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：本文對網(wǎng)絡(luò)回傳通道的噪聲作了簡單的概述，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。作者認(rèn)為，在眾多的噪聲分類方法中，按噪聲的來源進行分類對實際工作最具指導(dǎo)意義，而研究噪聲對通信質(zhì)量的影響則按噪聲的波形進行分類。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，對其存在的噪聲進行簡單的歸類：一光纖鏈路噪聲。目前大多數(shù)的城市都使用短距離光纖，因此主要是選購相關(guān)強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：松動的接頭、松動的設(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、計算機、機、電機、家用放大器等設(shè)備。為了區(qū)分這些侵入噪聲對通信質(zhì)量的影響，我們需要按這些干擾的波形進行分類：（）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)包的長度，同時增大FEC的能力，將獲得很好的抵抗能力。在實際的使用和測試中（BW3240和ArrisC3），采用S-CDMA方式比A-TDMA和TDMA有更強的抵抗能力。（）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)在兼容機和改裝機）；57.75MHz的開路電視信號等。Arr

4、isC3最新的CMTS采用電子抵消技術(shù)，能很好地識別這些幅度穩(wěn)定的干擾。此外對信號進行分割并放在幾個副載波（而不是一個）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。但運行一段時間后，經(jīng)過各種處理的HFC回傳系統(tǒng)開始趨向于穩(wěn)定，維護人員也積累了豐富的經(jīng)驗，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)輸入只有一個載波時候，輸出也只有其基波和諧波。當(dāng)輸入信號為2個載波時，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式中的項是我們所需要的信號。項為二次失真的產(chǎn)物：第1項是直流分量；第、項為二次諧波項；第、項是拍頻項。項為三次失真的產(chǎn)物：第1，2項為基本頻率項，但存在幅度失真；第3，4項是三次諧波項；第5-8項是拍頻項；第9，10項的為交調(diào)失真項。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頻道的幅度?；フ{(diào)失真是屬于頻譜失真，如第項。三、回傳光發(fā)射機削波失真加到激光器上的RF信號足夠大，在負(fù)方向上使驅(qū)動電流低于驅(qū)動門限時，將會引起削波失真。（1）各種信號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，單載波信號的頻率為15.5M

7、Hz。特征：i)回傳通道內(nèi)總功率很大，用測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)本實驗中光節(jié)點使用的是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。（）信號引起的激光器削波信號的帶寬越窄就越接近單載波時的情況，但它攜帶的畢竟是數(shù)字信號，回傳通道里也可能有多個載波，因此其失真產(chǎn)物

8、會隨其帶寬和載波的增加而迅速增加。下圖使用了一臺Terayon的TeraLink1000主控制器（MHz帶寬，調(diào)制，技術(shù)）和一臺Terayon的（.MHz帶寬，技術(shù)），在分辨帶寬不高（375KHz）的測試儀表看來，失真信號已經(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。我們在常見的用噪聲槽測激光器NPR的實驗中會見到，這里省略。（）單載波信號引起的激光器削波對通信的影響平坦高斯白噪聲引起的削波沒遇到過，而信號引起激光器削波通常是由回傳光接收機損壞導(dǎo)致輸出信號下降或者是到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同時發(fā)送請求（此時是沖突狀態(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，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，與常見信號發(fā)射器的最大功率接近；星型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，每個終端損耗差異少于dB；激光器工作點距離削波點有dB余量。由此看來，最常見的削波情況是剛好超過閥值幾個dB淺削波狀態(tài)。在繼續(xù)說這個問題之前，我想先說一下另一個與它密切相關(guān)的問題：使激光器削波的是某一時刻加到它上面的功率（瞬時值)，而我們常用的儀

10、表測量的是信號功率的有效值而不是峰值功率。例如一個正弦波，它的有效電壓為，則其峰值電壓（瞬時值）為：max有效值（的開方）dB峰值因子定義為：lg（max/有效值），它表示信號峰值和有效值的差距。下面是幾種信號在實驗中測得的峰值因子（dB）：信號類型正弦波540MHz回傳噪聲塊QPSK10Mbit/s16QAM20Mbit/s測得峰值因子313911實驗：在模擬現(xiàn)實環(huán)境的HFC系統(tǒng)中有一路中心頻率為MHz、使用調(diào)制的信號和一個MHz單載波，并緩慢地增加單載波的幅度。后面接一臺筆記本電腦，查看發(fā)射電平同時在連續(xù)PING網(wǎng)關(guān)（）。實驗中觀察到：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。實例：高訊大廈光節(jié)點覆蓋的用戶反映上網(wǎng)很慢，派分部維護人員用儀表測試反向通路，反映某些時段反向通道的增益會比正常低dB。查看9581SST記錄，發(fā)現(xiàn)有一幅度很大的單載波干擾，當(dāng)在線和測試儀表同時發(fā)信號回來時，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。（）激光器削波對的影響。當(dāng)削波失真的諧波不落在工作頻帶上時，對沒造成明顯的影響。（C）激光器削波對不同調(diào)制方式的的

12、影響。我們知道激光器削波發(fā)生在信號接近峰值的瞬間，持續(xù)時間教短，受影響的只是少數(shù)的幾個狀態(tài)。下圖比較了有噪加載和有削波工作時同為的的星座分布圖：從上圖看到，高斯噪聲使星座圖的點分布半徑增大。而削波的影響是：除了外部的幾個點以外，星座圖的點比較緊湊。對64QAM來說，它的各個狀態(tài)更加緊湊，削波現(xiàn)象更容易引起其他符號狀態(tài)落進相鄰的狀態(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，對削波的敏感度很大，即使激光器在該工作點的SNR很高也沒法工作。它等效于降低了激光器的動態(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、激光器削波時的應(yīng)對措施通過簡單調(diào)整設(shè)置來降低激光器削波引起的影響是代價最低、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)制方式的同時也降低了CM信號的峰值和對SNR的要求，這樣我們可以依據(jù)SNR進一步調(diào)抵接收電平到一個合適的值。這種方法等效于增大了激光器的工作范圍，降低輸入電平，讓工作點重新落入工作范圍內(nèi)。（）降低發(fā)射電平。削波時，只要諧波不落在工作頻道上就不會影響，因此有下面幾種方式來降低進入激光器的發(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）干擾信號過于強烈時，增大光節(jié)點內(nèi)的回傳衰減直到工作點重新落入動態(tài)范圍內(nèi)，為了使該光節(jié)點下的發(fā)射電平不變，同時應(yīng)相應(yīng)地增大前端射頻混合鏈路的增益。可以在下面三種方法中選最方便的：降低CMTS接收電平，更換成較少的固定衰減子，提高光收機的射頻輸出。經(jīng)過上面的快速處理后，爭取了維護的時間，派維護人員到現(xiàn)場查找干擾源并加以屏蔽。（）激光器削波的預(yù)防正確設(shè)計回傳系統(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；禁止使用或懸空回傳損耗過低的終端

15、（或?qū)ζ浯弦粋€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，建議工作點設(shè)在比削波點15dBmV低dB。（）單位增益點電平的確定：依據(jù)分配網(wǎng)的損耗和業(yè)務(wù)發(fā)射機的工作電平。廣州市廣播電視有限公司采用星型網(wǎng)設(shè)計，在40MHz位置，分配損耗少于22dB，接入線損耗24dB，安裝CM時室內(nèi)損耗59dB，同時要求分配網(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，回傳鏈路會有波動所以我

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6MHz的CM業(yè)務(wù)，可能還會有一個幾百K的機頂盒回傳業(yè)務(wù)（假如要使機頂盒發(fā)射到最高電平50dBmV狀態(tài)必須給他規(guī)劃6MHz的占用帶寬）。那么單位增益點的電平為20dBmV。（C）光節(jié)點內(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電平，12-20=-8dB。為方便調(diào)試工作，上面說到的工作電平在實際中略有修改。前端的工作電平這里不討論。（D）將來增加業(yè)務(wù)時的升級：直接減少光節(jié)點內(nèi)部的反向增益。簡單地，如果將來公司要增加2個占用

17、6MHz帶寬的新業(yè)務(wù)時，只需要在光節(jié)點的內(nèi)部反向路徑增加3dB的衰減，同時前端的各業(yè)務(wù)設(shè)置的接收電平減少3dB。四、公共路徑失真雙向RF信號在電纜上傳送，會經(jīng)過很多機械觸點。當(dāng)這些觸點出現(xiàn)氧化層時會形成二極管效應(yīng)，導(dǎo)致正向信號間相互混頻，從反向通道傳回前端。對該非線性系統(tǒng)來說，輸入信號就是正向的信號，它們有穩(wěn)定的差拍信號：8MHz、16MHz、24MHz、32MHz等，還有伴音信號與視頻信號的穩(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，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)在受到腐蝕或松動的觸點上，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。能對通信造成影響的公共路徑失真，一般都出現(xiàn)在正向信號比較強（反向信號比較弱）的連接處。有時因光設(shè)備信號輸出波動和溫度變化等因素導(dǎo)致正向信號比正常高了幾個dB，公共路徑失真也隨之