莆田市光纤干线网优化改造
　沈国从（莆田市广播电视中心 福建莆田 351100）
摘  要：HFC网络是成熟的技术，在现有的技术标准和器材指标的前提下，如何优化网络结构，用活指标比例，对设备器材扬长避短，是值得探讨和考虑的问题。
关键词：网络结构优化；指标改善
　随着全国数字电视整体转换工作的启动与逐步实施，数字化网络改造工作已成为我们工作的重中之重。光纤网络结构的好坏直接关系着数字电视整体转换的成功与否。
光纤网络优化改造前，我市各县、区、乡镇普遍存在着1550nm、1310nm各有所用的现状，早期1550nm设备昂贵，县区乡镇村采用1310nm居多，网络标准参差不齐，网络建设和发展不均衡，适合传输模拟电视信号。具体方案是：有线电视台采用1550ｎｍ光传输技术，以星型拓朴结构引出一级光纤干线网络，把部分广播电视节目传送到县、区前端，县、区前端利用光接收机接收后，与自己的自办节目等一些频道混合后采用1310ｎｍ光传输技术, 以星型拓朴结构引出二级光纤干线网络，把广播电视节目传送到乡、镇级的前端，乡、镇级的前端，也是采用1310ｎｍ光传输技术,以星型拓朴结构引出三级光纤干线网络，连接到各个村光节点；光节点后引出同轴电缆分配网络连接到用户，电缆分配网络采用星树形拓扑结构，放大器级联数不超过3级，如图1所示。
 
　图1　ＨＦＣ网络拓朴图
我们知道按照常规，光-电中继（转换）一次，系统载噪比C/N劣化10lg2＝ 3dB、C/CSO劣化15lg2 ＝4.5dB、C/CTB劣化20lg2＝ 6dB。那么经过三级光缆网络后，则系统载噪比C/N劣化9dB、C/CSO劣化13.5dB、C/CTB劣化18dB，留给电缆网的指标就所剩无几了。特别是要传数字电视，对C/CSO、C/CTB指标要求更高，均要大于57 dB, 所以优化网络结构势在必行，尽量减少光链路所占用的指标。
一、 三级光缆网的优化改造
随着1550nm（单位光功率成本大幅度下降）设备价格日趋便宜和技术的日趋成熟，我市改造的方案是采用1550nm系统，直接构建市、县（区）、乡（镇）、村三级光缆网络，而只需要一次光电转换和3次光放大，只使用一级光缆指标分配。同时光设备采用双备份，显著提高网络运行可靠性。如图１所示。把县、区前端设为分前端，利用市前端高质量的设备，对各类信号源汇集处理为一体，各县、区新闻节目采用音视频光端机回传到市前端机房，处理打包后与信号源混合到一起，利用1550ｎｍ光传输技术，直接送到村（或小区）光节点，经过光接收机接收后，再送到用户家里。
１、 网络改造的指导思想
网络的改造应遵循统一设计、统筹规划、分步实施、高起点、多功能、可扩展性等原则，把ＨＦＣ网络建成既能传输模拟和数字广播电视这一基本业务，又能传输语音、数据、图像等增值业务，发挥有线电视宽带、高速和区域接入网的整体优势，与省广电综合信息网及公众网连接，使莆田市ＨＦＣ网络成为真正的高速的、宽带的综合信息网，同时必须设置网管功能，优先设置网络故障和性能管理、收费管理，并逐渐完善其它网管功能。莆田市有线电视发展规划图2所示。

 
　图2　莆田市有线电视发展规划示意图　
2、网络改造设计规划
（１） 设计依据
ＧＢ8510－86《30ＭＨｚ－１ＧＨｚ声音和电视信号的电缆分配系统技术指标》；
ＧＹ/Ｔ106－1999《有线电视广播系统技术规范》；
ＧＹ/Ｔ131－1997《有线电视网中光链路系统技术要求和测量方法》；
ＧＹ5063－1998《市、县有线广播电视网设计规范》
GY/T221—2006《有线数字电视系统技术要求和测量方法》
（２）网络拓朴结构
市广电中心根据本地的实际情况，充分利用各县、区原有的设备、杆路及缆线等资源，在中心设一个总前端，涵江、秀屿、郊尾、仙游各设一个分前端。由总前端利用1550ｎｍ光传输技术，以环型拓朴结构引出一级光纤干线网络，连接各个分前端，并形成双向闭合环路；各个分前端利用1550ｎｍ光传输技术，只需对市前端机房送来的光信号通过光切换开关选择后进行第二级光放大、分配，以星型拓朴结构引出二级光纤干线网络，连接到各个乡镇广电站；各乡镇广电站也利用1550ｎｍ光传输技术，也只需对市前端机房送来的光信号进行第三级光放大、分配，以星型拓朴结构引出三级光纤干线网络，连接到各个村光节点；即光缆网从前端→分前端→乡镇站（小区）→村（自然村、楼栋），只采用1550nm一次光电转换技术。光节点后引出同轴电缆分配网络连接到用户，电缆分配网络采用星树形拓扑结构，放大器级联数不超过3级。整个ＨＦＣ网络的拓朴结构如图3所示。光缆网的带宽定为１ＧHz，同轴电缆分配网络按双向网络方式设计，预留回传功能，每个光节点覆盖200-500个用户，服务半径为１Ｋｍ，电缆分配网络带宽为862ＭＨｚ，一级光链路采用1550nm光传输系统，每个光节点使用6芯光纤；二、三级光链路也采用1550nm光传输系统，每个光节点使用4芯光纤。
 
　　　图3　莆田市－县（区）、县（区）－镇（乡）、镇（乡）－村三级1550nm光缆网
３、网络指标的分配
在HFC网络中，特别是模拟、数字电视共传的过渡时期，要考虑到的系统的射频技术指标很多，有载噪比C/N、载波复合二次差拍比C/CSO、载波复合三次差拍C/CTB、信噪比S/N、调制误差率MER、误码率BER等，模数共传时，有些指标存在着关联关系，如载噪比C/N比信噪比S/N要求高，若载噪C/N够了，信噪比S/N就一定能满足要求，所以信噪比S/N就不必考虑了，同理若信噪比S/N满足要求，调制误差率MER、误码率BER也会满足要求，所以调制误差率MER、误码率BER也就不必考虑了。所以HFC网络中的技术指标主要有三项：载噪比C/N、载波复合二次差拍比C/CSO、载波复合三次差拍C/CTB，其指标分配见表１　
项目 C/N（dB） C/CSO（dB） C/CTB（dB）
国标值 43 54 54
设计值 44 55 55
指标分配公式 44-10lgk 55-15lgk 55-20lgk
前端 比例k 0.2 0.1 0.1
 数 值 51 70 75
光链路 比例k 0.3 0.1 0.12
 数 值 49.2 70 73.4
电缆系统 比例k 0.5 0.8 0.78
 数 值 47 56.5 57.2

４、系统（多级）光链路的载噪比C/N的计算
由1550nm外调制光发送机和光接收机组成的光链路的载噪比C/N0≥54dB；
掺铒光纤放大器的噪声系数Nf≤5 dB，（测试条件为PAL-D 60个频道下，单频道调制度m=4.35%，光接收机的输入光功率为0dBm）。
光发送机、光纤放大器和光发送机组成的光链路的载噪比指标，是由光发送机和光接收机组成的光链路的载噪比同插入的光纤放大器的载噪比指标进行累加得出来的，而在光链路中每插入一级光纤放大器，载噪比为：
C/NEDFA=m2Ps/4hγBeNf
式中：
m表示单频道光调制度，通常在3～5%之间，这里取设备厂家给定的光调制度m=4.25%；
Ps代表光纤放大器的输入功率，单位为W；
hγ代表光子能量，hγ=1.28×10-19J；
Be代表噪声带宽，取Be=5.75×106Hz；
Nf为光纤放大器的噪声系数，厂家给定Nf≤5 dB=3.16（倍）
在输入光功率为+6.5dBm时，Ps=+6.5dBm=4.5×10-3W
利用上式计算可得：C/NEDFA（+6.5）=59.4（dB）
从上式中可以看出：Nf越小、Ps越大，C/NEDFA越好。
当光链路中输入光功率为+6.5dBm的3级光纤放大器级联，整个光链路的载噪比为：
C/N光链路=-10lg[10-C/No/10+3×10-C/NEDFA（+6.5）/10]
=-10lg[10-5.4+3×10-5.94]
= -10lg[10-5.4（1+3×10-0.54）]
=-10lg[10-5.4（1+3×0.29）]
= -10lg[10-5.4（1.87）]
= -10lg（1.87×10-5.4）
=51.3（dB ）
计算表明，当各级光纤放大器的输入功率为+6～7dBm时，三级EDFA所引起的系统载噪比劣化2.7 dB。
根据唐明光教授的最新实验数据证明，当输入光纤放大器的光功率Pin减少时，C/N劣化值见表２。
表２  光纤放大器的输入光功率Pin与C/N关系表
输入光功率Pin（dBm） -6 -3 0 3 5 7
C/N  劣  化  （dB） 15.0 8.0 3.0 1.2 0.5 0.3

５、光功率
⑴分前端到乡镇站（小区）光纤的出纤功率
1310nm工程大家都熟悉了0dBm（1mW）左右的出纤功率，即输入光接收机（光站）的光功率。根据上面计算和唐教授的实验证明，要提高系统的载噪比（C/N），必须保证各级光放大器输入足够的光功率，即1550 nm的要求是3～7dBm左右。也就是说，到达分前端和乡镇站的每一路光纤的出纤功率必须在2～5mW左右。
⑵乡镇站（小区）到村（自然村、楼栋）光节点的出纤光功率应在0～2dBm左右。
⑶前端到分前端、分前端到乡镇站光纤的入纤功率
按照常规，入纤功率不能大于SBS阈值，否则将产生色散。由于光纤中的色散的存在，使模拟调制的光信号产生失真，从而限制了传输信号的带宽和传输距离；同时也将使数字基带信号的输入光脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了数字信息容量和传输距离。
从我市的实际情况看，市前端到各分前端的光路不超过50km；各分前端到各乡镇站的光路除了1个站（涵江→大洋72km）外，其余均在50km之内；各乡镇站到各村光节点的光路大部分在20km之内，少数在25km左右。所以全市网络入纤功率均小于SBS阈值，不存在色散问题。
６、光分路器
分前端对光信号的分配要考虑光分路器如何设置。根据我市的情况，平均每个乡镇有20个行政村；每个村有6个自然村左右，自然村有远近疏密之分，光节点设置1～6个都有，估计平均每个行政村设4个光节点。所以每个乡镇大约有80个左右的光节点。
因此，光分路器不能只设置一个（1×80），一则损耗太大，一般不宜超过16路（详见表３），二则损坏更换影响面大。

表３分光器总插入损耗L
分路数量 2 4 6 8 10 12 14 16 18
插入损耗（dB） 0.3 0.4 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7

所以，光分路器可以考虑分两层设计，视各乡镇具体情况，第一层分6～8路左右输出，第二层分10～12路左右输出。第一层光分路器搞个备份，那么第二层某个光分路器损坏只影响少数村庄。（见图2）。
 
多年来对光分路器设计使用，总的感觉因光分路数、光路距离不同而不同，分光比设计计算过于精确，而在实际应用过程中未必实用，特别在意外损坏后，无法及时找到备份替代。目前，由于光设备价格日趋平稳低廉，因此光分路器的分路数和分光比的规格化设计、使用和替换已成为现实。
二、1550nm三级网的优势
１、技术指标的优势
与原来的网络结构相比，1550nm三级光缆网大大改善了三大指标（C/N、C/CSO和C/CTB），让更多的指标比例留给电缆网络，从而提高了HFC网络的系统指标。理论上一次光电转换与三次光电转换后技术指标的比较如表4所示。
表4光电转换次数与技术指标的比较
对   比 一次光电转换 三次光电转换 一次比三次优化
指标劣化
（dB） C/N 3+（1～3） 9 3～5
 C/CSO 4.5 13.5 9
 C/CTB 6 18 12

2、光发送机只用一台
不论网络拓扑结构如何，全市整个网络只需要一台光发送机，不论环网或HFC网设计只需一台光发送机备份。而以往则需要数百台，有多少县区前端就有多少台光发送机，还要加备份；乡镇站就更多了，一个大站有的需要五、六台甚至八、九台才能解决。所以光电中继结构的网络需要更多的光送发机，无法提高整体网络的可靠性。
3、光接收机使用数量最少
在光电中继结构的网络中，部分光接收机还作为传输网的中继设备，对传输网络的技术指标和可靠性有一定的影响。而1550nm三级网中，光接收机数量最少，只作为光节点接收设备。
4、网络安全可靠性提高
在光网中，比较而言光接收机的可靠性最低。由于光系统中的有源设备（光发送机、光接收机）数量减少，损坏率降低，网络的安全性能和可靠性得到进一步提高。
三、电缆网络技术考虑
1、规划设计考虑
由于铜价飞涨，电缆价格急剧攀升和光缆价格平稳， -7电缆已超过光缆价格，因此电缆网络的规划设计和使用材料必须相应调整。根据电缆厂家反馈的情况，-9电缆已逐渐被光缆所代替；-7电缆基本不用；-5电缆使用铜包钢居多。这情况也与我们工程技术人员的思路和网络发展的趋势吻合：光缆替代-9电缆干线，既节约工程造价又提高技术指标。城市光缆到楼栋、农村光缆到自然村或村民小组已是大势所趋；城市用光站、农村放大器1~3级已成定局。
目前，城市网工程已经基本上不再使用放大器了，用光站解决了用户的双向传输，根据经验和做法，光站的增益要选择适当，兼顾交互电平。
农村网络工程规划设计观念要更新，经测算，-9电缆线路含放大器的工程造价已经超过光缆加光接收机的工程造价。因此，在密集的农村民居，用光站解决用户有线覆盖的工程成本并不会比传统（-9电缆→-7电缆→-5电缆）设计高。
2、放大器电平与指标
电缆网需要注意的问题是正确使用放大器。优质的放大器，在使用上还必须正确。首先必须确定放大器的级数，当只有1级放大时，输入电平可以控制在72dBμV；若有多级工作时，要根据以下计算调整输入电平，才能保证三大指标（表5）均满足设计要求。
表5                          常用放大模块技术参数表
型    号 噪声系数
（dB） 增益
（dB） C/CSO
（dB） C/CTB
（dB） 输出电平
（dBμV）
BGY588N ≤6 34.5 63.7 59.3 104
BGE788 ≤7 34 63.1 54.5 104
BGY888 ≤7 34 62.8 61.9 104

根据《常用放大模块技术参数表》的技术参数，C/N和C/CSO指标余量很大，最难满足网络要求的是C/CTB指标，所以计算电缆干线放大器的级数也是利用C/CTB指标。
我中心网络改造后，全部采用862MHz的干线放大器，放大模块为BGY888。
根据C/CTB=C/CTBi-20lgn　 CTB为分配指标 ， CTBi为单台干放指标.
则电缆干线放大器级数n＝   1.7(台)              
如果把放大器的输入电平降低6个dB，则C/N也降低6dB，而C/CSO提高了9 dB，C/CTB提高了12 dB。
则电缆干线放大器数n＝   6.8(台)             
所以在实际工作中，大家可以根据网络的具体情况，适当调整放大器的输入电平和选择模块，来满足不同网络的技术要求。
莆田市广播电视中心优化后的三级光链路的HFC网络经过几年运行，效果比较满意，主要的3大技术指标经测试略高于设计值。顺利完成了数字电视的整体转换工作。
该文原载于“中国社会科学院主管、中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》（理论）杂志”。2011年5月28 日出版，转载请注明出处。