上行通信信道噪声漏斗效应

上行通信信道噪声漏斗效应

HFC(光纤同轴电缆混合网)是当前国内外正在研究开发的一种新的信息传输系统，它以有线电视(CATV)网为基础，目的是用来传输语音、图像、数据等综合信息，即构成邮电、电视、计算机等综合服务网。该网以光缆为主干线，由前端设备、远端设备及接入网的各用户终端设备组成。通常，从前端到远端为总线式拓扑结构，而从远端到备用户为树型拓扑结构。

有线电视HFC网络的上下行传输信道是非对称的，由于其下行信道的传输方式为广播方式，因此具有良好的传输特性和较高的信噪比，完全可以达到通信传输的技术指标要求。影响HFC系统传输质量的主要问题是来自于上行信道的噪声。在双向HFC系统中，由于HFC网络中电缆传输部分一般是树枝状的拓扑结构，用户至光节点信号回传共同使用上行带宽，因此由用户终端所产生和拾取的各种噪声成分和电缆设备引入的噪声全部汇集于树型结构的根部，使上行信道存在着严重的噪声积累，我们将这种噪声积累现象称为漏斗效应。漏斗效应是由其网络的结构所决定的，在树型网络结构中，对于上行通道，各放大器产生的噪声成分全部汇聚在系统的前端，这种噪声成分正比于系统的规模，即正比于同一树型网络中上行放大器的数量。不仅如此，各个用户终端产生和拾取的各种噪声成分也要经过上行通道汇聚到系统的前端，这部分噪声成分正比于接入同一树型网络的用户数。漏斗效应给系统带来的危害是直接影响数据信息的传输质量，从而严重影响上行信道的性能，甚至使系统根本不能正常运行。

HFC技术的工作原理如下图所示。它采用副载波调制(SCM)技术，在局端对电视信号和数据信号进行综合，从前端通过光载波传送至靠近用户的光网络单元(ONU)，ONU把光信号恢复成电信号，经同轴电缆分送到各用户的网络接口单元(NIU)。NIU把综合的电信号分解为数据、话音和视像信号，分送到计算机、电话和电视机等相应的终端设备。

为了利用CATV系统实现双向传输，需要在光纤通道和同轴电缆通道两个方面采取措施。首先，从前端到光网络单元(ONU)的光纤通道中，上行回传采用空分复用(SDM，Space Division Multiplexing)技术或波分复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)技术来实现。其次，从光网络单元(ONU)到用户的同轴电缆通道，采用频分复用(FDM)技术，为上行回传信号选择适当频段，使其与下行信号频段分开。

噪声的来源及特点

HFC上行信道的噪声可分为内部噪声和外部噪声两大类。

内部噪声来源于接入网络的设备，是由不需要的振荡，电源交流声和微音效应引起，主要是热噪声、散弹噪声及自激振荡，其中以热噪声为主，且无法消除，称为结构噪声。

外部噪声，我们称为入侵噪声，包括自然噪声和人为噪声，其中以人为噪声为主，主要来源于脉冲干扰噪声，感应噪声和各种电气装置的随机电磁辐射及耦合，如电力线噪声、工业设备噪声、高频电气设备噪声等。

这些噪声以脉冲干扰的形式进入上行信道，但由于来源不同，其频谱范围和强度也不相同。通常可分为四种：

1、脉冲噪声干扰

脉冲干扰噪声是迭加在有线电视系统的噪声基底上的一种随机的，不可预测的射频噪声，一般只持续不到百分之一秒，这种典型的随机干扰是有人造源产生的，如家用电器切换的弧光，火花，家用器械的马达转子，电锯，汽车点火装置，真空吸尘器，蜂窝电话的瞬间脉冲等，或有电线上不正常的开关装置等产生的电磁能量。这些干扰都可能发生在低于5MHz的次低频段，但它们的谐波将延伸到反向通道

的频率范围，由于这些干扰一般不会同时发生，所以对系统的影响是随机的，影响可能不会太大，一但同时发生时则影响很大。

宽带脉冲噪声，来自于所有能电弧放电或产生电磁场的电气设备以及自然噪声源，随时间快速变化，其影响是使系误码率升高。虽然脉冲噪声的频谱不一定在反向通道内，但由于它的幅度较高，它的各次谐波也对反向通道产生影响。 2、辐射噪声干扰

辐射噪声干扰有人为的和非人为的两种，如短波电台，业余无线电台，出租车的双向通信，各种交互式通信等频率在5～30MHz内的单频连续波的干扰，它们在大气传播时通过用户终端和分配设施耦合到上行信道中，并随时间呈慢变化，造成信道容量的下降。在5～40MHz的频段中，短波干扰是主要的干扰源。辐射干扰是回传通道噪声的主要来源。 3、感应噪声干扰

感应噪声一般在2kHz～50kHz范围。最明显的例子是闪电，还有高压线和配电站产生的电磁干扰和电器设备不良放电现象。这种干扰频谱窄，虽然可能波及到回传通道，但影响不回很大。 4、内部噪声干扰

内部噪声干扰直接来自于有线电视系统组成部分，如用户终端设备，故障设备，不良接头以及电源开关等。由于各用户的情况千差万别，在使用各种电器时，会有意无意地产生频道在30MHz以下的干扰信号和噪声，这些干扰信号和噪声一旦耦合进反向通道，便会产生干扰，这些噪声往往很难控制，且有很大的随机性和持久性。

在上述噪声中，辐射噪声干扰的影响最大。

在城市中，由于工业及商业电气设备密集，合成噪声不再是脉冲性的，已经形成连续性噪声或是连续性噪声中带有冲击性的噪声。

人为噪声的分布随地点和时间的不同而不同，通过大量的测量和统计表，人为噪声的平均值随地点分布呈对数正态分布规律。美国国家标准局对人为噪声的研究结果表明，城市商业区的噪声最大。 人为噪声入侵上行信道的渠道是多方面的。例如，有线电视系统中的用户盒都带有一个FM插孔，此孔没有终接，这样每个FM孔类似一个天线，它搜集外界的各种噪声，使之进入HFC的上行信道。此外，诸如使用的电缆、分支器及其接头不终接等，均将引入外部噪声进入上行信道。

随着HFC用户的增加，内部噪声和外部噪声均将相应增加，而且外部噪声的增加超过了内部噪声的增加，成为影响系统的主要因素。

克服上行噪声的主要方法

HFC双向数据网络中的噪声汇聚问题是任何一个网络建设者们都无法避免的，这是由网络的结构决定的。但是另一方面，虽然我们无法从根本上去除网络的噪声汇聚，却可以采取种种措施来降低网络噪声对我们的影响。

由于交互式业务的开展，解决上行噪声的问题势在必行。从理论上讲，保证系统有足够的信噪比就可以克服噪声和干扰的影响。但在实际的HFC系统中，用户终端的回传功率是受限的，因此必须采取其它措施来解决上行噪声问题。

1、合理设置网络结构，减少光节点的用户

一般认为，来源于用户家庭的噪声约站上行通道中噪声总量的50%或更多，通过同轴电缆进入系统的约占20～30%。因此，减少HFC网络中每个光节点的服务用户是较为彻底的解决方法，但会增加系统造价。一般来说，以每个光节点的服务的用户不超过500户为宜。

2、采用回传通道滤波器

(1)、高通滤波器(HPF)：高通滤波器用于非双向用户的接点，可以阻止入侵干扰进入回传信道，该HPF对回传信号5～30MHz完全衰减，对大于50MHz的信号完全通过，其目的是把非双向用户与交互式业务用户网隔离开来。HPF一般装在定向分支器上，可保证来自家用线路或电缆接点的入侵干扰排除在回传信道之外，HPF提高了信噪比，消除了一大部分非双向用户而造成的潜在干扰源。这对网络建设的初期，交互式用户不太多时，具有较好的效果。但HPF不能解决交互式用户自身使用回传通道而带来的噪声干扰。为了方便使用还在HPF中设有分级的衰减器，该衰减器是为用户能接收所有回传业务而设计的，它的最大好处是均衡回传信号的电平，降低噪声电平，增加用户端的隔离，改进用户入口的阻抗匹配。 (2)、窗孔式高通滤波器：窗孔式高通滤波器是为交互式业务的付费用户安装的，这些滤波器用于在回传通道中有选择性地通过群频信号。窗孔式高通滤波器将消除回传通道带外的其它信号。窗孔式高通滤波器通常也设计成带衰减的形式，以避免过量的噪声和回传信号电平过高引起回传激光器过载，同时减少回传总功率，也降低了噪声电平。

(3)、带回传衰减的窗孔式高通滤波器：由于过量噪声，回传信号电平过高将会引起激光器过载，这种激光器过载也将导致完全破坏一个节点的回传信号，为此对回传信号有选择地引入6或12dB的衰减，会减少回传总功率，也降低了噪声电平。

3、采用具有较强的抗干扰能力的调制方式和合适的编码方式

a、QPSK和QAM调制技术：由于有线电视HFC系统采用的是一种模拟技术，要实现数字信号的传输，必须进行宽带调制，即称为电缆调制解调器(Cable Modem)的新技术。由于在网络中数据业务传输流量的不对称性，DOCSIS1.0标准中规定：下行信号采用64QAM或256QAM调制方式，并采用RS编码进行前向纠错，上行信号采用QPSK调制技术或16QAM调制技术，以提高系统的抗干扰的能力。

在宽带数据网络中的下行通道通常采用DVB标准、64QAM(或256QAM)的调制方式，一个8MHz带宽的频道中可传送的数据率为31.64Mb/s。调制器可调制的状态数16、32、64、128、256等可调(由于32，128的星座图不对称，功率分配不均匀，故通常不采用这两种调制方式)。所选的调制状态数越大，能够传输的数据率就越大，在相同压缩比的情况下可传输的节目数就越多，但系统对噪声等各种恶化因素更敏感。相同接收条件下，调制状态数越大，所需的C/N门限也相应大一些。

b、CDMA调制技术(码分多址)：CDMA技术是80年代初期开始为移动通信所关注的新技术。它的特点是可有效利用有限的频谱资源，扩大通信容量，更主要的是降低噪声，提高信噪比。其主要技术特点是利用扩频技术，将要传输的具有一定带宽的数字信号，用一带宽远大于被传信号的高速伪随机码去调制它，使原信号得到大大的扩展即扩频，再经载波调制后发射出去，接收端则使用完全相同的伪随机码与接收的宽带信号作相关处理，还原成原信息数据(解扩)，实现数字通信。之所以采用扩频技术即扩展频谱的概念，是基于信道噪声功率与信道带宽成正比，发送时人为地扩大信息的信息量极其带宽，直到添满信息容量为止。接收时，把人为扩大了的信息量恢复成原信道量，同时把信道带宽减少到原信道带宽。这一过程被称为扩频信号的解扩，使信息信号的信噪比提高。CDMA每一个频道是由多个数据流组成了总的14Mb/s的数据数率，每一数据数率流均采用格栅编码，交错编织并分布在6Mb/s的带宽内，每一数据流均使用自己的扩展(地址)码，扩频信号还使用了前向纠错和交织技术，使得数据流对脉冲噪声和窄带干扰具有极强的抗干扰能力。

c、S-CDMA(同步玛分多址)调制技术：S-CDMA被称为第二代调制技术，由美国国防部首先开发的，用来处理安全和干扰问题，该技术能把信息扩展到6MHz～10MHz，同时伴有一个编码(前向改正编码)和交织过程，并且提供不容易受噪声干扰的传输。通过确保用户单元编码在发送上级信息时相互正交并且同步，通过使用6MHz的S-CDMA来解决宽频带的频道干扰，而不影响其它被防护频带隔离的频道。通过提高与前向纠错编码一起传输的信号扩展和交织，信号流就不容易受到各种噪声，诸如脉冲噪声，窄带感应噪声，辐射噪声和宽带高斯噪声的干扰。对干扰抑制可达27dB，同时允许本系统在负载噪比时运行。通过维持正交性，S-CDMA减少了用户间的相互干扰，并增大了系统的容量。

根据国际电联电信标准部第九研究组(ITU-T SG9)1999年3月通过了J.112建议(DOCSIS：交互式有线电视业务传输系统)，基于DOCSIS1.0(或DOCSIS1.1)标准的Cable Modem系统，上行采用QPSK/16QAM调制方式，下行采用64QAM或256QAM调制方式。S-CDMA调制方式目前尚未列入DOCSIS标准，但在我国部分有线电视系统中已有采用。 4、采用纠错技术

脉冲干扰的持续时间较短，通常只造成一段码流的误码率增高，所以采用前向纠错技术可以有效地消除脉冲噪声带来的影响。

为了加强抗噪声性能，一般进行数据传输时，都要对数据重新进行信道编码，以适应信道的传输。常见的是交叉交织里德-索罗门编码，它具有理想的误码发现以及错码纠正能力。通过设置FEC纠错参数(交叉交织深度)可以适当地调整网络的抗噪声能力。较高的交错深度在HFC网络上提供了更多的抗噪声性能，但同时又提高了回传信息的反应时间。 5、选用优质的终端设备

在宽带网络中设备的选用是一个相当关键的问题。设备产生的电气噪声以及信号流经设备时的离散偏移、相位偏移等都不容忽视。在设备的选用上应首先选用低噪声、相位及频率稳定度高不易漂移的产品。对于在线材以及无源器件(如广泛使用的分支分配器等)的选用上要选择那些屏蔽性能好、隔离度高、宽通频带的产品。良好的设备方能保证网络的正常运行。

在有线电视数据传输系统中，采用优质的Cable Modem作为系统的终端设备。优质的Cable Modem一方面具有自动跳频的功能，它可在设定的频段内自动寻找干扰最小的频率点来进行信号的回传，同时还能够根据线路的状况，自适应调整信号的发送速率，另一方面可以自动调整其上行输出信号的电平，以达到最佳的信噪比，并且在与之相连的计算机设备空闲时，它能够及时关断上行信号的载波，减少系统噪声的汇聚。

由于Cable Modem可以支持16个IP地址，因此可以对广大的家庭用户采用楼栋单元内的8～16户用户之间通过HUB连接成10BASE-T的局域网的方式作为最基本的网络单元。这种方式HUB可有效地隔离用户的噪声，减少系统的汇聚噪声，同时也可以降低用户的成本。

网络中线缆调制解调器在初始化时，接收前端CMTS发出的控制指令，调整自己的回传输出电平；CMTS则监控正在进行注册的调制解调器的到达电平，与基准电平相比较，当入口电平与基准电平相符合时，CMTS与CM之间的电平调整结束。网络中信号的信噪比与载噪比密切相关，而载噪比的提高，一方面与网络中固有噪声强度有关，另一方面也随着信源的输出电平强度相关。在保持网络信号衰减量以及噪声大小指标稳定的情况下，通过调整CMTS端的反向电平输入强度，使用户端CM的反向射频输出也加大，从而提高了通道的载噪比性能。 6、提高工程建设的质量设备

网络工程的设计水平要由施工质量来体现，网络建设时必须对诸多环节加以考虑。网络首先要注意到的是信号的屏蔽性能。实践证明，网络中的噪声侵入，有很大一部分是由那些非屏蔽的端口引入的。在有线台的机房中，各种低频段的噪声本来就相当高，一旦未对设备的接入端口进行处理，则此部分噪声便能够轻易进入到系统中来。在对未用的端口进行屏蔽的同时，也要对线缆接头的制作质量进行校验，网络中不合格的接头极易引起线路噪声的产生。

抑制噪声的方法——S-CDMA技术

在HFC中，为了实现对数字信号的传送，通常采用的调制技术是正交调幅(QAM)及四相移相键控(QPSK)，但由于上行信道存在严重的噪声积累现象，而QPSK及QAM均缺乏对这种噪声的抑制能力，从而严重影响了上行信道的质量。为了改善上行信道的质量，许多设计者采取了各自有效的解决措施。其中最有效的方法是利用跳频技术，即多个上行信道对应一个下行信道。当某个上行信道的信噪比达到某一阈值时，则放弃这一信道而跳到另一个可用信道。这种技术虽然解决了抗干扰问题，但严重浪费了上行信道资源，而且上行干扰并未得到有效抑制，仅是一种躲避干扰的措施。

S-CDMA(同步-码分多址)调制技术是目前移动通信的一种最新技术。将该技术应用于HFC，不仅能够有效利用有限的频谱资源，扩大通信容量，而且能够有效降低噪声，提高信噪比。

S-CDMA的技术特点是利用扩频技术，将欲传送的具有一定带宽的数字信号，用一带宽远大于被传送信号带宽的高速伪随机码去调制它，使原信号带宽得到大大扩展(即扩频)，再经载波调制(通常采用QPSK)后发送出去，接收端则使用完全相同的伪随机码与所接收的宽带信号作相关处理，还原成原数字信号(即解扩)，从而实现数字通信。其原理框图如图1所示。（图传上来太费事了，要要原稿的直接问我吧）

图 1 伪随机码扩频通信原理图 （图也没了）

图中，BS为扩频前数字信号的带宽，BW为扩频后射频已调波的带宽。可见，在发端，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽；而在收端，利用伪随机码的相关性作解扩处理后，有用信号频谱被恢复成窄带谱，宽带无用信号与本地伪随机码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱，窄带无用信号则被本地伪随机码扩展成为宽带谱。由于无用信号和干扰信号为宽带谱，而有用信号为窄带谱，可用一个窄带通滤波器排除带外的干扰电平。这样，窄带内的信噪比就大大提高了。

应用该技术抑制噪声的能力可用扩频增益GP来衡量，它表示扩频解调器输出的信噪比RSRNo的比值，

即有：

(1) (公式没了)

如果认为噪声和干扰的功率谱密度在扩频解调前后可近似看作均匀分布，则 (2) (公式没了) 将式(2)代入式(1)，得：

(3) (公式没了)

可见，GP正比于BW，而BW与所用伪随机码速率有关。为获得高的扩频增益GP，要求增加射频带宽BW，即提高伪随机码的速率。

伪随机码既用来改善系统性能，又用来作为地址码，因此选择伪随机码时必须满足如下要求： (1) 伪随机码的比特率应能满足扩展带宽的需要； (2) 伪随机码的自相关要大，互相关要小； (3) 伪随机码应具有近似噪声的频谱性质。

总结

S-CDMA调制技术应用于HFC中，所形成的主要特点是：

(1) 具有强抗干扰能力，尤其可有效抑制上行信道的噪声及激光削波等干扰；

(2) 由于采用具有正交性的伪随机码作为地址码，因而频率和时间上都可重叠，大大提高了系统的有效利用率；

(3) 该技术可与其它技术融存，保密性好；

(4) 可提供定位速率、变位速率和可选位速率的频带定位，支持不同类型的通信服务。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g62f.html