面向多业务应用的ＣＡＴＶ／ＨＦＣ新技术

信息产业部电子第３４研究所 黎红长
　　　　数字压缩技术和高效数字调制技术在ＣＡＴＶ／ＨＦＣ网上的应用，大大拓展了有线电视网络的频道容量和多功能业务的能力，现已具备开展三四百套数字电视节目的能力。若同时采用其他先进技术，还可以在有线电视网络中传输话音业务和接入因特网业务。

　　１   基于ＣＡＴＶ／ＨＦＣ网络的双向通信技术

　　最近，ＨＦＣ网的现代化规划不仅加快了提供双向通信基础设施的建设进程，同时也提高了通路容量，增强了系统可靠性，降低了运营和维护费用。基于ＣＡＴＶ／ＨＦＣ网络的双向通信系统结构如图１所示。

　　传统的ＣＡＴＶ／ＨＦＣ都是由前端到用户进行单向电视信号传送和分配。如果要将这种单向通信网络系统改为双向通信系统，首先必须将传统的单向放大器改为双向放大器，前端在单一的ＴＶ节目源接口基础上增加ＰＳＴＮ／ＩＳＤＮ接口和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接口。另外，非常重要的一点是在用户端须添置用户接口单元。这里的用户接口单元根据不同的组织，其采用的标准也各不相同。目前，国际上主要有欧洲的ＤＶＢ／ＤＡＶＩＣ（数字电视广播／数字音频视频委员会）标准和北美的ＤＯＣＳＩＳ（电缆网上的数据接口规范）标准。用户接口单元又叫电缆调制解调器（ＣＭ）。我国目前对这两种标准的产品正在试验和研制，这里简单介绍Ｌｕｃｅｎｔ公司所建议的电缆调制解调器原理。

　　为了在ＨＦＣ网络中满足各种业务需求，预定在下行方向上使用一个高速通路（３０ Ｍｂｉｔ／ｓ或更高）和一个分离的中速通路（＜１０ Ｍｂｉｔ／ｓ）。高速通路将利用视频网络接口单元（ＮＩＵ）来承载ＭＰＥＧ－２业务，而中速通路将利用视频、数据和电话ＮＩＵ以综合的方式承载各种ＡＴＭ和ＳＴＭ业务。在上行方向上，一个中速通路（＜１０ Ｍｂｉｔ／ｓ）将利用视频、数据和电话ＮＩＵ以综合的方式承载各种ＡＴＭ和ＳＴＭ业务。这种调制解调器和ＨＦＣ网络共同遵守自适应数字接入协议（ＡＤＡＰｔ），协议在站点和前端运行。

　　２   基于ＣＡＴＶ／ＨＦＣ网络的ＤＶＢ传送和接收技术

    　　随着科学技术的迅速发展，电视技术经历了从黑白电视到彩色电视的发展过程，现在正向数字高清晰度电视（ＨＤＴＶ）过渡，现存的模拟电视在不久的将来都会被数字电视所取代。数字电视的优势尽管明显，但码率太高。一路普通的彩色模拟电视信号经数字化，如果不进行数据压缩处理，总码率为２１６ Ｍｂｉｔ／ｓ，这相当于传输１ ５００多路数字电话所需带宽总和。从通信系统的观点来看是很不经济的。因此，我们平时讲的数字电视　（ＤＶＢ）均指经过压缩编解码（遵循ＭＰＥＧ－２标准）处理后的电视。

　　２．１   ＤＶＢ－ＣＡＴＶ系统组成及功能原理

　　ＤＶＢ在ＣＡＴＶ系统中的传送系统组成如图２所示。

　　２．２   信道编码

　　信道编码的目的是附加冗余信息到比特流中，以便在接收时能从受损的信号中恢复出原信号。在ＤＶＢ－ＣＡＴＶ系统中，信道编码包括扰码（随机化）、ＲＳ编码和交织等几个部分。

　　２．２．１   扰码

　　扰码是为了避免ＤＶＢ－ＣＡＴＶ数据帧结构中的长连“１”或长连“０”的出现，以便在接收端恢复时钟信号。ＭＰＥＧ－２传输复用包经过扰码处理后，其“０”和“１”在时间上变得均匀分布。

　　２．２．２   ＲＳ编码

　　ＲＳ（Ｒｅｅｄ－Ｓｏｌｏｍｏｎ）码是一种性能优良的分组线性码，在同样编码冗余度下，ＲＳ码具有最强的纠错能力。扰码后的ＭＰＥＧ－２传送包采用缩短（ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ）ＲＳ编码（由反馈移位寄存器电路实现），每个符号是８比特。在编码的过程中，每个ＭＰＥＧ－２传送包增加了１６个校验字节，码字为（２０４，１８８），可以纠正８个字节的误码。

　　２．２．３   交织与解交织

　　ＲＳ编码虽然纠错能力很强，但由于信道中产生差错的突发性，往往使连续一片数据都出现差错，这种集中式的差错，常常超出了纠错码的能力。所以在发送端加上数据交织器，在接收端加上解交织器，使得信道中的突发差错分散开来，以便充分发挥ＲＳ编码的纠错作用。有时加上交织后，系统的纠错性能可以提高好几个数量级。交织器和解交织器均由先进先出（ＦＩＦＯ）移位寄存器和分支切换开关组成。

　　２．３   字节变换与ＱＡＭ调制

　　交织后的信号在进行ＱＡＭ调制前，还必须进行字节变换（由于６４ ＱＡＭ每个状态由６ ｂｉｔ表示，而１个字节由８ ｂｉｔ组成）和差分编码，然后映射入ＱＡＭ调制器中。ＱＡＭ是利用正交载波对两路信号（Ｉ信号和Ｑ信号）分别进行双边带抑制载波调幅形成的。 

　　２．４   机顶盒

　　机顶盒是目前ＣＡＴＶ／ＨＦＣ用户接收数字电视的必要设备（将来当数字电视机商用时，机顶盒的功能都将被包含在其中）。机顶盒包括信道解调器、前向纠错电路、ＭＰＥＧ－２传输层解复用器、ＭＰＥＧ－２视频解码器、ＭＰＥＧ－２音频解码器、ＮＴＳＣ／ＰＡＬ编码器和音频ＤＡＣ等，其结构如图３所示。

　　３   基于ＣＡＴＶ／ＨＦＣ网络的个人通信技术

　　通信技术的快速发展，使个人通信业务（ＰＣＳ）变得越来越成熟。ＰＣＳ能够提供优良的话音质量和消息业务。一般的ＰＣＳ系统硬件结构主要由基站（或者移动接入点）和骨干网络两类设备组成。

　　基站的主要功能是为移动终端服务。骨干网络一般以现存的公共交换电话网（ＰＳＴＮ）为基础。当移动终端向新区域移动时候，骨干网络负责寻找移动终端，或者为移动终端重新选路。ＰＣＳ系统虽然被提出并已实施好几年时间，但仍然遇到一些经济和技术性的问题。从经济的观点来看，用传统方法实现ＰＣＳ系统，通常需要很高的启动资金支付装备和线路。从技术性的观点看，移动性是ＰＣＳ用户最有吸引力的特点，同时也是ＰＣＳ开发商最难解决的问题。为了支持移动性，高科技的信号发送技术和复杂的硬件结构必不可少。为了使ＰＣＳ更有利可图和容易付诸实践，不同的骨干网类似ＡＴＭ和ＣＡＴＶ网络在近几年被提出。在这些网络结构中，ＣＡＴＶ网被认为是最理想的一个。原因如下：首先，ＣＡＴＶ网已经存在许多年，它比ＡＴＭ网更普遍；第二，基于ＣＡＴＶ网络的ＰＣＳ系统比基于ＰＳＴＮ的ＰＣＳ系统更经济，因为基于ＣＡＴＶ的ＰＣＳ系统的天线挂在空中电缆上，通过在配线上移动和重新安装来适应向不同地理区域提供业务。另外，ＣＡＴＶ基础设施已经存在，此时塔台的安装费用、供电、网络的维护、基站建立等已经是ＣＡＴＶ网的一部分；第三，由于ＣＡＴＶ是一种广播网络，越区切换过程更简单。

　　在ＣＡＴＶ－ＰＣＳ系统中，下行带宽为２５０ ＭＨｚ（从７５０ ＭＨｚ ～１Ｇ Ｈｚ），每个下行通道被分配０．７５ ＭＨｚ的带宽，即下行通道数最大为３３０个。如果采用６４／２５６ ＱＡＭ调制方法，每个通道可传送３．５ Ｍｂｉｔ／ｓ的业务。上行带宽为４０ ＭＨｚ（从５ ＭＨｚ ～４５ ＭＨｚ），每个上行通道被分配０．８ ＭＨｚ的带宽，采用ＱＰＳＫ或１６ ＱＡＭ调制方法传送。

　　ＣＡＴＶ－ＰＣＳ可组成两种系统结构。在第一种结构中，每个基站都装备有多个固定接收机，每个接收机对应ＣＡＴＶ网的每一个下行通道，这样几个下行信道能同时被接收。这种结构提供无缝连接和快速的越区切换过程，但其硬件成本高。在第二种结构中，每个基站为了从ＣＡＴＶ网中收到无线电信号（ＲＦ）而装备一个可调谐接收机。这种可调谐接收机能接收所有下行信道中的信号，但是，每个时隙只能在这些信道中取出一路信号给某一移动终端。由于固定接收机式ＣＡＴＶ－ＰＣＳ系统组网价格较高，不便在实际应用中推广。因此，本文只介绍调谐接收机式ＣＡＴＶ－ＰＣＳ系统，其结构如图４所示。

　　在图４中，电缆模块（ｃａｂｌｅ ｍｏｄｕｌｅ）由一个可调谐接收机、信道分配表（ＣＡＴ）和一个媒体接入控制器组成。这个接收机对应所有的下行信道，但每一时隙只对应一个信道。因而分配给每个移动终端的位移都是独一无二的。正因为如此，一个移动终端在某个时隙能接收到信息，而在其他的时隙则信号丢失。特别是当一个移动终端从一个基站进入另一个基站时，它过去对应的时隙位移在新的基站有可能被其他的移动终端占用，人们称之为位移冲突问题。这时，我们必须采取措施为这个移动终端寻找新的位移（在新的基站）。

　　（１）连接建立过程

　　当一个移动终端希望跟ＣＡＴＶ－ＰＣＳ中的一个服务器（ｓｅｒｖｅｒ）建立连接时，移动终端首先将其移动ＩＤ、服务器网络地址和ＱｏＳ要求发送给基站。基站中的无线模块首先检测下行信道中的无线信道，如果没有空闲，则无线模块回复一个拒绝信号，否则连接请求将被传送到电缆模块。当电缆模块接收到呼叫建立请求时，它先将请求信息传到ＣＡＴＶ网的头端，然后再到目的地（服务器）。直到服务器接受这个请求后，头端根据ＱｏＳ计算这个连接需要的时隙数，并在可接入的信道中储备时隙。为了防止位移冲突问题发生，头端仅仅储备那些基站ＣＡＴ中没有被分配的位移时隙。如果可得到的时隙不够，请求将被拒绝。否则，信道数和储备时隙的位移都被送到基站，基站便相应地更新ＣＡＴ，然后通知移动终端更新后的（信道，位移）值。

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