数字电视与光纤传输技术的结合.doc

分类号 编号烟 台 大 学毕 业 论 文（设 计）数字电视与光纤传输技术的结合Unite Digital Television and Fiber Optic Tansmission申请学位： 工学学士 院 系： 光电信息科学技术学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 学 号： 200613503102 指导老师： 2010年 5 月 20 日烟台大学数字电视与光纤传输技术的结合姓 名： 导 师： 2010年 5 月 20 日烟台大学烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：光电信息科学技术学院姓名学号毕业届别2010专业电子信息工程毕业论文（设计）题目数字电视与光纤传输技术的结合指导教师学历硕士研究生职称副教授所学专业具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等)：全面收集与论题相关的资料，通过对数字电视与光纤传输原理的学习研究和对光接入技术的理论探讨，尤其通过对CATV和HFC接入技术的探索性研究，归纳总结出当今数字电视与光纤传输技术结合的完整的技术特性及性能优点，并对其发展前景提出你的看法。要求内容充实详尽，及时向老师汇报工作进展，独立完成任务。提交与论文内容相关英文资料一份，同时提交你的译文。进度安排： 14周：广泛收集和论文相关的资料，阅读文献； 56周：继续阅读、整理相关文献，提出论文初步框架及构想； 710周：进一步充实和完善框架结构，进行分析归纳。 1113周：撰写论文，修改，打印；14周：答辩。指导教师（签字）： 赵艳 2010年 2 月 25 日院（系）意见： 教学院长（主任）（签字）： 年 月 日备注：【摘要】当前，信息技术的发展日新月异，在数字电视中，采用了双向信息传输技术，增加了交互能力，赋予了电视许多全新的功能，使人们可以按照自己的需求获取各种网络服务，包括视频点播、网上购物、远程教学等新业务。利用光纤传输数字电视节目具有频带宽、容量大、损耗低、重量轻，抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠等优点。而“最后一公里”的接入网一直是制约实现全光网的瓶颈。在众多高速数据接入方式中，HFC（Hybrid Fiber Coaxial,光纤/同轴电缆混合网）网在传输带宽等方面具有其他网络所无法比拟的优越性，而且是中国目前普及率最高的入户接入方式。但要实现多媒体交互式业务的传输，需要对其进行双向化改造。EPON（Ethernet Passive Opical Network，以太无源光网络）作为多业务宽带接入方式具有优异特性。利用EPON改造HFC网是解决“最后一公里网”的有效手段。论文首先简要介绍了数字电视、光纤传输和光接入技术。详细介绍和分析HFC接入技术、PON技术尤其是EPON技术。最后在此基础上，详细介绍、分析了结合EPON技术改造HFC网的技术，以及EPON在有线电视中的应用。【关键字】数字电视；光纤传输；HFC；PON；EPONAbstractNowadays, the information technology developed faster and faster. Digital TV use two-way information transmission technology, the ability having increased interactive in Digital TV, given TV to a lot of brand-new function, making people can gain the various network service according to self need, including new business such as Video On Demand, Online Shopping, Distance Learning. Useing Optical fiber to transport Digital TV program has much advantage, like wide bandwidth, large capacity, low loss, light weight, anti-interference ability, high fidelity, and reliable performance.The last mile access network has been restricted to achieve all-optical network bottleneck. Among the multiple access modes for high speed data, HFC network (Hybrid Fiber Coaxial) has strong superiority in transmisson bandwidth that any other network cannot compare with. At present, HFC is also the most popular access mode in China. But if we want achieve the transmission of multimedia interactive services, we need two-way modification. As a mature broadband access mode for multi-service, EPON (Ethernet Passive Opical Network) features outstanding characteristics. Making use of EPON to reform the HFC net is an effective means to resolve the last mile access network.Paper briefly introduces Digital TV, Optical Transmission and Optical Access Technology, detailedly introducing and analysing the HFC access technology , the PON technology and EPON technology especially. Finally, on the basis, paper introduces and analyses the technology of useing of EPON to reform the HFC net, and the application of EPON in the cable television.Key words Digital TV ; Optical fiber transmission ; HFC ; PON ; EPON目 录第一章 绪论1第一节 数字电视与光纤传输的结合1第二节 光接入网遇到的问题1第三节 HFC接入技术2第四节 PON技术2一、PON的概念2二、EPON的概念2第五节 结合EPON技术实现HFC双向改造3第二章 数字电视3第一节 数字电视的定义3第二节 数字电视的优势4第三节 数字电视的应用范围5第三章 光纤传输和光接入技术5第一节 光纤传输的原理5第二节 光纤传输的特点6第三节 光接入技术7第四节 光纤传输用于数字电视的优点8第四章 CATV和HFC接入技术9第一节 CATV网9一、 CATV网的结构9二、CATV网的改进与未来10第二节 HFC接入技术11一、HFC宽带接入的关键技术12二、HFC用于流向交互式业务存在着严重缺陷14第五章 无源光网络15第一节 PON的概念及其特点15第二节 各种PON16一、APON17二、GPON17三、EPON17四、APON、GPON、EPON的比较18第三节 EPON基本工作原理20第六章 EPON在有线电视中的应用21第一节 传输宽带信号以及开展数字电视点播业务22第二节 整合有线电视信号传输22第三节 作为回传通道：HFC光点网管的回传通道23第七章 展望接入网未来发展之道利用EPON改造HFC网络24第一节 EPON技术与HFC网的相同点24第二节 利用EPON+EOC组网技术对HFC网的改造25一、EOC技术分析与选择25二、EPON+EOC组网技术25第三节 HFC+Cable Modem和EPON技术方案的比较26结束语27致谢28参考文献29第一章 绪论第一节 数字电视与光纤传输的结合数字电视以其传输质量好、容量大以及可双向传送等特点受到社会的普遍欢迎而得到迅速发展。利用光纤传输数字电视节目具有频带宽、容量大、损耗低、重量轻，抗干扰能力强、保真度高、工作性能可靠等优点。不仅能扩大有线电视覆盖面，提高整个有线电视系统的指标。而且解决了全电缆网放大器维护难的问题。近年来随着技术和生产工艺的进步，光纤传输网将成为有线电视的最主要传输手段。我国的有线电视网络是国家重要的信息化基础设施，经过多年发展现已成为世界上用户规模最大的有线电视网络。有线电视网络宽带化、双向化的发展趋势是“光进铜退”，将光纤进一步向用户端推进，实现高可靠、高带宽、高承载力、可管理、可运载的目标。第二节 光接入网遇到的问题在将光纤进一步向用户端推进的过程中，传输网已基本实现了数字化和光纤化，交换网也基本实现了数字化和程控化，而被称作“最后一公里”的接入网发展则显得相对缓慢，直接影响到网络提供业务的容量、质量、速度以及对网络资源的开发利用，成为制约整个网络发展的瓶颈。随着社会的进步，人们对电视的要求已不仅仅局限于收看单一的电视节目，还要求高清晰度的电视、视频点播、互联网接入、远程教学、远程医疗、电子邮件等多媒体信息服务。所以，我们越来越迫切的需要解决“最后一公里”的接入网问题，最终实现光纤到户（FTTH）。接入网是整个网络中较为复杂的部分，其投资比重是非常大的。网络可以分为3部分：核心网、城域/本地网、接入网。接入网（AN）是由业务节点接口（SNI）和相关用户网络接口（UNI）之间的一系列传送实体（如线路设备和传输设备）所组成的。图1.2.1显示的是接入网在整个网络结构中的地位。用户终端FTTH接入网城域/本地网核心网图1.2.1接入网在整个网络结构中的地位接入网主要分为有线接入和无线接入两种。有线接入网包括铜线接入网、光纤接入网和混合光纤/铜缆接入网。无线接入网包括固定无线接入网和移动接入网。有线方式主要采用如下方式实现接入：一是HFC方式，即在原有的CATV（Cable Television，有线电视）的基础上，以光纤为主干传输，经同轴电缆实现用户的接入；二是以光纤作为传输媒介，实现光纤到路边、光纤到大楼和光纤到家等多种形式的接入。第三节 HFC接入技术HFC（Hybrid Fiber Coaxial，混合光纤同轴网）网采用光纤到服务区，而在进入用户的“最后一公里”采用同轴电缆。HFC是宽带接入技术中最早成熟和进入市场的。它是一种以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术的宽带接入网络。除了CATV业务外，它还可以提供语音、数据和其他交互型业务。HFC接入网由光纤干线和同轴分配总线组成，光节点通过同轴电缆总线服务的用户数为100500户。HFC融数字与模拟传输为一体，集光电功能于一身，同时提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目、较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和多种信息增值服务，以及交互式数字视频应用。有线电视网就是一个最典型的HFC网，它比较合理有效地利用了当前的先进成熟技术，提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目。但由于是针对模拟电视节目的广播传输，传统的HFC网络并不具备上行回传通道，为满足开展数字电视点播和高频宽带接入等业务的需求，就必须对原有的网络进行双向化改造。第四节 PON技术一、PON的概念PON（Passive Optical Network：无源光纤网络）技术是一种质优价廉的宽带接入技术。PON：指ODN（Optical Distribution Network：光纤分布式网络）不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器（Splitter：分支器）等无源器件组成，不需要贵重的有源电子设备。PON是一种采用无源光网络(前端和光节点之间没有有源设备、器件)的技术，是一种新兴的透明的宽带接入技术。PON网络起始于前端的线路终端(OLT)，终止于光节点的光网络单元(ONU)。中间使用普通光分路器进行光能量分路。PON网络的突出优点是消除了户外的有源设备，所有的信号处理功能均在交换机和用户宅内设备完成。而且这种接入方式的前期投资小，大部分资金要推迟到用户真正接入时才投入。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无须另设机房，维护容易。因此这种结构可以经济地为居家用户服务。二、EPON的概念EPON（Ethernet Passive Optical Network）是在PON的基础上，用以太网（Ethernet）取代ATM作为数据链路层协议。将以太网技术与PON技术结合，这样就拥有了以太网的诸多优势，如技术简单、成熟、良好的兼容性及可对IP业务进行有效承载等，从而构成一个可以提供更大带宽、更低成本和更宽业务能力的新一代光接入网技术。EPON采用点到多点结构、无源光纤传输方式，上、下行速率目前可达到1Gbit/s，因此也称GEPON。EPON主要分为三部分，即光线路终端（OLT：Optical Line Termination）、光网络单元（ONU/ONT：Optical Network Terminal /Optical Line Unit）和光分配网络（ODN：Optical Distribution Network）组成。其中OLT位于局端，一般是在局端机房，ONU位于用户端，可以是路边（FTTC）、住宅楼（FTTB），或者是用户家中（FTTH）。第五节 结合EPON技术实现HFC双向改造目前有线电视运营商日益面临有线接入网络的“瓶颈”，EPON系统可用于传输声音、数据和视频，是实现多媒体传输的很好的解决方案。EPON网络的结构与HFC网络的体系结构没有太大差异，由于光纤线路结构与CATV光网络兼容，因此可利用现有的CATV网络的光纤线路直接承载数据，实现数据和CATV信号的共纤传输。从下行方向上看，HFC和EPON都是多用户共享系统，即多个用户共享同一前端设备、同一光缆和一个光分路器。因此，HFC与EPON技术相结合，可以快捷实现HFC网络的双向改造，并可以为用户提供更大带宽，甚至向FTTH平滑过渡。EPON+EOC组网方案是在广电有线HFC网络已有预留光纤基础之上，直接利用原有的入户同轴电缆构架独立的宽带IP网络，不需对入户电缆进行二次改造。采用EPON技术可以在当今光纤普遍入楼的情况下，提供对称高带宽，节省主干光纤，满足不同用户的个性化业务需求；采用EOC技术可以充分利用和保护最后一段同轴电缆有效实现最后入户同轴电缆的双向改造。第二章 数字电视第一节 数字电视的定义数字电视是电视数字化和网络化后的产物。是指包括节目摄制、编辑、发送、传输、存储、接收和显示等环节全部采用数字处理的全新电视系统。也可以说数字电视是在信源、信道、信宿3个方面全面实现数字化和数字处理的电视系统。其中电视信号的采集（摄取）、编辑加工、播出发送（发送）属于数字电视的信源，传输和存储属于信道，接收端与显示器件属于信宿。其具体传输过程是：由电视台送出的图像及声音信号，经数字压缩和数字调制后，形成数字电视信号，经过卫星、地面无线广播或有线电缆等方式传送，由数字电视接收后，通过数字解调和数字视音频解码处理还原出原来的图像及伴音。数字电视已不仅仅是传统意义上的电视，而是能提供包括图像、数据、语音等全方位的服务，是3C（计算机（Computer）、通讯（Communication）和消费类电子产品（Consumer Electrics）融合的一个典范，是计算机、传输平台、消费电子三个环节的聚焦点。第二节 数字电视的优势 数字电视技术与原有的模拟电视技术相比，有如下优点： 1、图像传输质量较高，距离远。模拟电视图像信号在传输过程中，要受到传输信道特性（幅频特性、微分增益、微分相位特性）和噪声干扰等的影响，质量不高，而且经过多次转换传输，通道特性和噪声干扰等影响的积累，导致图像质量的进一步下降，而这些影响对于数字电视信号来说有些是不存在的。电视信号经过数字化后是用若干位二进制的两个电平来表示，因而在连续处理过程中或在传输过程中引入杂波后，其杂波幅度只要不超过某一额定电平，通过数字信号再生，都可能把它清除掉，即使某一杂波电平超过额定值，造成误码，也可以利用纠错编、解码技术把它们纠正过来。所以，在数字信号传输过程中，不会降低信杂比，收端图像质量基本保持与发端一致，且传输距离不受限制。2、频谱资源利用率高。频谱资源是重要的国家资源，模拟电视的频谱资源有限，一套模拟电视节目要占用36MHz带宽的卫星转发器，占用8MHz的地面电视广播和有线电视频带。而数字电视采用压缩编码技术，在36MHz的卫星转发器中传输5套SDTV（标准清晰度电视）节目，显示清晰度约400线，在一个8MHz频道内传输4套以上的SDTV节目。 3、提供全新的业务，实现高速数据传输。在数字电视通信中可以互不干扰地同时传输文字、数据、语音、静止图像等多种数字信息。数字电视网可与计算机网、点新网互联互通，不仅使信息源更为丰富，还可以增加用户与各种信息源之间的交互性，实现用户自由点播节目、电子商务、网上购物、网上教学、网上医疗、网上游戏等多种高速数据业务。（在8MHz带宽内采用64QAM调制，可以传输约3238Mbit/s的数据率）4、易于实现信号的存储，而且存储时间与信号的特性无关。近年来，大规模集成电路(半导体存储器)的发展，可以存储多帧的电视信号，从而完成用模拟技术不可能达到的处理功能。例如，帧存储器可用来实现帧同步和制式转换等处理,获得各种新的电视图像特技效果。5、压缩后的数字电视信号经数字调制后，可进行开路广播，在设计的服务区内(地面广播)，观众将以极大的概率实现“无差错接收”(发“0”收“0”，发“ l”收“l”)，收看到的电视图像及声音质量非常接近演播室质量。6、信号稳定可靠，设备维护简单、使用方便。模拟电视信号数字化后，信号以二进制码的形式出现，它只有“0”和“1”两种状态，二进制数字信号不受电源波动、器件非线性的影响，所以信号能保持稳定、可靠。处理数字信号可采用大规模集成电路，可降低设备的功耗，减少体积，提高设备的可靠性。同时数字化设备不需调节，维护简单，使用方便。7、节省发送功率，覆盖范围广。 数字电视发射设备在相同覆盖服务区所需平均功率，比模拟电视发射设备的峰值功率要低一个数量级，比如模拟MMDS（无线微波多点分布式系统）的接收电平最低为56dB。而数字MMDS在64QAM调制下接收电平仅为39dB，所以数字电视发射设备的覆盖范围比模拟电视相同功率的发射设备的覆盖范围大好几倍。8、灵活友好的人机界面。 灵活和易用的人机交互界面，便于普通群众操作，除显示设备外，容易系统集成而大规模生产，价格低廉，便于推广普及。9、易于实现条件接收。 数字电视信号容易进行加密/加扰，有利信息安全，便于实现付费电视、视频点播及交互式电视。第三节 数字电视的应用范围1、基本业务：只要节目源许可，用户可以收看数百套数字电视节目，以及几十套调频广播节目和数字音频广播(DAB)节目。2、扩展业务：可提供如图文电视、电视会议、数据信息广播、加密电视、视频点播等。3、增值业务：可通过双向传输系统进行交互式的多功能应用，如互联网接入、远程教学、远程医疗、电子邮件、计算机联网、数据通讯、家庭保安监控等多媒体信息服务。第三章 光纤传输和光接入技术第一节 光纤传输的原理光纤传输是以光波作为载波，光纤为传输介质的传输方式。它主要是由光发送、光传输和光接收三个部分组成。具体情况见图3.1.1。信号出电视信号入光发送光接收光纤图3.1.1光纤传输光发送部分主要由光源、驱动器和调制器组成。系统要求光源输出一定的光功率，谱线宽度。工作稳定可靠，寿命长，系统中广泛使用LD（半导体激光器）和LED（发光二极管）。由光源发出的光波，在调制器中受到电视信号的调制，成为已调光波。目前广泛使用的是半导体光源的直接强度调制。光发送机中广泛使用1310nm或者1550nm分布反馈DFB激光器，发送机光输出强度为2-15mW。光传输部分主要由光纤或光缆和中继器组成，短距离传输中小需中继器，对光纤传输特性总的要求是，损耗尽可能低和带宽尽可能宽。光传输线路损耗还包括光纤接头和连接器的损耗。因此，尽可能减少光纤接头和连接器的损耗，增加光纤长度。光纤的损耗和带宽限制了光波的传输距离，长光纤传输线路每隔一定的距离应加入一个中继器。光接收部分的主要部件是光电检测器，光电检测器光信号变换成电信号处理放大到足够电平的原信号。为了能有效地将微弱的光信号转换成电信号，光电榆测器的响应度要高，噪声要低，响应速度要快。目前，使用的光电检测器有无增益的PIN光电二极管和有增益的雪崩光电二极管2种。一般光接收机的输入光功率以0-2bBm范围为最佳。光电转换后，射频信号被重新放大，提供了足够的输出电信号。第二节 光纤传输的特点光纤传输之所以受到人们的极大重视，这是因为和其它手段相比，具有无以伦比的优越性。 1、通信容量大 从理论上讲，一根仅有头发丝粗细的光纤可以同时传输1000 亿个话路。虽然目前远远未达到如此高的传输容量，但用一根光纤同时传输50万个话路（40Gb/s）的试验已经取得成功，它比传统的同轴电缆、微波等要高出几千乃至几十万倍以上。一根光纤的传输容量如此巨大，而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤，如果再加上波分复用技术把一根光纤当作几根、几十根光纤使用，其通信容量之大就更加惊人了。 2、中继距离长 由于光纤具有极低的衰减系数（目前商用化石英光纤已达0.25dB/km 以下），若配以适当的光发送与光接收设备，可使其中继距离达数百公里以上。这是传统的电缆（1.5km）、微波（50km）等根本无法与之相比拟的。因此光纤通信特别适用于长途一、二级干线通信。 3、保密性能好 光波在光纤中传输时只在其芯区进行，基本上没有光“泄露”出去，即没有纤间串扰，不易被窃听，因此其保密性能极好。适于在对保密性要求强的军政单位使用。4、抗电磁干扰能力强光纤是不用金属的光导纤维，即使工作在电磁场附近或处于核爆炸后强大的电磁干扰的环境中，光纤也不会产生感应电压和感应电流。这有利于传送动态图像（如可视电话和电视节目），靠近高压输电线和与电气化铁路并行敷设，通信业不受干扰，适于在工厂内部的自动控制和监视系统应用，也有利于在多雷地区、飞机上使用。5、体积小、重量轻、便于施工维护 光纤直径一般只有几微米到几十微米，相同容量的话路光缆，要比电缆轻90%95%（光缆的质量仅为电缆的1/201/10），直径不到电缆的1/5。故运输和敷设均比铜线电缆方便，并利于在军用战斗机上作信号控制用。光缆的敷设方式方便灵活，既可以直埋、管道敷设，又可以水底和架空。 6、原材料来源丰富，节约有色金属和能源 制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即砂子，而砂子在大自然界中几乎是取之不尽、用之不竭的。因此其潜在价格是十分低廉的。而电缆所需的铜、铝产则是有限的，采用光缆后可节省大量的铜材。制造10000km光纤比10000km单管同轴铜线节约能源2.6410J，这和标准煤为910kg。光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点，因而经济效益非常显著。第三节 光接入技术宽带光接入网指由用户网络接口与相关的业务节电接口之间，全程以光纤作为传输媒质，或者以光纤作为主干传输媒质，以金属线或者无线作为用户末端传输媒质，采用各种宽带承载技术的一系列信息传送实体所组成的全部设施；具备支持现有宽带业务、窄带业务以及扩展支持未来业务开展所需要的承载能力，并可经由网络管理接口进行配置和管理。光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等优点。在干线通信中，光纤扮演着重要角色，在接入网中，光纤接入也已经成为发展的重点。宽带光接入网具有以下一些主要特征：l 全程以光纤作为传输媒质，或者以光纤作为主干传输媒质，以金属线或无线作为用户末端传输媒质；l 具有高带宽、长距离的传送能力；l 支持多业务接入，包括各种窄带业务、宽带业务以及对未来业务的扩展支持能力，以及上述业务的同时接入；l 支持IP作为上层业务的承载，可以作为下一代网的接入层网络；l 支持接入网络的平滑演进。光接入分有源接入和无源接入两种：有源接入包括SDH、PDH等，基于无源光（PON）的接入是无源接入。接入网的主要特征是汇聚众多用户的各种业务，PON的基本原理就是在一定的物理限制和带宽限制条件下，让尽可能多的终端设备（ONU）来共享局端设备（OLT）和馈送光纤。目前主要有3种PON技术：APON、EPON和GPON。根据光纤（准确地说是ONU）离用户终端的远近可将光纤接入分为FTTCab（光纤到交接箱）、FTTB/FTTC（光纤到大楼/光纤到路边）、FTTH（光纤到户），一般地说光纤离用户越近，共享该光纤的用户数越少，但每一用户可以获得较大的带宽，光纤离用户越远，则可为多用户共享，但要考虑从ONU至用户终端间其他传输媒介的接力。除此之外，FTTCab、FTTB/FTTC、FTTH所用的传输技术并无多大区别，如图3.3.1所示。 FTTH是一种全光网络结构用户与业务节点实现全光纤传输，即从本地交换机到用户之间全部为光连接，中间没有任何铜缆，也没有有源电子设备，是真正全透明的网络。FTTH在带宽和传输质量、运行维护方面，都是很理想的解决方案，因而FTTH是光纤接入网发展的最终目标。虽然FTTH是宽带接入网的最佳技术方案，但成本质高昂也是大多数用户无法承受的。家庭网络接入网铜线铜线光纤光纤光纤FTTHONTNTNTONUONUOLTFTTCabUN1SN1图3.3.1光接入网3种应用类型FTTH的主要特点如下：l 光纤直达用户，每个用户的带宽都有了保证；l 由于整个用户接入网是全透明网络，因而对传输制式、带宽、波长和传输技术都没有限制，对业务透明，适合引入新业务；l 采用无源器件，降低了运行维护成本。第四节 光纤传输用于数字电视的优点传统的有线电视网几乎唯一地以同轴电缆为传输媒介。随着网络规模的扩大和容量需求的增加，同轴电缆的缺点日益暴露出来。在频带的高端（例如550MHz），用于有线电视的最好的同轴电缆的每公里损耗高达3550dB。这就决定了同轴电缆线路（干线和支线）上必须采用一系列放大器的级联。导致噪声、频率失真与非线性失真的沿线累积。此外，电缆的温度特性又差，须加精准的自动电平调整和斜率控制措施才能使系统指标足够稳定。还有，中间放大环节多也造成供电麻烦，调节不易，系统可靠性不高，维护工作量大。与之形成鲜明对照的是，光纤的每公里损耗只有0.35dB（在1310nm波长）或0.20dB（在1550nm波长），约为上述同轴电缆损耗的1/100到1/250，而且温度系数极小；对于单一光源单模光纤的每公里带宽有几十至几百吉赫，而且频率响应平坦，在1GHz范围内完全不需要均衡；光线与外界电磁干扰绝缘，故信号传输极为稳定与安全；省去一连串放大器，使网络技术指标提高。所以光纤是有限电视信号的理想的传输媒质，光缆取代电缆是有线电视传输的必然发展方向。未来数字电视具有无限的发展前景和广阔的市场，而这一切都建立在光纤传输和光接入网技术的基础之上。现在主要的技术难点以及投资都集中在“最后一公里”的接入网上，这也是将光纤优势运用到数字电视上的关键所在，同时，为了最终实现FTTH，光接入网技术也是必须要解决的问题。下面几章将会对几种接入技术做重点探讨。第四章 CATV和HFC接入技术CATV（Cable Television，有线电视）和HFC（Hybrid Fiber Coaxial，混合光纤同轴）是一种电视电缆技术。现在每个人都知道有线电视网，每个人每天都在利用有线电视网，这就是CATV。以前只是单纯地利用有线电视网传送有线电视信号，现在它将有更广泛的应用。依据带宽和多用户优势，CATV正向传统电信发出强有力的挑战。当然，CATV自身也要不断发展、完善，HFC就是CATV发展的延续。HFC在CATV的基础上发展起来，兼具光纤通信的特点，更适合现代通信的业务要求，因而拥有极大的发展潜力。第一节 CATV网CATV网称有线电视网或称电缆电视网，是由广电部门规划、设计的用来传输电视信号的网络。其覆盖面广，用户多，在1999年1月我国的有线电视用户就已经达到了1亿。目前，CATV网的覆盖范围比电信网还广，已建成12989km的国家级干线光缆网络，在许多地方已建成光缆和同轴电缆混合网，连通全国22个省、市、自治区。从用户数量看，我国医拥有世界上最大的有线电视网络。目前，我国有线电视网有两大优势：“最后一英里”带宽很宽，覆盖率高于电信网。电信网形成时，只是为了打电话这一个业务，所以整个网络的设计进局限于64kHz，包括入户的双绞线。这样一来，电信网的“最后一英里”就形成了瓶颈，限制了网络速度的提高。而CATV网同轴电缆的带宽可以很容易做到800MHz，就现在的带宽需求而言，CATV网的“最后一英里”是畅通的。有线电视网是单向的，只有下行信道。因为它的用户只要求能接收电视信号，而并不上传信息。如果要将有线电视网应用到Internet业务，则必须对其进行改造，使之具有双向功能。总的来说，有线电视网最主要的优势是：带宽大，速率高：线路不用拨号，始终畅通；多用户使用一条线路；不占用公共电话线；提供真正的多媒体功能。一、 CATV网的结构CATV网的特点是单向、广播型的，传统的传输媒质是同轴电缆，信号采取的调制方式是AM（模拟调幅）和FM（调频），结构成树形分支型。CATV网络分为三部分，即干线、配线、引入线，如图4.1.1所示。l 干线前端和干线桥连放大器之间的部分。l 配线干线桥连放大器到分支器之间的部分。l 引入线分支器到用户设备之间的部分。引入线线路延伸器配线干线引入线分支器干线干线(超)干线前端去配线和干线用户图4.1.1 CATV网络的组成前端接收和处理信号，它首先接收空中的广播电视信号及卫星电视信号，然后将这些来自不同信源、具有不同制式的信号统一成同一种形式，再以频分复用的方式送到用户。有时还会加入本地电视台自己制作的节目。一般各电视转播站就是前端。从前端出来的信号经过沿途的中继电缆后会有衰减，为了补偿传输时的信号衰减，中间加入了干线放大器。传统的同轴电缆传输，衰减比较大，一般每隔600m就需要设置一个干线放大器，所以以前一般需要几十个干线放大器。改用光纤传输后，只需要保留几个干线放大器就行了。当干线上的信号需要分路时，必须通过干线桥接放大器。这类放大器即具备信号放大功能，又具备信号分支功能。分支器处于用户端，将从配线网传送来的信号分成多路，经过一段引入线送到个用户处。CATV网的树形分支结构最大的优点是：技术成熟，成本低，而且非常适用传送单向的广播电视业务。同样它的缺点也很明显，具体如下。1、很难传送双向业务，如果需要必须进行很大改造。2、网络比较脆弱，因为任何一个放大器的故障都有可能会影响到许多用户。如果是在干线上的放大器故障，甚至将影响到成千上万的用户。3、对用户提供的业务质量不一致。离前端较近的用户，由于沿途经过的放大器少，信号质量和可靠性都比较好；但离前端较远的用户，由于沿途经过的放大器可多达4050个，信号质量和可靠性都不是很理想。4、不太适合网络的监控和管理。自身很难监视故障，只有等待用户报故障后才知道，而且知道后也难以确定故障的位置。二、CATV网的改进与未来CATV网有着丰富的带宽资源，国内外很多厂商都在寻求在有限电视网上实现业务综合化。但实现业务综合化之前，需要对原来的CATV网进行改造。用光纤代替同轴电缆，这是一种最理想的方法。光纤信道是一种衰减小、干扰小的理想信道，用它替代同轴电缆可以节省大量的放大器，甚至可以取消放大器。而且电视信号的质量将大大提高，网络的可靠性极大增强，减少了维护服用。同时整个网络的带宽将得到进一步拓宽，未提供新的带宽业务创造条件。但完全用光纤代替同轴电缆的做法在经济上是行不通的，没有哪个投资商能投得起或愿意投资这么一个耗资巨大而回收期又长的工程。所以最经济现实的方法就是只在干线上用光纤代替同轴电缆，而在CATV网的其他部分仍然保持原来的同轴电缆，这样投资费用要比完全代替少得多。第二节 HFC接入技术HFC接入网是指传输介质采用光纤和同轴电缆混合组成的接入网。有线电视由最初的共用天线系统，经过闭路电视系统阶段，再到今天的全新的光线同轴电缆混合（HFC）网络系统，经过近30年的发展历程。HFC结构的有线电视电视网能够直接把750MHz甚至1GHz的宽带送入用户家中，提供了开展多种业务的频道资源。实践证明了HFC网络实在当今的经济技术环境下，能够为有线电视用户提供更好传输质量和更高可靠性的传输手段。光缆网起到高速连接的作用，电缆网起到方便和价格低廉的高速连接作用，两者的有机结合，构成了有线电视网的基础。数字压缩技术和高效数字调制技术在HFC网上的应用，有大大拓宽了有线电视网的频道容量和多功能服务的能力。HFC接入技术可以统一提供CATV、话音、数据及其他一些交互业务，它在550MHz频段通过正交相移键控（QPSK）和时分多址（TDMA）等技术提供上行非广播数据通信业务，在50500MHz频段采用残留边带调制（VSB）技术提供普通广播电视业务，在550750MHz频段采用QAM和TDMA等技术提供下行数据通信业务，如数字电视和视频点播（VOD）等，750MHz以上频段暂时保留以后使用。另外，由于有线电视网络在HFC传输体制的基础上支持数字通信和计算机通信等多种先进的传输体制，使得有线电视网络可以在开展有线广播和有线电视节目的基础上，提供诸如视频点播（VOD）、音乐点播、远程教育（Tele-Education）、远程医疗、家庭办公、网上商场（Shopping Online）、网上证券交易、高速Internet接入（Internet High Speed Access）、会议电视、物业管理、网络游戏（Net Game）、电子邮件（E-mail）、网上银行（Bank Online）等多种类型的宽带多媒体业务。其中高速Internet接入、远程教育、数据广播等业务已经到了大规模商用的阶段。总结起来，HFC的应用可以归为3个主要应用系统：数字电视系统、语音系统和宽带数据通信系统，如图4.2.1所示。基于HFC网的宽带业务接入有以下的特点： 1、同时传输模拟和数字信号 在使用HFC网传送的信号中，在目前的一段时间内，模拟电视广播信号仍将占据很大的比重。而数字信号主要应用于交互式业务之中，如传输计算机数据业务等。当然，也已经考虑传输经过数字压缩编码的数字电视信号，可以说数字业务将逐渐增加其比重。 2、频分复用和时分复用方式共存 对于模拟信号的复用一般采取频分复用方式，但对于多路数字信号一般采取时分复用的方式。通过HFC网充分利用这两种方式的优势，用有限的频带传输更多的信息。同轴电缆同轴电缆100 Mbit/sUTP或光缆Internet城域宽带IP网核心交换机Cable Modem终端系统（CMTS）HFC图像源Cable ModemCable ModemTVTVPCPC图4.2.1HFC的应用 3、光纤网和同轴电缆网共存 目前HFC网已经在国同的很多地区建立，这是一种经济的接入方式，同时经过发行的双向HFC网具有FTTH，FTTC的功能，从而在可以接受的价格内实现高速接入。4、信号分配和信号交换同时存在 传统的电视广播是单向的分配系统，而交互式的业务则是双向信息的交换过程。HFC技术的优势主要表现在以下几个方面： 1、为信号传输提供足够的带宽，从而为多媒体业务的开展提供了充足的条件； 2、灵活地支持交互式和广播式业务，即同时支持模拟和数字信号的传输，这是其它接入方式所无法具备的； 3、灵活地支持多种业务，实现数据、语音和视频业务的真正集成；4、是一种非常经济的解决方案，不需要再进行额外的网络线路的铺设，同时用户端和前端设备的价格也相对低廉，是目前可行的最为经济的宽带接入方案。一、HFC宽带接入的关键技术1、上行信道中的噪声和干扰。目前双向HFC网面临的一个关键问题是上行信道中的噪声和干扰的积累。由于HFC网络的属性拓扑结构，致使上行信道产生的噪声干扰有汇聚积累效应，一般称之为漏斗效应。该问题目前最佳的解决方案就是控制同一个光节点下用户终端的数目，一般控制在500户左右。另外，在目前的很多系统前端设备CMTS（线缆调制解调器终端系统）中，都开始提供上行噪声的控制功能。加强有线电视链路的屏蔽性能也会改善整个系统的抗噪声性能。2、网络接口 接入网只有完成与交换网和用户内终端单元的连接，才能构成完整的多媒体宽带交互网。交互网、接入网与用户网终端单元的网络接口必须要有统一的协议，必须符合HFC非对称和资源共享的特性（既不同于传统电信网如ADSL那样的点对点连接的网络特性）。目前我国部分省市试用的是IP over ATM解决方案，这一方案的原理是：将HFC看成模拟的ATM（异步传输模式），由前端服务器和用户终端单元发出的信号在被转换成ATM信元之前，首先打成IP包再经过PPP协议支持安全性，在通过ALL适配到ATM。3、网络控制与管理 由于现行的绝大多数有线电视分配网是简单而相对静止的，所以有线电视的网络管理几乎没有也没有必要。而HFC宽带网是一个多技术、多协议、多信息交错融合的复杂网络，为保证该网络的正常运行就必须建立一个严密的控制管理系统。这个控制管理系统其实就是一个智能的网中网，具备复用、拥塞控制、交叉连接和管理功能。4、线缆调制解调器（Cable Modem）。调制解调器又名线缆调制解调器，英文名称Cable Modem，简称CM。它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于有线电视网进行数据传输。Cable Modem与以往的Modem在原理上都是将数据进行调制后在Cable(电缆)的一个频率范围内传输,接收时进行解调，传输机理与普通Modem相同，不同之处在于它是通过有线电视CATV的某个传输频带进行调制解调的。而普通Modem的传输介质在用户与交换机之间是独立的，即用户独享通讯介质。Cable Modem属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。 Cable Modem彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达10Mbit/s以上，下行速率则更高。而传统的Modem虽然已经开发出了速率56Kbit/s的产品，但其理论传输极限为64Kbps，再想提高已不大可能。Cable Modem是组建城域网的关键设备，混合光纤同轴网(HFC)主干线用光纤，光结点小区内用树枝型总线同轴电缆网连接用户，其传输频率可高达550/750MHz。在HFC网中传输数据就需要使用Cable Modem。这是目前有线电视进入Internet接入市场的唯一法宝。自从1993年12月，美国时代华纳公司在佛罗里达州奥兰多市的有线电视网上进行模拟和数字电视、数据的双向传输试验获得成功后，Cable技术就已经成为最被看好的接入技术。一方面它理论上可以提供极快的接入速度和相对低的接入费用，另一方面有线电视拥有庞大的用户群。Cable Modem提供双向信道：从计算机终端到网络方向称为上行信道，从网络到计算机终端方向称为下行信道。有线电视台一般从42MHz750MHz之间电视频道中分离出一条6MHZ的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式，最高速率可达27Mbit/s，如果采用256QAM，最高速率可达36Mbit/s。上行数据一般通过542MHZ之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制，QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低。上行速率最高可达10Mbit/s。Cable Modem 本身不单纯是调制解调器，它集MODEM、调谐器、加/解密设备、桥接器、网络接口卡、虚拟VL