(yè)務(wù)時(shí)的升級(jí)：直接減少光節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的反向增益。簡(jiǎn)單地，如果將來公司要增加2個(gè)占用

17、6MHz帶寬的新業(yè)務(wù)時(shí)，只需要在光節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部反向路徑增加3dB的衰減，同時(shí)前端的各業(yè)務(wù)設(shè)置的接收電平減少3dB。四、公共路徑失真雙向RF信號(hào)在電纜上傳送，會(huì)經(jīng)過很多機(jī)械觸點(diǎn)。當(dāng)這些觸點(diǎn)出現(xiàn)氧化層時(shí)會(huì)形成二極管效應(yīng)，導(dǎo)致正向信號(hào)間相互混頻，從反向通道傳回前端。對(duì)該非線性系統(tǒng)來說，輸入信號(hào)就是正向的信號(hào)，它們有穩(wěn)定的差拍信號(hào)：8MHz、16MHz、24MHz、32MHz等，還有伴音信號(hào)與視頻信號(hào)的穩(wěn)定差拍：8N1.5MHz，N為自然數(shù)。（1）特征（）波形接近每8M一個(gè)周期地重復(fù)，并且各尖峰處的頻率為8的倍數(shù)。（B）各尖峰幅度相差不大。（）峰值教大時(shí)，回傳系統(tǒng)的底噪也有明顯的上升。（）本系統(tǒng)使用的是542MHz濾波器，因此公共路徑失真在42MHz以上的產(chǎn)物已經(jīng)給過濾掉了，42MHz以上（指低分割系統(tǒng)）沒有任何失真產(chǎn)物是區(qū)分激光器削波和公共路徑失真的最好方法。（）最常見的源頭通常出現(xiàn)在受到腐蝕或松動(dòng)的觸點(diǎn)上，我公司的同軸網(wǎng)絡(luò)目前主要有3種連接方式（見下圖），彈片固定的方式發(fā)生幾率最大，使用較差質(zhì)量的螺釘固定的針頭也容易發(fā)生公共路徑失真。能對(duì)通信造成影響的公共路徑失真，一般都出現(xiàn)在正向信號(hào)比較強(qiáng)（反向信號(hào)比較弱）的連接處。有時(shí)因光設(shè)備信號(hào)輸出波動(dòng)和溫度變化等因素導(dǎo)致正向信號(hào)比正常高了幾個(gè)dB，公共路徑失真也隨之