双向HFC网上行传输的技术问题及对策

——宽带传输网专题讨论

作者：龙永庆 成都康特公司

一、双向HFC网上行传输存在的几个问题

　　从90年代初，光纤传输设备和光缆生产技术的成熟和商品化，应用到有线电视传输网，取代了长距离的电

缆干线，而利用同轴电缆的优点作为支线及分配入户的传输媒质，形成了 HFC的概念，即光纤电缆混合网。

　　根据光缆的多芯结构而具有多通道传输的冗余能力和同轴电缆频分信道的特点，又提出了双向HFC传输网

的方案，展现了以双向HFC为基础结构城域宽带传输网的前景，实现真正意义上“信息高速公路”。

　　如何实现双向HFC，普遍认为，由于光缆的多芯结构(典型的空间分割信道原理），作为双向传输媒质没

有技术障碍。而以同轴电缆为传输媒质的支线和分配入户网中，存在着“汇集干扰”，“汇集均衡”等技术

困难。

　　这是一个大误会！其实这些问题同样存在于光缆传输部分，只不过人们由于对上行信号回传问题发现始

于网络末端,于是便将此问题归于光端机(光节点)经电缆网到用户入户这段路由。大家习惯地称之为“最后

一公里问题”。

　　从信号上行回传方向看，网络的众用户端是上行信号传输的始端，信号群经Ｍ根电缆和N 根光纤到中心

机房并汇集到上行数据解调器。通过建网试验发现，由于“众”用户端及电缆引入了各种干扰并汇集成了强

大的干扰源，造成上行信号的C/N 值严重低下，我们把这类干扰称之为“汇集干扰”。由于这种干扰的多样

性，汇集叠加后呈类似热噪声谱结构，也称汇流噪声。

　　由于各用户上行信号经由不同的路由，其传输增益不同，造成各用户上行信号回传汇集后呈现电平值严

重不一致。显然，如果逐户调整各条路径的传输增量，其工作量巨大，使人难以接受。这就是“众”用户上

行电平“汇集均衡”问题。

　　同时，由于每个用户的上行通道是公共使用的，由用户引入的异常强干扰可能造成信号通道堵塞，而网

络管理者由于难以查出其干扰源自何方！这就是所谓“通道安全性”问题(注意：信号安全性是另一类问题)。

　　上述等问题，均是反映在双向HFC网传输通道中的特有问题，妨碍了双向HFC网的建设和实际应用。因为

没有建设好信号传输的“路”，同时也限制相应的宽带信号交换处理设备的发展和应用(这就是载送信息的

“车”)。

　　笔者经过多年研究发现，上述问题之所以多年尚未解决，其关键问题是我们已经习惯了用传输有线电视

的固定思维模式和过去的经验(传输单向广播性信号)来试图解决双向传输问题（通信性信号传输)。如果我

们首先根据通信的基本原理和规律来思考，并充分利用上行传输的有利条件，进行系统地科学实践和理论指

导，上述问题是可以很好地得以解决，下面让我们对各个问题作详细的分析。

二、上行传输的有利条件

　　按规定，目前全世界都一致采用5~ 65MHz频段作为双向HFC网(内)的上行频段。对于任何光节或服务小

区)而言，60MHz的带宽容量可谓巨大，以64QAM方式可传送高达200Mbp/s的速率。相当于目前我国与国际互

联网出口总容量的1/5,资源丰富！

　　用同轴电缆传送最高频率仅65MHz信号，其传输损耗非常小。

　　清楚看出，上行传输远比下行传输的损耗小，所以，对于双向放大器的上行实际工作增益可以很低(约

1/3)，意味着如果用同样水平的放大器件，其动态范围增加15~20dB左右。

　　其2是由于电缆损耗小。各上行信号电缆路由虽然在工程中有长度误差，但造成的信号电平损耗差也很

小，这是上行回传设计的有利条件(即使误差几十米，造成的各用户上行电平差也可能在容许误差范围内)。

尤其在HFC条件下，电缆和放大器级数少，电缆长度误差对下行信号(频率高)传输要求严格，而对于上行信

号则肯定在容差范围之内！(请注意：这是今后上行调整“傻瓜化”的基础)。

　　其 3，由于上行频带窄，可能在极限条件下传输的群信号总合成功率比下行群信号的总合成功率小很

多(约为 1/10)，这就意味着在同样放大器件条件下，上行信号的平均单路信号电平比下行信号的单路信号

电平高10dB左右。这就是说，上行信号的工作电平可以高10 dB，意味着抗干扰能力提高10dB(放大器的热

噪声可以不予考虑)。

　　其 4，如果上行传输的信号是数字信号，其工作条件更为宽松！因为数字信号本身对非线性失真不敏

感！即使总合失真成分相对于信号为 -28dB/C时，对传输条件最苛刻的256QAM方式也能高品质传输(这种条

件下，对RF的电视信号是绝对不允许的)。而且，对于抑制载波方式的不论QPSK方式或XQAM方式的频谱结构

呈奈奎斯特曲线，产生的失真成份的分布也均匀，意味着网络中的有源设备的有效动态范围也比传输多路

电视信号时的动态范围大。

　　其5，上行信号源自于用户室内端口，按规定上行端口信号必须小于114dBμν(按IEC60728-10/CDV规

定)，考虑上行信号电平受中心CMTS的管理而留有余地，一般地可设计较高的用户上行电平Vin=105dBμν，

抗干扰能力很强。以上几点优势，均是在下行传输时不能具备的，所以在讨论上行传输的设计和调试时，

一定要注意充分发挥其优势，方可满意地达到目的。

三、解决“汇集干扰”问题

　　至今为止，业内人士只要一提到双向HFC网，都会想到如何克服“汇集干扰”(也称汇流噪声或漏斗效

应等)。因为这个问题长期未得到解决而成为一个世界性难题。

　　为了解决这个难道，出现了许多建议，诸如“光接收机高电平输出，无源分配到用户”等，其结果是

不没解决问题，甚至反而问题更严重。而“将光节点的用户减少到500~200户”和“采用层屏蔽的电缆入

户”等案却是花了钱而不见效！这是为什么? 　　首先，应该实际地研究一下何谓“汇流噪声”?通过实际

研究后，我们可以对“汇流噪声”作正确的定义：“汇流噪声”是由“众”用户室内端口引入的各种干扰

和传输电缆受环境中的各种电磁干扰侵入，并经上行传输汇集形成的干扰。

　　经测量可知，“汇流噪声”绝对不是“热噪声汇集”，其量值比热噪声大50~60dB(近百万倍)。所以，

热噪声的作用在回传问题上永远可以忽略不计！(这就是为什么“减少放大器级数、光接收机高电平输出、

无源分配到用户”的方案根本无效的原因)。

　　所以，为了避免由“噪声”二字产生的误会，笔者干脆用“汇集干扰”来表示这种多途径上行汇集形

成的干扰现象。

　　从汇集干扰的形成进一步可以发现，其产生干扰有二个途径，其一是用户室内的电视机信号输入端，

是产生强干扰的源头。其产生的上行干扰能量集中在5~35MHz频段(呈单调下降曲线)，其频谱能量强度高，

一般在70~90dBμν。其二是环境电磁干扰侵入电缆而形成，如短波电台信号等，对常用的电缆侵入产生的

干扰强度一般在10~60dBμν，即电缆呈现了“接收天线”效应。

　　上述二类干扰中，以电视机输入端口引入的干扰最为严重。解决电视机干扰的办法要么不采用5~40MHz

频段，要么对电视机产生的干扰“堵”住！，显然后者是最佳的办法。

　　这项措施的要点是首先正确规划频率资源。将单向性的广播电视信号(无论是数字电视信号还是模拟电

视信号)置于165MHz以上的频段。而将通信性(交互双向性)的综合业务规划在165MHz以下，形成了按业务性

质而容易分离的2个通道。笔者早在1998年初就提出了这个方案(详见成都康特公司《宽带综合业务传输网

频率规划建议》)，并且，在1998年3月收到的国际电联的建议中(ITU-TJ.112建议附录A)可以知道，这种对

交互式业务频段的安排称为带外方式，意思是将交互式信号下行频段安排在电视信号频段的带外(反之，占

用电视下行频段称为带内方式)。

　　当我们“堵”住了源自于用户端的馈入干扰后，又怎样抵抗环境中的电磁干扰侵入呢?先让我们分析一

下传统的树枝型分配入户的结构以及下行/上行信号在传输入户路由上的电平状态和各种干扰侵入途径。

　　环境内的电磁干扰的入侵途径是通过电缆屏蔽层和接头。当下行信号从楼栋放大器输出，经分配器/分

支器和入户电缆，到户内和用户端口，TV信号电平均为64dBμν左右(这是邻频接收条件的最佳值)，是下

行信号由高电平转为低电平的过程。而从上行信号来看，由户内线到楼栋放大器向上传送的过程，同样也

是电平下降的过程。请注意，从图中可见，如果设所有电缆的屏蔽系数为一致，显然④和③处由于上行电

平为最低(上行信号经过分支器后电平会严重下跌)，是干扰最易侵入处。如果放大器下行输出更高电平，

如110dBμν，可分配的用户更多，则上行到此放大器的上行电平值更低，其干扰侵入则更严重！这就是所

谓“高电平输出、无源分配到用户”方案彻底失败的原因。

　　在电子电路原理中，关于抗干扰的办法，不外乎二个解决途径：其一是屏蔽；其二是提高信号电平。

怎样综合利用这二种方法?显然，对于树枝型结构，不可能将全部网络屏蔽，唯一办法是采用四层屏蔽的同

轴电缆。但电缆网是项“接头工程”，数不胜数的接头工艺缺陷，是可能处处存在，防不胜防！彻底的屏

蔽没可能！如果简单用提高电平的办法也不可能。将用户电平提高到超过上行电平的极限值114dBμν(这

是关于公共防幅射安全规定，见IEC-70628-10)，也无济于事。因为树枝形网络结构将不允许所有上行电平

都采用高电平。

　　能不能换个思路，改变一下入户分配的路由结构，使之保证在所有的电缆(路由)中，上行电平保证高

于100dBμν，而将分支/分配环节与放大器都屏蔽起来，这就是下面介绍的集中分配入户方案。

　 这是一种星型入户方案，由于上行频率低，由用户到放大器和分支器的电缆路由中，都能保持高电平

值，无接头，电缆路由的整体抗干扰能力极强，而上行信号进入屏蔽机壳后有电平下降，但处于屏蔽条件，

且随即放大后上行传输，输出又是高电平！请注意：抗干扰的二种措施都巧妙地得以充分利用：高电平信

号在电缆中上行传输，在屏蔽的条件下合成并放大处理！

　　同时，由于管理(收费)需要，集中分配方案加上“路权管理”(在后面介绍)形成的用户可寻址管理设

备还需外加保护箱，又可增加其屏蔽性能(由于穿引电缆的孔径太大，屏蔽性增加有限)。

　　上述的集中放大分配方式非常巧妙和科学地(并低成本)应用了抗干扰的所有技术。如果按十余户(一个

楼单元)为一个集群处理，其对放大器的要求也很低(仅输出90dBμν，20dB增益)。表面上看，放大器的数

量增加，但由于放大器成本大大降低，实际成本比传统方案还低！尤其是在750MHz(860MHz)系统，进口模

块放大器输出100dBμν也只能负担近距离的2个单元(最多30余户)，户均成本也不低。用普通的优质-5电

缆替代国外网络宣传的四屏蔽电缆集中分配方案．接头少，不易锈蚀，不论总投资还是长远利益(寿命长)，

其经济效益巨大，维护量也大大减少！并彻底解决了双向网的干扰问题，这在当前改造和建设单向下行电

视网的同时，也兼顾了今后升级过渡到双向传输的无淘汰升级，符合可持续发展条件！

　　当前国内的大多数有线台，历经几次干线改造，但入户分配电缆网部分正面临更换期，正是机会！所

以四川省广播电视厅明确要求省内的有线网改造建设时“必须采用集中分配”就是基于这种理由。笔者认

为，这项规定应尽快成为有线电视网设计建设规范的一项内容。采用集中分配(下/上放大为一体)入户结

构实际应用于双向HFC网的最典型例子就是重庆合川市有线电视网。入户分配电缆用普通优质-5电缆，其

上行C/N值超过了40dB，而且是在数个光节点上行后又汇集(超过5000户以上的总汇集)条件下测试的结果

(当然也证明了所谓光节点用户数应少于500户的论点是没有理论依据，并被实践已经推翻)。

　　目前，由于集中分配方式的可寻址用户系统设备的有线台(网)已超过400余个，这些台(网)今后改造

成双向HFC网可以做到“无淘汰、低成本”方式顺利升级。

四、解决上行信号电平“汇集均衡”问题

　　所谓上行信号电平“汇集均衡”问题，是指千家万户的用户信号上行回传时，由于经由的路径各不

相同，各路由的上行传输增益各不相同，必然出现“众”用户信号上行到各级汇集点的电平严重不一致。

如果其电平差异过大，即使管理Cable Modem的CMTS发出电平调整指令，试图使Cable Modem受控地调整

输出电平(上行)，也难以达到各用户电平上行到中心一致的目的。这就是“汇集均衡”问题，其要害是

应保证各用户上行路由的传输增益差小于±5dB，否则，必然会出现某些用户上行信号C/N值很低，而另

一些用户上行信号产生过载失真(还会干扰其它频率的信号)。

　　凡是经历过调试上行通道的工程人员都知道，其问题的严重性。这项问题往往决定网络建设的成败！

因为在交互式业务中，每个用户都是“前端”又是“末端”，要将所有用户上行到中心的电平调试为一

致(近似一致)，几乎是不可能的，如果按过去依靠人工逐级调试，其工程量至少是百倍于下行传输调试

工作量！

　　问题产生的原因是传输路由的损耗由二种频率特性不同的器材所决定！

　　都知道，同轴电缆的传输损耗与信号频率的平方根成正比(超过450M以上，还会另增介质损耗与信

号频率成正比)，所以，同轴电缆的传输损耗与信号频率有关。

　　而分支/分配器的传输损耗，本质上是由于信号能量的分配关系，而呈现支路输出信号相对于输入

信号的降低值，虽然频率最高端产生的损耗大一点(约0.5dB)，但可近似地视为损耗与频率无关。

　　怎样解决这个问题?将-18dB分支器换成-8dB的分支器(插入损耗为-2dB)，则上行电平的问题就解决

了！也许读者会说放大器A3的输入电平太高(82dBμν)，其实放大器输入端口的电平高于正确值时，可

以用内置下行信号衰减器将之衰减，保证下行电平输出值为正常。所谓放大器的工作电平均应依据内部

放大级(或模块)的工作电平值，过去许多人误将放大器外部端口电平为设计依据，这是错误的作法。何

况任何双向放大器在内部都是将上/下行分别调试的，非常方便。

　　这难道不是给我们以启示吗?放弃过去单纯按下行传输的思维方式！按下行传输原则确定放大器间

距，按上行传输进行回传电平(增益)设计，调试按下行传输调试。按这三大原则实施时，采取的方法如

下：

　　1、采用集中放大分配方式的入户分配器材(简称集线器)。即采用图4所示的方案的器材(实际上是

可寻址产品的一部分，理由见后述)。楼房的每个单元(十几余用户)为一个最基础的汇集点安装一台集

线器。由于集线器保证了到各用户的下行入户电平一致和各用户上行后汇集电平近乎一致的要求，均由

产品的品质来保证，这样可将这个集线器在整个网络中视为一个基础点，即上行信号的起点(也是下行

信号的设计终点)，将网络设计工作量和实际调试量减少90%(假设12户为一个单元)。

　　上述这个措施的目的就“汇集均衡”问题来讲，简化了上行的设计和调试，也避免过去方式的入

户电平是由施工人员的在现场处理的不可控现象。

　　2、在网络设计时，禁止使用分支损耗大于12dB的分支器。尽量采用分配器作分路器材，以保证各

支路上行路由的总损耗之和(电缆及分路器材传输损耗之和)近似相等。由于下行增益可在放大器内调

整，这样便可总结出“按上行传输设计，下行输入电平可高不可低”的原则。

　　3、网络路由尽量设计为多级星型传输结构。这一条称为对称性设计。因为多级星型结构由中心到

用户的分配过程正是由各用户上行逐级汇集的过程，只要保证了对称性，上行/下行电平必然一致。为

了保证传输指标和网络更简化，双向放大器要选用低增益放大器，严禁使用上行无增益下行为高增益

的放大器。

　　4、正确选用双向光工作站。在双向传输条件下，要求光机能在内部N个端口的上行电平分别调整后

汇集，上行调试就可以在光节点处细调就可，非常简便(也才保证今后维护调试的可行性)。

　　近些年来，市场上出现了许多根本不具备上行传输升级的“预留上行传输功能的光接收机”，尤其

要提醒设备选购者注意。

　　成都康特公司通过实际总结出的上述原则规范，已成功地帮助建设了若干双向HFC网，作到了上行

通道几乎无调试，不仅解决了“汇集均衡”，同时解决了“汇集干扰”(上行C/N>40dB)这两项世界性难

题。

五、上行传输通道的安全性问题

　　双向HFC网的上行通道是“众”用户共用的上行频段传输上行信号。由于同时采用频分复用和时分

复用以及统计复用等诸多技术，加之网络的带宽优势，成百倍地提高了网络资源利用率。这是宽带传

输网比传统电信网的优势所在之处。

　　虽然，其优势是共用通道，但是也带了缺陷，这就是上行通道的安全性问题(这不是所谓通信信号

安全防窃问题)。其定义是：如果某用户的室内端口有意或无意馈入强烈的电磁干扰，造成上行频段的

C/N值严重下降。这是对具有“公众网”性质的网络服务质量的严重破坏。如果查找干扰源，又不知干

扰的源头在何处?

　　这个问题在国际上的讨论很少，主要是由于在没有克服“汇集干扰”和“汇集均衡”这2个问题前，

世界上还没有大型的广泛入户的商用网，所以关于“上行通道安全性”概念尚未形成而已！在实验网

中，即使存在此类问题，也往往将此现象归于“汇集干扰”而忽略。

　　试图解决这个问题,首先必须分析传统电信网与宽带网的区别。

　　现代电信网从开始发展的第一天起，从当地的信号交换机到用户入户的网络就是呈星型结构。由于

每个用户都是“专线”(即信号通道采用的是空间分割技术)，当然用户不会破坏自己的“专线”，并且，

一旦某用户通道有故障，用户自己也会设法通知网络管理者报修。

　　而有线电视网的入户结构是树枝型，其信号通道是公共使用(全部频率范围是开放的)。户内产生的

破坏性强干扰的可能性必然存在，一旦发生干扰某频段，因为找不到源头，唯一的办法只有弃用该频段。

CDMA通讯方式就是这个原理，但是CDMA比64QMA的频率资源利用低得多(仅不到1/10)！为此我们作出的

代价太高了，60MHz带宽的上源资源仅等效于6MHz带宽。所以，笔者坚持认为在固定通信领域不宜采用

CDMA技术，而是应该学习现代电信网，改变入户结构和加强对用户的“路权管理”，措施如下：

　　1、采用集中分配(星型)入户，每个单元(十余户)安装一台集线器，其每个端口内含有过流，过压

保护元件，防止恶意事故发生。

　　2、入户后的入户电缆装上频段分路器，将含有上/下交互频段的端口与电视端口分路、隔离形成家

庭局域网。为配合多个双向HFC网络的建设，康特公司已大批量生产该种频段分路器。这样，连接多台

电视的电缆馈入干扰也无妨。而连接交互式设备的DATE电缆引入干扰的可能性很小，用户不会自己损

害自己。请注意，这就体现出了下行通信频段采用带外方式的优越性。

　　3、采用“路权控制”功能的可寻址设备(见图4)，由于可以通过管理中心关断每个用户的传输通

道(不仅可解决收费难的问题)。当上行通道频段受强干扰堵塞时，对通过计算机对受干扰路由复盖下

的用户(群)逐一执行极短暂关断，以实行干扰源“侦察”手段。这一过程可由人工或自动的方式进行。

显然，只要能查到干扰的源头，以线路故障为理由暂时“关断”该用户数小时，以求解决问题，帮助

排除故障。

　　采用以上3项措施后，上行通道的安全性可基本保证。至于信号防窃安全性问题属于信号处理的范

畴，不属于本文讨论范围。

　　六、光节点与上行信号汇集问题

　　近几年，关于每个光节点复盖用户数量问题，讨论很多。许多文章根据减少干扰的目的和增加通

信容量为理由，提出了将光节点的用户数减少到500甚至200户(即增加光节点)。对于这种说法，笔者

一直没办法理解，因为这种方案的错误之处是在于使用大量的光设备和光缆作的网络却在汇集点(如中

心机房)又将所有节点汇集！实际上作了一件无用的事，而花费了数倍的资金和劳力。

　　道理很简单，如果一个光节点的上行信号经一根光纤上行后在机房对应于1套或N套数据解调器(最

多可对应于20套)则为合理，并具备200Mbp/s的通信容量，这相当于全国与国际互联网总出口容量的

1/5，这就是考虑一个光节点的最大用户数的基本依据之一。

　　至于光节点大小与汇集干扰的关系，如果不采用本文的技术方案，而汇集干扰又存在制约因素，

那么在中心机房也不能将N个光节点的信号汇集，因为一旦汇集后又变成了一个大光节点，否则不如先

汇集后用一台光发射机回传！这是考虑一个光节点的最大用户数的基本依据之二。

　　对于每个光节点，在一般条件下，有k×60MHz上行带宽(1≤k≤4），当k=1时(即仅使用5~65MHz上

行回传），采用抗干扰能力很强，而频率资源利用率并不高的QPSK方式调制，也可拥用20个信道，而

每个信道的传送数码率可达到10Mbp/s，即至少拥有200Mbp/s容量，而完成这个光节点的总频率资源开

发利用的设备所需的资金超过百万元。可见，对数百户或数千户而言，信道资源用不完,巨额资金也投

不起！尤其是在建网初期，一个几万户的城市，能有100Mbps总容量就非常满意了。所以，一般都是将

所有光节点汇集成一个点(实则就是一个大光节点)。关键还是解决“汇集干扰”，而不是划小光节点。

　　记住，光纤应用的优点是扩大复盖半径，决不是解决“汇集干扰”。根据笔者对诸如重庆合川市

和电子部十所双向HFC网的建设经验数据推论，每个光节点复盖用户数在2000~2万户都是可行的，上行

C/N可达到40dB以上，可传送任何格式的数字信号。关键是应根据光节点下的电缆网半径不超过1公里，

最好按500米半径为原则来考虑，农村网设计可按1公里半径为原则，以自然条件诸如道路、河流等为

依据。

　　有线电视网的建设规律是先建立完备的前端后逐步扩展网络半径，并同时入户。而以通信业务为

特征的交互式宽带网的建设首要条件是先建网络，再装小容量的交换设备并开通业务。开通后扩大用

户数量，根据通信的数据量再扩容。这是与搞有线电视事业而不同的特征。否则，浪费资金却办不好

网络。