HFC接入網(wǎng)回傳通道的實(shí)現(xiàn)

 
大唐電信光通信分公司 彭良福 劉李 許燾
 
摘要:本文討論了HFC接入網(wǎng)回傳通道的實(shí)現(xiàn)方式，介紹了用于HFC回傳的半導(dǎo)體激光器的性能特點(diǎn)。 

一、引言

　　1994年，采用光纖同軸電纜混合(Hybrid Fiber Coax，HFC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的寬帶接入技術(shù)取得了
重大的進(jìn)展。HFC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的提出不僅解決了傳統(tǒng)的有線電視廣播業(yè)務(wù)，而且通過(guò)采用先進(jìn)的光纖
傳輸技術(shù)、數(shù)字傳輸技術(shù)和新型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加了上、下行通道的傳輸能力，使HFC網(wǎng)具備
了承載雙向交互式寬帶業(yè)務(wù)的能力。HFC接入網(wǎng)以其頻帶寬、容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為有線
電視系統(tǒng)的主要模式，同時(shí)也是多媒體寬帶接入網(wǎng)的最佳方案之一。為了提供交互式的寬帶業(yè)務(wù)，
HFC接入網(wǎng)必須是雙向的。因此，如何實(shí)現(xiàn)HFC網(wǎng)絡(luò)的回傳通道，是HFC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的問(wèn)題。 

二、HFC回傳信道的方式 

　　在HFC網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，需要從光纖通道和同軸電纜通道這兩方面來(lái)考慮�；貍餍诺赖膶�(shí)
現(xiàn)，主要有以下幾種方式： 
　　(1）射頻回傳
　　上、下行信號(hào)采用頻分復(fù)用（FDM）的方式，在同一根同軸電纜中傳送。上行頻段5～65MHz，
下行頻段87～750MHz或者是上行頻段5～42MHz，下行頻段50～750MHz。射頻回傳的特點(diǎn)是采用標(biāo)
準(zhǔn)的HFC雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)，一根同軸電纜接入用戶家庭。 
　�。�2）電話回傳 
　　由于HFC網(wǎng)絡(luò)下行信息量大，上行信息量少，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)HFC網(wǎng)絡(luò)的雙向改造費(fèi)用較大。因此，
可以利用電話來(lái)返回信息。即采用銅雙絞線，通過(guò)PSTN網(wǎng)回傳，這也是MCNS（Media Cable Net-
work System）規(guī)定的一種回傳方式。這種方式的特點(diǎn)是無(wú)需改造現(xiàn)有CATV線路，即可通過(guò)電話
線實(shí)現(xiàn)初步的雙向傳輸。缺點(diǎn)是用戶在使用反向通道時(shí)占用了電話的使用，而且回傳信道由于電
話線的限制，傳輸速率較低。 
　�。�3）無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)回傳 
　　我們知道，在PON系統(tǒng)中，上、下行信號(hào)的雙向傳輸方式有： 
　�、倏辗謴�(fù)用（SDM）：采用兩根以單工工作方式的光纖分別傳送上、下行信號(hào)。即上、下行
信號(hào)分別通過(guò)不同的光纖進(jìn)行傳輸。 
　�、跁r(shí)間壓縮復(fù)用（TCM）：采用單根光纖半雙工工作方式。在同一根光纖上的傳輸時(shí)間分為
許多時(shí)隙，上、下行信號(hào)在不同的時(shí)隙以脈沖串的形式輪流傳輸。 
　�、鄄ǚ謴�(fù)用（WDM）：采用單根光纖異波長(zhǎng)雙工工作方式。上、下行信號(hào)被調(diào)制為不同波長(zhǎng)
的光信號(hào)在同一根光纖上傳輸。 
　�、芨陛d波復(fù)用（SCM）：采用單根光纖雙工工作方式。上、下行信號(hào)被調(diào)制到不同的射頻段，
然后調(diào)制為同一波長(zhǎng)的光信號(hào)在同一根光纖中傳輸。 
　　將HFC與PON結(jié)合起來(lái)可以構(gòu)成一種稱(chēng)為SDV（Switched Digital Video）的組網(wǎng)方式。它將
電話、視像數(shù)字傳輸和視像模擬傳輸綜合在一起，具有交互式的功能。 
　�。�4）無(wú)線回傳 
　　近年來(lái)，本地多點(diǎn)分配業(yè)務(wù)(LMDS)寬帶無(wú)線接入技術(shù)發(fā)展很快。LMDS是一種小區(qū)技術(shù)，每
個(gè)小區(qū)的覆蓋半徑為3～6km。LMDS可以提供從電視分配業(yè)務(wù)和電話到全交換式寬帶多媒體業(yè)務(wù)
在內(nèi)的所有業(yè)務(wù)。在反向通道，用戶通過(guò)QPSK調(diào)制,以無(wú)線的方式將信號(hào)傳輸?shù)絃MDS前端。 
　　在體系結(jié)構(gòu)上，LMDS與有線電視網(wǎng)非常相似。因此，可以利用LMDS的反向通道作回傳。由
于雨滴和樹(shù)葉對(duì)LMDS信號(hào)衰減很大，LMDS只適用于平原、降雨量低和樹(shù)林稀少的地區(qū)。

三、HFC接入網(wǎng)光纖鏈路的回傳方式： 

　　 (1）星型方式 
　　各光節(jié)點(diǎn)到HFC的前端采用空分復(fù)用（SDM）的方式，上、下行信號(hào)同纜分纖傳送
　　各光節(jié)點(diǎn)使用獨(dú)立的反向光發(fā)射機(jī)。在HFC前端，對(duì)應(yīng)于每個(gè)光節(jié)點(diǎn)，需要一臺(tái)反向光接收
機(jī)。這種方式的特點(diǎn)是每個(gè)光節(jié)點(diǎn)可以使用回傳光收發(fā)設(shè)備的全部帶寬。由于HFC接入網(wǎng)中回傳
光收發(fā)設(shè)備的帶寬一般為5～200MHz，因此，每個(gè)光節(jié)點(diǎn)的回傳帶寬為5～200MHz。這是HFC接入
網(wǎng)中常采用的回傳方式
　　(2)有源混合方式 
　　在分布式HFC網(wǎng)或二級(jí)星形HFC網(wǎng)絡(luò)中，各光節(jié)點(diǎn)的回傳信號(hào)在分前端進(jìn)行射頻混合后再通
過(guò)一臺(tái)反向光發(fā)射機(jī)用一根光纖回傳到HFC前端。HFC前端使用一臺(tái)反向光接收機(jī)。在采用射頻
混合方式時(shí)，要求各光節(jié)點(diǎn)的回傳信號(hào)的頻率各不相同。各光節(jié)點(diǎn)的回傳光信號(hào)在分前端經(jīng)反
向光接收機(jī)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，采用頻分復(fù)用(FDM)的方式，通過(guò)同一臺(tái)反向光發(fā)射機(jī)回傳至前端。
　為了拓展上行帶寬，可以在分前端采用頻譜搬移的方法，將4個(gè)光節(jié)點(diǎn)的5～42MHz回傳信號(hào)
經(jīng)過(guò)頻譜搬移，使其分別位于5～50MHz、50～100MHz、100～150MHz、150～200MHz的回傳頻段
上而且互不混疊，4路射頻信號(hào)混合起來(lái)后再通過(guò)一臺(tái)反向光發(fā)射機(jī)回傳到HFC前端。
　　(3)波分復(fù)用(WDM)方式
　　在各光節(jié)點(diǎn)處將回傳信號(hào)調(diào)制到不同的波長(zhǎng)上，通過(guò)合波器合成為一路光信號(hào)在同一根光
纖中傳輸。在HFC前端通過(guò)分波器分出各光節(jié)點(diǎn)的信號(hào)。采用波分復(fù)用方式回傳，只需占用一根
光纖，但是在收發(fā)兩端都需要光合波器和光分波器。分合波對(duì)光功率的損耗較大，經(jīng)過(guò)合波器、
分波器后光功率的損耗在6dBm以上。波分復(fù)用方式適用于接收靈敏度很高的數(shù)字信號(hào)的傳輸，
不適用于接收靈敏度較低的模擬信號(hào)的傳輸。因此，HFC接入網(wǎng)回傳一般不推薦采用這種方式。
因?yàn)樵贖FC接入網(wǎng)中，為了考慮將來(lái)業(yè)務(wù)的增加或作備份，一般在光纜中都留有多余的光纖。同
時(shí)對(duì)于長(zhǎng)距離的模擬信號(hào)傳輸，鏈路的光功率又是非常重要的因素。在傳輸距離特別長(zhǎng)的情況
下，波分復(fù)用方式有可能比較經(jīng)濟(jì)。對(duì)于HFC接入網(wǎng)中的波分復(fù)用方式，通常采用1310nm和
1550nm這兩個(gè)波長(zhǎng)。
　　（4）無(wú)源混合方式 
　 在分布式HFC網(wǎng)或二級(jí)星形HFC網(wǎng)絡(luò)中,在各光節(jié)點(diǎn)采用頻率變換技術(shù),將各路回傳信號(hào)調(diào)制到
不同的射頻頻率上，使各光節(jié)點(diǎn)的回傳信號(hào)具有不同的頻率。在分前端，各光節(jié)點(diǎn)的回傳光信
號(hào)不經(jīng)過(guò)反向光接收機(jī)的光/電轉(zhuǎn)換，而是通過(guò)光耦合器由一臺(tái)反向光發(fā)射機(jī)回傳到HFC前端。
 采用無(wú)源混合方式，由于各光節(jié)點(diǎn)的反向光發(fā)射機(jī)的工作波長(zhǎng)很接近，激光器間的同頻干擾將
在反向光接收機(jī)中積累,這將增大噪聲電平,使模擬電視信號(hào)的載噪比(CNR)下降。因此，無(wú)源混
合方式不是一種值得推薦的方式。 

四、HFC回傳用激光器 

　　由于上行通道一般傳輸?shù)碾娨曨l道數(shù)較少,同時(shí)還傳輸部分上行數(shù)據(jù),因此用于HFC回傳的
激光器不如HFC正向傳輸使用的激光器高級(jí),其性能和價(jià)格均不及正向傳輸用的激光器。HFC接
入網(wǎng)中常用的幾種回傳激光器如下： 
　　(1)F-P(Fabry-Perot)激光器 
　　法布里--珀羅激光器是多縱橫半導(dǎo)體激光器，其輸出光譜是圍繞在中心波長(zhǎng)周?chē)�的一組光
譜模。由于縱模決定了激光器的頻譜特性，因此F-P激光器的頻譜寬度較大，為2～4nm。由于
F-P激光器工作在多模狀態(tài)，多種波長(zhǎng)在光纖中的傳播速度因光纖的色散作用而略有不同，這
將造成載噪比(CNR)方面的性能受到影響。因此，F(xiàn)-P激光器對(duì)于高質(zhì)量的模擬信號(hào)的傳輸是不
適宜的。測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)-P激光器可以加載2路AM視頻信號(hào)和少量的數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)
用，F(xiàn)-P激光器的性能是可以滿足HFC回傳應(yīng)用的。F-P激光器有兩種，帶光隔離器和不帶光隔
離器的。加上光隔離器的主要目的是為了減少接頭或光纖后向散射的影響。常用的HFC回傳F-P
激光器是不帶光隔離器的，這是為了降低激光器的成本。 
　　(2)無(wú)致冷DFB激光器 
　分布反饋式(Distributed Feedback, DFB)激光器與F-P激光器的不同之處在于增加了衍射
光柵，將激光器的波長(zhǎng)限制在單模振蕩狀態(tài)。因此，DFB激光器是單縱橫激光器。單縱橫的光
譜很純，模擬信號(hào)的傳輸非常有利，其噪聲和畸變均小于F-P激光器。 
　　由于DFB激光器比F-P激光器更易受后向散射的影響，因此，DFB激光器的輸出端需要加光
隔離
器。帶有光隔離器的DFB激光器的內(nèi)部噪聲很低，其相對(duì)強(qiáng)度噪聲RIN可達(dá)-155dB/Hz。 
　　由于致冷需要驅(qū)動(dòng)電路和大量的電源功率，無(wú)致冷器可以降低回傳光發(fā)射機(jī)的功耗，有
利于降低成本和戶外使用。在HFC回傳系統(tǒng)中的測(cè)試結(jié)果表明，未加致冷的帶光隔離器的DFB
激光器可以在HFC回傳光鏈路中獲得優(yōu)良的性能。 
　　(3)帶致冷DFB激光器 
　　由于DFB激光器的性能受溫度影響變化較大。溫度的變化，將引起激光器閾值電流的變化。
當(dāng)溫度為T(mén)時(shí)，激光器的閾值電流Ith(T)∝exp(T/T0)，T0為激光器的特性溫度。因此，溫度
升高，激光器的閾值電流增加，輸出光功率變小。此外，溫度的變化還將影響激光器的RIN和
線性度。 
　　在傳輸距離遠(yuǎn)、頻道數(shù)較多的情況下，帶致冷(冷卻型)DFB激光器有時(shí)被用于回傳通道。
帶致冷DFB激光器就是把DFB激光器置于一個(gè)熱電致冷器上。熱電致冷器采用珀?duì)栙N效應(yīng)產(chǎn)生
致冷，其致冷效果與施加的電流成線性關(guān)系。 
　　致冷器可以減少溫度的變化對(duì)DFB激光器性能產(chǎn)生的影響，但增加了反向光發(fā)射機(jī)的功耗，
同時(shí)也增加了成本。
　　F-P、無(wú)致冷DFB、帶致冷DFB這3種半導(dǎo)體激光器都可用于HFC網(wǎng)絡(luò)的回傳通道。

五、HFC回傳通道的測(cè)試 

　　目前,HFC接入網(wǎng)回傳光鏈路的指標(biāo)尚未標(biāo)準(zhǔn)化�；貍魍ǖ赖臏y(cè)試一般采用與下行信道類(lèi)似
的測(cè)試方法。用2個(gè)或4個(gè)連續(xù)載波來(lái)激勵(lì)回傳激光器，用8591C有線電視分析儀來(lái)測(cè)量反向回
傳信號(hào)的載噪比(CNR)、組合二階失真(CSO)、組合三階差拍(CTB)等指標(biāo)。激光器類(lèi)型
 特性 波長(zhǎng) 光隔離器 致冷 ＲＩＮ 輸出光功率（典型值） 傳輸頻道數(shù) 調(diào)制電平 價(jià)格 
F－P 多縱模 無(wú) 無(wú) 較高 1mW 少 較高 低 
DFB（無(wú)致冷） 單縱模 有 無(wú) 較低 2mW 少 中 中 
DFB（帶致冷） 單縱模 有 有 較低 2mW以上 多 中 高 
六、結(jié)束語(yǔ) 

　　解決回傳通道是實(shí)現(xiàn)HFC接入網(wǎng)雙向傳輸?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題。采用哪種回傳方式以及哪種回傳激
光器，都必須根據(jù)HFC網(wǎng)絡(luò)的具體情況和需要傳輸?shù)念l道數(shù)量以及要求的信號(hào)質(zhì)量來(lái)確定。測(cè)
試結(jié)果表明，選擇合理的回傳方式和適用的回傳激光器，HFC回傳信道的指標(biāo)是完全可以滿足
實(shí)際應(yīng)用的。