西北工业大学有线电视网络数字化改造的技术分析

2011-09-20西北工业大学郝正庆中国新时代国际工程公司

智能建筑与智慧城市 2011年9期

文｜西北工业大学郝正庆中国新时代国际工程公司顾梅

随着西安地区有线电视网数字化转换的进行，西安地区有线电视网数字化转换已近尾声，为了和西安有线数字电视网络实现顺利接轨，满足西工大教职员工对数字电视以及今后互动电视的更高需求，提升西工大有线电视网络的国有资产存量价值，2010年西北工业大学完成了老校区的有线电视数字化整体转换工作，整体转换后的有线电视网络已平稳运行近一年的时间，回顾整个网络改造工程的实施过程，笔者认为有必要做个技术性总结。

改造工程一开始，负责此项目的业务单位成立了项目组，组织了相当强的技术力量，对几套设计方案及关键工艺召开多次会议讨论，确定了有线电视网络的数字化改造要充分考虑现有网络的实际情况，尽可能地利用现有网络资产的指导思想，并以此做出既有前瞻性，又符合当前实际需要的设计方案；并明确和规范改造工程的施工工艺和标准要求。

1 数字化改造前西工大有线模拟电视网络状况

西北工业大学老校区于1998年改造为双向HFC有线电视系统，前端节目源来自卫星电视信号及自办节目。电视信号经调制器、混合器送入45MHz～750MHz频带内，每个频道幅度场强为80dB/m的射频电视信号，送入1310nm光发射机的射频输入端口，由光发射机将电信号变为光信号，送至住宅区及学生公寓七个光节点的光接收机，将光信号转变为电信号，每栋楼宇设立一台或两台750MHz射频放大器，经无源分配分支器等分电功率送到用户室内终端盒，利用终端盒与电视机的电缆连接线传送给电视机。

截止2010年6月，老校区改建、新建了多栋新的大楼，有线电视网络传输的电缆及光缆也有了扩容和调整。2006年，新校区也投入使用，两校区的有线电视必然要组成一个网络结构。两校区相距较远，光纤长度为42km，因此，选择传输衰减较小的工作窗口1550nm光波长，将设在老校区机房内的有线电视信号送至新校区，组成新的光网系统。设备选用德国产的1550nm光发射机，SBS为16.5dB/m、双输出端口2x7dB/m及17dBm、20dB/m的1550nm光放大器。

2 有线电视网络数字化改造的原则

经过深入研究，确定了西工大电视网络数字化整体转换的原则。

经济性原则：根据西工大有线电视网络的实际情况，结合有线数字电视传输网络发展方向，尽可能保护以往投资的可用软、硬件资源；技术体系和相对配置的设备确实是经济适用。

先进合理性：采用光网传输技术、数字电视技术和基础设备，体系结构先进合理，完全满足当前的业务需求，并不断完善更新，保证满足可发展的需求。

开放标准性：系统采用开放式设计，保证各大厂商的设备、系统良好的集成。系统设备的所有接口都符合相关行业开放性标准，支持不同厂家设备的互联互通，满足信息准确、安全、可靠、优良传送的需要。

高可靠原则：采用成熟先进的技术，关键部件有足够的备份冗余，供电可靠，并遵循低故障、易维护原则，确保网络系统安全和可靠运行。

可扩展原则：网络的业务需求增加时或业务功能扩展时，能提供网络的深度支撑和网络的功能扩展。

3 网络改造的实施方案

3.1 前端设备组合

2010年电视网络数字化改造工程，只对西工大老校区的原有网络进行施工，新校区由于还没有住宅用户，单位用户数量也非常有限，因此决定新校区的有线电视网络的数字化改造工作将在新区的住宅楼群建成后，建设新网的同时改造老网。启动时间大约在2011年的第四季度。

在有线数字电视网络改造中，使用一个频道传送5套自办节目数字电视信号，自办节目的播出设备提供视频及伴音信号给MPEG2视频编码器，每套节目的编码率均可设置在6Mbps之上。编码器将视频及伴音信号转变为数字电视的TS码流送入复用器，复用器将5套TS码流按时序统计复用送入64QAM调制器，64QAM调制器将TS码流调制成载波的频道频点上，用蓝波段的1310nm光波长传送。

数字电视信号在有线电视中传输（下行），一般使用64QAM调制方式，一个载波占用的频道宽度不超过8MHz，一般设置QAM调制器的输出符号率为6.875MHz（占用带宽为7.906MHz）。这样，QAM数字调制器的最大输出有效码率为38.01Mbps。

其他前端节目源来自距西工大约4km的西安市振兴路广电分前端的红波段1550nm光波长的光信号，西工大的前端机房用光接机将市广电网络的光信号转变为电信号，与西工大的自办五套数字电视节目的光信号波分复用，电混合后送入原有德国设备1550nm光发射机，转变为1550nm光波长的光信号。

考虑到学校的实际情况，整转后现阶段还保留的6套模拟节目和西工大自办的模拟节目以及中央5台体育节目通过相应的技术处理，仍以模拟信号送至公共活动场所的大屏幕。

前端传输设备由自办数字电视节目信号设备的5台编码器、复用器、640QAM调制器、混合器、1310nm光接机、1310nm光发机、1550nm光接机和1550nm光发机以及保留模拟信号的设备组合而成。如图1所示。

3.2 主干光网络传输系统

模拟电视网络改造成数字电视网络，其至关重要的一个环节就是实现传输网络光纤化。光纤化程度越高，数字化的业务发展越有前景，是光纤到楼还是光纤到单元，或者是光纤入户？究竟采取何种方式，这就要充分考虑客观情况和各方面的条件做出正确的决定，既要满足当前业务的实际需求，也要有利于今后的技术升级，最终确定西工大有线数字电视光传输网络的光纤到单元较为合适。

图1 前端传输设备组合

西工大有线数字电视的光网传输为无源结构，趋近EPON的形式，有源设备全部安装于楼宇内，拆除原楼外所有有源设备，楼外不再有任何有源设备，这样的网络结构安全可靠，减少了维护人员的工作量，也降低了维护的成本。

所有光纤均在交接箱内做接头，布放的光缆最长传输距离不超过3km，因此，接头的衰减不会对工程质量有影响。而跳接也极为便利，维护也更加方便。

光网络的架构体系：前端用原有德国1550nm光发射机设备、双输出端口2×7dB/m，1550nm光发射机两路输出各链接一个二光分路器输入端，光分路器输出端链接两台EDFA光发大器，EDFA放大器共有4台，其中用在友谊校区内的3台输出功率均为22dB/m，提供给长安校区的1台输出功率为17dB/m，3台22dB/m光放大器输出端各链接一个1×2光分路器，1×2光分路器输出端链接2个1×4光分路器，每个1×4光分路器输出端接4个1×8光分路器，1×8光分路器输出端链接至老校区各汇聚点的交接箱。

这种网络架构方式，无论接入市广电网络节目源信号或是电信网络节目源信号还是其他网络节目源信号，具有选择灵活的优点，为今后灵活选择节目源信号及业务扩展打下良好的基础。干线光传输网络如图2所示，图2中各设备之间均为光缆链接，两台光二分路器输出端接3台22dB的EDFA和一台17dB的EDFA，17dB的EDFA将1550nm光信号送至新校区的20dB的EDFA，两校区之间的光纤距离为42km。

3.3 校内小区光网络结构

依据相关行业标准和规范要求，本工程设计的传输网采用符合广电要求的“4+8”结构，即一光四分路器输出端口链接四个光八分路器，传输网络具有很大的扩容性。光八分路器的输出端口链接至楼宇内替换原放大器的光接机。如图3所示。

图2 主干光传输网络系统图

光链路损耗计算公式：

Pn=α×Ln+a×Lc+Lm+Pr。

Pn为各分光路器以下的第n支路所需光功率（dB）。

α为光纤损耗系数，1550nm光纤损耗系数为α=0.20～0.21dB/km，工程施工之后光纤损耗系数α=0.23dB/km。

Ln为光链路光纤长度。

a为光纤链接个数。

Lc为接头损耗，每个Lc=0.3～0.5dB。

Lm为系统裕量，Lm=0.3～0.5dB。

Pr为附加损耗，Pr=0.3～0.5dB。

分光器输出端各条光链路的分光比计算公式：

依照以上公式计算出各支光链路的光功率和分光比指标均符合规范要求，施工中实测的指标也非常理想。

3.4 楼宇分配网

原1998年改造的“楼梯间采用树型分支的拓扑结构”，而市广电网络公司“要求楼内的入户电缆，楼梯间采用星型集中分配的拓扑结构”；本次改造工程因考虑尽可能地保护原有投资，只要还能使用的原有线路就不对其进行改动，但确因年代太久，线路老化已不能满足传送数字电视信号必须重新施工或者是新建楼宇内电视分配网的布线，均按照“集中星型分配拓扑结构”进行施工。集中星型分配使用分配器较多，不用或必要时使用少量分支器，因为分支分配系统分支级联多，损耗大，正向传输好，反向传输损耗则很大；电缆线路的长短对于信号的损耗影响小，器件的损耗影响大。因此，集中星型分配方式各终端的电平容易平衡，利于双向传输数字信号。下面以七层楼的一个单元为例，给出“集中星型分配拓扑结构”如图4所示。图4中未标明的线均为-5射频电缆。

图3 “4+8”结构

4 网络规划设计主要依据及系统指标要求

4.1 设计依据

西工大有线数字电视网络的规划设计主要依据以下有关标准和规范：

（1）《有线电视系统工程技术规范》GB 50200-1994。

（2）《有线电视广播系统技术规范》GY/T 106-1999。

（3）《有线电视系统测量方法》GY/T 121-1995。

（4）《有线电视网中光链路系统技术要求和测量方法》GY/T 131-1997。

（5）《有线电视与广播共缆传输系统技术要求》GY/T 118-1995。

（6）《城市有线广播电视网络设计规范》GY/T 5075-2005。

（7）《有线电视广播系统运行维护规程》GY/T 166-2000。

（8）《有线数字电视广播信道编码与调制规范》GY/T 170-2001。

（9）《HFC网络上行传输物理通道技术规范》GY/T 180-2001。

（10）《有线数字电视系统技术要求和测量方法》GY/T 221-2006。

（11）《有线电视系统设计安装调试验收规程》DB51/T 46-1991。

（12）DVB-C、ETSI300429、ITU-T J.112。

（3）陕西广电网络西安分公司工程部2008年《分配网设计技术要求，数字电视网络测试指标》。

图4 集中星型分配拓扑结构

4.2 频谱资源分配设计

下行系统带宽：87MHz～862MHz。

系统质量：87MHz～862MHz根据实际情况传输多套PAL制频道电视节目，承载数字标清、数字高清、交互视频、下行数据等多类型业务。

上行系统带宽：5MHz～65MHz。可实现图像和数据信号的回传及网管功能。

频段分配如下：

5MHz～65MHz：上行交互式综合业务频带，包括状态监控计算机联网（本工程暂不启用）、模拟电视及数据信号等。

65MHz～87MHz：上下行频段的隔离带。

88MHz～108MHz：FM调频立体声广播频段。

110MHz～862MHz：根据实际情况传输多套PAL制频道电视节目，承载数字标清、数字高清、交互视频、下行数据等多类型业务。

4.3 系统指标分配

电视系统主要由前端（信源）、传输网络（信道）、用户终端系统（信宿）三部分组成。传输网络包括光缆传输网和电缆分配网，对于模拟的传输系统设计计算三项指标：载噪比（C/N）、复合二次差拍比（C/CSO）、复合三次差拍比（C/CTB）。

有线电视网络传输模拟电视系统的指标分配，如表1所示。

表1

在工程设计中，两个分系统级联后，总的技术参数可由两个分系统的相应参数按下述方法计算：

式中：S1、S2分别为两个分系统的C/N或C/CSO或C/CTB，单位为dB；K为级联加算系数，由表2给出。

表2 不同传输链路级联后的加算系数

经过计算两级光链路合成后的指标：C/N≥ 48.9dB、C/CSO≥ 60.2dB、C/CTB≥62dB。

合成指标完全满足整个系统的设计要求，符合HFC网络系统指标分配值，二级光链路采用1550nm传输系统，系统整体的指标优于系统合成指标。

4.4 有线数字电视传输系统的指标分配

我国目前还没有传输有线数字电视的标准，参照国际标准ITU-TJ.112附录A、IEC数字调制信号的技术参数及要求，机顶盒输入端口的技术指标载噪比CNR、非线性失真CSO、CTB，调制误码率MER分别为：C/N≥25.5dB、C/N≥35.5dB、CSO≥43dB、STB≥43dB、MER≥30dB。

结合“有线数字电视系统用户终端接收机入网技术条件和测量方法的第一部分；透明传输电性能参数”，载噪比取28dB；有线数字电视系统技术指标（64QAM）为：C/N≥ 28dB、CSO≥ 43dB、STB≥ 43dB、MER≥30dB。

传输数字电视网络系统的指标分配，如表3所示。

表3

4.5 转换为数字电视系统后的指标实际折算方法

由于数字电视信号的处理方式及表现，与模拟电视有很大的差别，其描述的技术指标也完全不一样，表达模拟电视的三大技术指标不再适用于数字电视信号。

为了准确衡量数字电视信号的质量，引入了组合载噪比CCNR和调制误差比MER以及误码率BER。这里简要介绍CCNR和MER两个技术指标及其关系。

（1）组合载噪比CCNR

在数字模拟混合光纤传输系统中，数字频道之间、数字频道和模拟频道之间、模拟频道之间都存在干扰，其表现有所不同，但是以上因素对数字电视信号的影响效果是等同的、累加的，都会引起误码率升高；严重时会造成马赛克，甚至无任何图像，这一点与模拟电视也很不相同；模拟电视的CNR和CSO、CTB对图像的影响表现是不同的，表现出不同的叠加规律和图像表现。因此，在数字电视传输系统中引入载波互调噪声。

CIN是组合二阶互调噪声（CIN2）和组合三阶互调噪声（CIN3）的叠加。

载噪比（CNR）是与指定带宽的热噪声相关的，所有这些噪声组合形成组合载噪比。

对于模数混合传输系统而言，由于数字频道的电平比模拟频道的电平低6～10dB，因此其CCNR应该为：CCNRdigital=-10xlog（10_CCNRfiber/1010-CCNRcable/10）-S-10xlog（B/4）-M。

其中，CCNR fiber表示光纤传输网络的指标，CCNR caber表示电缆传输网络的指标，S表示数字频道较模拟频道电平低的dB数，B表示数字接收机的带宽，这里的4MHz是NTSC制式的模拟电视噪声带宽，M系统设计余量，一般取3～6dB。对于PAL/D制式的系统来说，4MHz应该用5.75MHz替代，B是7.906MHz。

（2）调制误差率MER

MER有点“类似”我们模拟信号的CNR，它是测量星座图上符号幅度的RMS误差与平均符号幅度的比值，用dB表示。

MER指的是被接收信号的单个“品质因数”。MER往往作为接收机对传送信号能够正确解码的早期指示。事实上，MER是用来比较接收符号（用来代表调制过程中的一个数字值）预期理想位置的差值。

（3）CCNR与MER之间的关系

对于QAM调制的数字电视信号、CCNR与MER有以下关系，如公式所示：MER（dB）=-10 xlog（10_CCNR/10/1+α）。

其中：α是滚降因子。对于64QAM信号，α=0.15；对于256QAM信号，α=256QAM信号，α=0.12。