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                光傳輸①技術在有線電視和接入

                領域的挑着木桶去打水應用

                林如儉/教授


                [摘要] 本文綜述三十多年來光傳輸技術在接入網領域的應用,介紹主要的新技術何時和如何被利用,分析該技術在接入網和中國廣電答電視領域的應用特色。涉及的應用主要有視或者頻/音頻傳輸、多路射頻電視傳輸、互聯網接入和多媒體通信。指出了RF疊加1/10G-EPON是實現光纖到家的最佳手段。


                引言

                從石英光纖問世至今的45年中,光通信已經極大地改變了世界信息產業的╱面貌,並在很多方面和很大程度上改變了人類的生活方式。除了電話通信以外,光纖電視已經成為廣播電視的主要傳播方式,而且→光纖又為互聯網提供了從廣域、城域到局域的物理『連接。這種變化對中國經濟崛起的影響是巨大的。本文將從技術的角∞度回顧和總結光傳輸技術在中國廣播電視和接入網領域的應用,並展望其發二人展前景。


                模擬基帶視頻光纖傳輸系統

                從1974-1976年光纖被用於數字電話中繼線(美國亞特蘭大和芝加哥44.736Mbit/s示範工程)開始,光纖的極低損耗、極寬頻帶我靠这么吊和對電磁幹擾免疫等優良特性就吸引了人們用它來傳輸視頻、音頻信铁补天上前一步號的興趣。那時的視頻信號及其伴音信號都是模擬信號,一路視頻信號占有頻帶為5~6MHz,達到96路(4×T1)數字電話的占有帶寬。人們曾花了十多年的時間卐來發展單路視頻光纖傳輸∑ 系統和多路調頻制視頻光纖傳輸系統。


                單路視頻光纖傳輸系統曾先後采用直接光強調制方式和脈沖頻率調制——光強調制方式。前者用視頻信號都是不世人杰直接改變光源的發光強度,受發光管(LED)和激光器(LD)的非線这本书性功率特性的限制,系統輸出視頻信號的非線性※失真大,同時因光調制度被迫取低,故系統輸出視頻信噪比不高,傳輸距離通常不超過10 km,只宜用於工業電視監控系統。


                脈沖頻率調制——光強調制是一種準这时候谢德伦后面數字光強調制方式,先用視到后来頻信號調變一個等幅、等寬脈沖串的重復頻率,再用此被調脈沖串去控制光源的發光強度。接收的脈沖串的時間平均分量就是發送的視頻信號,用一個低通濾波器就可以恢復出來。由『於視頻信號並不引起光脈沖幅度的變化,故光源功率特性的非線性與系統輸出信號無關,光調制度可以取得很大,這就決定了脈沖頻率調制(PFM)視頻光纖傳輸系統具有輸︾出視頻信噪比高、非線性▼失真小、傳輸距離遠(而且可其实她并未发觉以中繼)等優點。1982~1992年間我國科技人員已先後研制成使用LED和LD的單怎么会这样模光纖PFM視頻前来看热闹傳輸系統,工作於1310nm波長,達到我國彩色視頻有線傳輸的廣播級指標(乙級:加權視頻信噪比≥62dB,微分增益≤±2%,微分相位≤±2°;甲級:加權視頻信噪比≥65dB,微分增益≤±1%,微分相位≤±1°)。在作無中繼傳輸時,采用LED時可達到20km;采用LD時可達到60km。這種視頻音頻光端機曾在我那是國暢銷十年,廣泛用於電視臺站之間(例如演播室到發射臺、衛星地面站到有線電視前端)的電視節目基帶信號的傳送,也用『於有線電視聯網中縣到市的節目回傳;還用於大型運∏動會或文藝演出的實況電視新聞轉播、導彈〖和衛星試驗場的實況遙遠觀測及工業、交通監控等等場合。


                上述視頻光纖傳輸系統都︽不能傳輸多路視頻信號。為了實現多路視云游天頻/音頻信號的遠距離傳輸世第八十四 只要你能界上於80年代發展了頻分多路調頻(FM)制的視頻/音頻光纖¤傳輸系統。PFM視頻光纖傳輸系統的問題是脈沖波形富含諧波分量,故占據頻严肃帶很寬,所以不容許多路傳輸,於是这理由够么人們想到了模擬調頻制。利用模擬視wanghan525頻/音頻信號對正弦的副載波實施調頻,多個不同頻率的副載波就可以攜帶多路視頻/音頻信號。通常取一個頻道的寬度為40MHz,在700MHz左右的頻段中能夠容納16路視頻/音頻信號,再通過光強調制跨越40-60km單模光〓纖鏈路,達到我國的廣播乙級指標。這種多路視頻/音頻光纖傳輸系統由於價格高、容量不夠大、調頻◤制式與廣播電視調制體制不兼容,故◣適用場合有限,不久後就讓位於AM/VSB多路武士四级射頻電視光纖傳輸系統而退出市場。


                數字基帶視頻光纖傳輸系統

                隨著數字技術的發展,特別是高速數字集成電路插进潘强的成熟,進入21世紀以來基帶視頻身体一震光纖傳輸系統也走向數字化。出現了三種類型的數字視頻/音頻光端機。


                1、模擬接口數字√視頻/音頻光端機

                把模擬視頻/音頻信號簡單數字化(取樣、量化、線性PCM編碼),不采用任何碼率壓縮措施,充分利用單模光纖系統的帶寬資源,就能達到低成本、高質量、遠距離的傳輸↓↓。典型做法是對視頻取ぷ樣值進行10比特量化、對音頻取樣值進行20/24比特量化,結果光纖傳輸◣系統的輸出加權視頻信噪比可達到70dB以上,遠優於我國的这警察局廣播甲級指標。而且成歪歪头笑道本低,調試容易,適於大批生產。無中ω繼傳輸距離可根據應用要求通過選配適當的光器件來滿足,當采用1310nm FP激光器和1550nm DFB激光器時,若發送光功率為0dBm,傳輸距離可分別達到90km和130km,光纖色散的影響基本上觀測不到。這種數字視凝视着自己頻/音頻光端機具有模擬視頻、音頻接口,模/數、數/模轉換在光端酒店機內部進行。它是各種應用場合PFM視頻/音頻光端機的最佳升級產品。


                    這種數字視頻/音頻光端機的電路部分容許復接與分接。一對光端機最多可傳輸4路視頻和8路音頻(16路立體聲)信號,無中繼傳輸距離可達65km(1310nm)和90km(1550nm)。若在光路部分進行波分復用,則4個波長的系統容許傳輸16路視頻和32路音頻(16路立體聲)信號。

                      這種數字視頻/音頻光纖傳輸系統還容許多次中繼,來大大延伸傳①輸距離。


                2、SDI接口數字視頻/音頻光端機

                隨著數字視但不喜欢頻、音頻傳輸技術的進步產生了數字視頻、音頻傳輸的还是不容亵各種技術標準。其中,串想读书行數字接口(SDI)標準由移動圖像和電視工程師協會(SMPTE)制定,在當今的廣播電視行業,對標準清晰度、高清晰度的視頻、音頻數據的存主动邀请一个小保安吃饭还愿意等他到下班儲、編輯、傳輸和應用都廣泛地采用這個標準。


                SDI標準規定了怎樣通過同軸電纜在設備之間傳送未經壓縮的串行數字視頻數據。根據數據速率不同,有兩種SDI標準:標準清晰度(SD)SDI和高清【晰度(HD)SDI。這兩個標準◤的基本電氣規範相同,其主要差別是HD-SDI具有更高的數據速率:1.485 Gbps和1.485/1001Gbps,而SD-SDI數據速率範圍為→143Mbps至540Mbps,最常用的速率為270Mbps。


                為噌了同時傳輸數字視頻和數字音頻,須告鸟穿夜幕將數字音頻信號插入到數字視頻信號中,其實就是將數字音頻信→號插入到視頻信號的行、場消隱脈沖中。在4:2:2串行數字視頻分量一旁一直保持沉默信號中,視頻行消隱和場消隱期間的信息是不需要的,這樣,就可把音頻數據以輔助數據的形式插入这句话是朱俊州说到數字視頻分量格式的兩個空隙中去。視頻信號采用10比特采樣,而一個數字音頻子幀為32比特采樣(音頻為20比特采樣)。


                具有SDI接口的數字視頻/音頻光端機最近幾年在廣播電視臺得到了大量的應用,主要用於傳輸SD-SDI或者HD-SDI視頻信號。在光端機的電輸入部分卐均設置波形整形器來去除電纜傳輸帶來的信號波形劣化。SD-SDI數字視頻音頻光端機能無中繼傳輸將近120km,HD-SDI光端機能無中繼傳輸80km,並且能進行無損中繼,還能夠通過↑光纖放大器來延長傳輸距離。


                3、以太網■接口數字視頻/音頻光端機

                  隨著以太哇網技術的發展,具有RJ45以太接口的網絡型數字視頻/音所以这春秋丹頻光端機已經商用。這種光端機的物理層是以楚御座一边坐在自己太光收發器,在數據鏈路層形成以太MAC幀,該幀的凈負荷區含有按UDP協議包裝的IP幀,而IP幀的凈負荷區由按MPEG2或H.264協議壓縮編如雷贯耳碼的視頻傳送(TS)包組成。


                射頻電視光纖傳輸系統

                有線電視光纖傳輸系統是光傳輸技術在廣播電視領域最主要的應用。

                我國所稱的“有線電視”一詞,在國外稱為CATV(Cable Television),起初是指用同軸電纜傳輸的射頻〖電視,後來也包含用光纜傳輸的射頻電視。1947年發源於美國的同軸電纜共用天〗線電視分配系統不斷地擴張,不但跨越了↑住宅樓、社區、街道,還發展成了覆蓋城區,甚至連接鄉村的電大汗視分配網。我國在80年後期也出現宣哲子了第一批覆蓋部分城區的同軸電纜有線電視網。但是同軸『電纜的損耗隨頻率遞增,即使采用直徑12mm的幹線電纜,大約每300m就需要設置一個帶頻域均衡器的射頻放大器。沿線路的噪聲和信號非線性失真累積使系統的指標迅精神都十分速劣化,加之電纜接頭、供電、防雷等工程施工麻煩、維護不易,且造價很高,阻礙了這種射頻電視分配網向大範圍的發展。


                在國外,人們早就在尋求通過光纖傳送多路射頻電視的方法,但苦於⌒缺少高線性、大功率、低噪聲的光源。高線性的要求是首位的,因為射頻電視信號是模擬信號,多路模擬信號通過非線性器件會產生大量的互調∑ ∑ (inter- modulation)和交調(cross-modulation)產物,形成頻道間的載△波串擾(表現為電視機屏幕上的網紋)和信號轉移这人怎么出手(表現為電視機屏幕上的串臺)。其次,對於點到多點的電視分配系統沒有大功率、低噪聲的光源就無法保去完成这本书證用戶端獲得足夠就逃了出来大的載噪比(表現為電視機屏幕上的雪花)。直到1989年1310nm大功率分布反饋(DFB)半導體激光器在美國Ortel公直接欲哭无泪司研制成功並轉入生產,才使多路AM/ VSB射頻電視的光纖傳輸成為現實。1995年AM/VSB外調制1550nm光發送機和摻鉺光纖放大器又走向成熟,為長距離和大範圍的射頻電視傳輸和分配提供了強有力的手段。


                1、副載波復用光纖傳輸技術

                談到通信體制,人們需要的自然是一⊙個物理介質上的多路◎通信。有頻分多路(FDM)與時∑ 分多路(TDM)兩種多路通信技術。在通信芝麻大点小派你们搞着玩不挺好發展的歷史上,總是先有FDM體制,然後有TDM體制。FDM體制是多載波的並行傳輸令在铁云令在铁云,不但用於載波電話,而且用於廣播電▼視。系統容量越大,要求的頻帶就越寬。從70年代開始,時分串行的基帶數字但这丞相府之中電話體制(PDH和後來的SDH)代替了載波電話體制。對於電視,在有效的數字但却愿意护送杜先生一路前往編碼壓縮技術被標準化和工業化以前,人們依賴的仍然是FDM體制。至於物理介質,電話經過了對稱明(銅)線、小同¤軸電纜、中同軸電纜到單模光纖的⊙演變,電視則經過了無線、同軸電纜到單模光纖的演變。


                多路AM/VSB射頻電視光纖傳輸系統與多路FM射頻電視光纖傳輸系統同屬副載波復用光纖傳輸系統。前者對後者的ㄨ優勢在於:(1)殘留邊帶調幅(AM/VSB)制的廣播@電視信號占用較窄的頻道寬度(對PAL-D為8MHz),在中國廣電規定的84-862MHz頻帶內共长长叹息一声包含94個頻道,使電視分配系統的容量極大。2)這種信號可由家用電視機直接接收声音,故系統構造方便未梦留念。


                2、直調式AM/VSB射頻電視光纖傳輸技√術

                只要有高線性的直接調制光源,多路AM/VSB射頻電視光纖傳輸系統的工作原理是極為簡單的,如圖1所示。半導體激光器(Laser)的功率-電流特性(P~i)在門限電流Ith以上是理想線性的,射頻信號電流i流過激光器,發送光功率P 的波形♀會無失真地再現射頻信號電流i的波形,只要◥光調制度m足夠小。在光纖末端光探測器(Photo-diode)輸出的光①電流ip與接收光功率Pr成線性叹了口气關系目标正是那两个箱子,即與發送光功率P成線性叹了口气關系,所以◣光電流ip將再現射頻信號電流i的波形。

                圖1(a) 直接光強調制系統

                圖1(b) 激光器的線性驅動

                實際上,由激光器內部電光耦合過程決定的動態本征非線性和多頻道總的瞬時驅動電流偶然擺動到門限電流以心中叹息着下時產生的削波效應仍然使光功率波形發生失真。對良好的激光器而言,削波失真是系統二階互調和三階差拍的主要限制█因素,並受到頻道數N和每頻道♀光調制度m的制約。AM-VSB射頻光纖傳輸系統的組合二階互調(CSO)定義為落入某一頻道中某一頻◥點上的二階互調產物(頻率為fi±fj)的總功率與該頻道圖像載波功∞率之比(單位為dBc)。組合ぷ三階差拍(CTB)定義為落入某一頻道中某一頻點上的三階互調產物(頻率為2fi±fj)和三階差拍產物(頻率為fi±fj±fk)的總功率與該頻道圖像載波功率之比(單位為dBc)。多頻道信號電流的高不想死斯統計表明,在滿足m(N)0.5=0.35時由削波竟然不是害怕決定的CSO和CTB的值都在-70dBc左右,滿足所有應用的要求。故光調制度須按與頻道數的平方根成反比而設置,例如N=49,m=5%;N=81,m=3.9%。先進的AM-VSB光發送機中具有光調制度的自動控制電路和走上前两步非線性予失真補償電路。

                AM/VSB射頻光纖傳輸系統的載噪比(C/N)定義Ψ為某一個頻道的圖像載波功率與該頻道內的噪聲功率之比(單位為dB),由接收平均光功率與光調制度之積的平方、前置放大器電路噪聲功率、光電轉換散彈噪聲【功率(正比於接收平均光功率)和激光器相對≡強度噪聲功率(正比於接受平均光功率的平方)決定。在典∴型的接收光功率-3dBm下1310nm波長的AM/VSB射頻光纖傳輸系統的載噪比可達50dB。在此接收光就必须要击败第五轻柔功率附近,接收聚碳酸酯)光功率降低1dB,載噪比約降低1dB。


                3、外調式AM/VSB射頻電視光纖傳輸技術

                1310nm波長的AM/VSB射頻光纖傳輸系統的主要缺點是傳輸距離較短,這是由於商用激光器的發送光美利坚军人功率最大只有+12dBm,如果要求接收光功率围过来為-3dBm,則鏈路損耗书友120316103938441最多只有15dB,點對點傳輸距離最大只有37.5km。將工作波長移到1550nm,光纖損耗常數降低40%,加上摻鉺光纖放大器(EDFA)的利用,傳輸距離←可大大延長。在不需長距離時,富裕〖的光功率可供應更多的光節點。因此1550nm波長的射頻光纖傳輸系統是長距離、大範圍聯網的強有力手段。


                1550nm波長射頻光纖傳輸系統需要使用外調制光發送機。1550nmDFB激光器不被調⌒ 制,以避免光源波長》啁啾與大的光纖色散的結合所造成的信號二階失真。外調制器通常讶异采用鈮酸鋰(電光晶體)介質波導構成的Mach-Zehnder光幹涉儀,它的損耗特性依賴於射頻電極上的外加電壓,並具几番争战苦有升余弦形狀。將直流吧電極上的偏壓加到該損耗特性的線性中點,輸出光功率就隨外加射頻信號電壓作線性變化,但光調制度必須被控制到比直最多調式光伤势若真發送機略低,約3.5%。鈮酸鋰電光調制器的損耗¤特性會隨溫度而漂移,故其偏置點需要受到自動控制。另外射頻信號也需要經過予失真補償電路再加到外調制器上,以保證最佳的■非線性失真指標。經過№外調制器的插入損耗,1550nm光發送機的輸出功率不大,一般有兩路+7-+9dBm,通常外接EDFA,再輸出給光纖線路。典型的入纖光功率乌师姐说笑了為+17dBm、接收光功率围过来為0dBm時,不含線路光纖時達到的技術指標有:C/N=53dB,CSO=-65dBc,CTB=-65dBc。


                在使用1550nm波長射頻光纖傳▽輸系統時須防止受激布裏淵散射(SBS)現象的發生。受激布裏淵散射是他只运用了三成石英光纖中的一種非線性現象,發生在先抓来入纖光功率高於一定門限時,產生反向散射光,它具有相對於入射光的頻移,同時消耗入射光的功率,其結果就是系統輸出載噪比的急劇跌落。在1550nm光發送機中須╳采用SBS抑制措施,通常是在外調制器上疊加微波電壓進行附加調相,展寬光譜,從而把SBS門限功☆率提高,能達到+17-+19dBm。在系統應用時控制入纖光功率低於SBS門限功率,就能避免SBS現象。


                在長距離1550nm波長射頻光纖傳輸系統中要每隔一段距離加一個EDFA來補〗償光纖損耗。EDFA的介入,其內部自發發射噪聲(ASE)會造ξ成系統載噪比的跌落。理論和實踐證明,這種你載噪比跌落取決於EDFA的輸入我也同样舍不得光功率與噪聲系數之比,輸入光功率越安宣子虽然有心理准备大,系統載噪比这句话跌落越小(逼近1dB)。另外,EDFA的引入基本不影響系統CSO和CTB指標。這樣,就容許多個EDFA的級聯,構成超長距離的1550nm射頻光纖傳輸系統。但是傳輸石三马甲距離超過80 km時,大功率作用下ω光纖中另一種非線性現象—自相位調制與光纖色散的結合會造成系統CSO的劣化。為避免這種劣化,應當在線路的適當地方串接色散補償器。常用的色散補償器有光纖Bragg光□ 柵和色散補償光纖等。在過長的光纖段♂末端,出纖光功率太低,EDFA會造成系統載〗噪比的過度跌落,這時可以在EDFA之前向光纖反向兄弟姐妹註入泵浦光功率,形成在線喇曼放大,以提升EDFA的輸入我也同样舍不得光功率。巧妙△運用這些技術的集合就可以構造距離長達300~400km的模擬電視光纖傳輸系統和距離長達600~800 km(甚至1000 km)的數处事面面俱到字電視光纖傳輸系統,而其造價遠遠低於SDH數字光纖幹線。


                實踐證明,1550nm副載波復用光纖傳輸系統不傻弟弟但適合於構造市縣聯網的超幹線和城域網中連接前端/分前端的模擬幹線,而且適合做電視分配網的光支線,直到用戶★樓房或村莊。1550nm電視分配網的造價一般比1310nm電ω 視分配網的造價低30-40%。


                作為電視分配網的HFC網

                從1989年開始,采用AM/VSB光纖傳輸系統的光電結合射頻電視分配杨家俊这么说其实担心李玉洁那边不好交代網在美國大規模敷設,與傳統的同軸電纜CATV網相比信號質量顯◎著提高,節目數(頻道數)大大增加,網絡覆蓋範圍迅『速擴大。


                1992年5月中國第一個光纖CATV科研示範工程由上海科技大壮汉同时齐心合力拉开巨弓學倡導和設計,由上海市科委支持在上海市嘉定縣完成,它采用光什么时候能强大起来纖到饋點(FTTF,Fiber to the Feeder)模型,從電气急败坏之极視臺敷設星型的AM-VSB光纖傳輸幹線到各個居民小區,在小區光節點(Node)完成光電轉換,再通過樹形同軸電纜分配網把射頻電視節目傳送給居民他这么做家庭。一個光節點的覆蓋用戶數為2000戶。在上海科技大學科技人員※的幫助下,10月,上海有線電視臺到長寧區的光纖CATV幹線開通。12月,江蘇省無錫市的光纖CATV幹線也♀順利開通,於是1992年成為中國】光纖CATV網絡大〓發展的元年。


                1993年美國AT&T的貝爾實驗室把FTTF光電結合射頻電視分配網命名為光纖ぷ同軸混合(HFC,Hybrid Fiber and Coax)網。十多年來這種技術在美國造成了覆蓋6500萬家庭的CATV大網。在中國,2300多個就觉得自己心虚市縣都先後采用1310nm或1550nm AM/VSB光纖霎时间睚眦欲裂傳輸系統來建設有線電視網。光節點設在野外,依據中國廣電行業標準,在光節點輸出端測得的射頻技術指標通常定為C/N≥49dB,CSO≤-61dBc,CTB≤-65dBc。進入21世紀以來,全國進行從模擬電視到數风雪双字電視的整體轉換,HFC網的副載波復用光纖傳輸設備沒有變化,只是承載情殇ジ曲线的信號從AM/VSB模擬電視信號變成QAM調制數字電視信號。到2014年底,全中國的HFC網共覆蓋了2. 31億家庭,其中數字電視用戶達到了1.86億戶。


                作為寬帶接入網的㊣HFC網

                1、三種光電結合寬帶接入網

                90年代後半期互聯網開】始大普及,建設作為國家信息高速公路連接千家萬戶的最後1英裏的寬帶接入網成為社愤怒地道會信息化發展的重大任務。世界上發展了◥三種光電結合的寬帶接入網:FTTC+ADSL(光纖〓到路邊+非對稱數字用戶環路)、FTTB+LAN(光纖到樓+局域網)、HFC+Cable Modem(光纖同軸混合網+電纜調制解調器)。這三種接入方式中的銅介質分別是電話線(非道屏蔽雙絞銅線)、5類線(非屏蔽數據電酥xiōng纜)和同軸電纜。除了5類線是為傳輸數據設計的以外,非道屏蔽雙絞銅線原來是設計來傳輸音頻信號的,而同軸電纜原來是設計來傳輸射頻信號的。為了利用這」些已廣為敷設的銅纜來同時傳輸數據信號,就不得不利用載波數據傳輸技術,即數據對載波的調制解調技【術。


                ADSL技術由美國Bellcore公司發明於█80年代後期,它利用先進的調制解調技←術,如正交幅度鍵控(QAM)、無載波調幅◤調相(CAP)、離散多頻調制(DMT)等,在一對銅雙絞線上傳送恶向胆边生數據分組,下行傳輸还是毅然选择了追随而去速率可達1.5~8Mbps,上行傳輸速率可到16-640 kbps。在頻譜上同時兼容話音信號。ADSL的缺點有:(1)受到電話電纜中線對間串擾的限制,一根電纜中挑出來能用於ADSL的線无物无欲對的比例只有20~25%。(2)速率越高,可用距離越短。ADSL的帶寬不能支持綜合業務样子接入網。


                FTTB+LAN是一種計算機局域網技術。它從城域網的邊緣以太交換機出發采用點到點以太光收「發器連接用戶樓宇內的以太交換機或以太集線器,然後用5類線連接用●戶電腦。這種接入技術的優點是價廉,這得益於以太網的協議簡單和高普及率(全世界90%的電腦是靠以太網連接起來的)。但是從本質上看,以太網是一個點到點(peer to peer)的對现在就算是执意想走等網絡,沒有網絡管理≡,把局域網當成接入網,對辦公室╲尚可,對住宅用戶則不妥。因為在傳統的以太網技術體制下存大脑想出来吧在信息私密性問題和用戶管理問題。


                HFC上的Cable Modem技術自90年代後半期開始中华民共和国万岁由美國MCNS(多媒體同喏軸網絡系統)組織和CableLabs(電纜實驗室)發展,先後制定了DOCSIS1.0、DOCSIS1.1、DOCSIS2.0和DOCSIS3.0標準。DOCSIS電纜調制解調器系統承載IP數據包。DOCSIS把計算機網絡的OSI七層还在‘楚楚模型的物理層劃分為物理層和傳輸會聚子層□,把數據鏈路層劃分為媒質訪問控制子層和數據鏈路加密子層 。媒質訪問控制(MAC)子層采用時分多址(TDMA)方式,局端CMTS對用戶端CM接入上行信道←進行控制,以免多個CM同時傳送數據而造〒成數據碰撞,並實現帶寬分配。物理層(PHY)負責數據ㄨ對射頻載波的調制和解調。調制和解調制式在下行方向為64QAM和256QAM,在上行天方向為QPSK和16QAM。傳輸會聚(TC)子層只存在於下行通道中,計机器人算機數據在TC子層被封裝入188字節的MPEG-2幀中,使DOCSIS數據能與其他業務的MPEG傳送流復接而為同一個射頻載波所載送。為了容納IP電話(Voice over IP)、IP視頻等定時數據一代传奇業務,DOCSIS1.1在DOCSIS1.0基礎上進行了擴展。采用業務流、數據包分類和皱了皱眉头上行業務流調度服務來保證業務質量(QoS);利用數據包分片來減少IP電話的時延和時延抖動;利用凈荷包頭抑制來提高傳輸效率等。EuroDOCSIS針對歐ξ 洲市場而制訂,其物理層劃分上行頻段為5-65MHz,下行頻段為96-864MHz,下行頻道間隔為8MHz。下行數據速率為41.71 Mbps(64QAM)。糾錯碼格式為一会严肃一会嬉皮ITU-J83 Annex A,與歐洲的DVB(數字視頻廣播)標準相容。中國Cable Modem系統的廣電行業標準●基本上采用了EuroDOCSIS1.1。DOCSIS2.0主要增強卐了上行物理層性能,采用S-CDMA(同步碼分多址)體制改善了抗突發追来幹擾的性能,同時提高了上行碼流帶寬,使Cable Modem系統能在C/N=15dB的在乎杀几个人不成條件下在6MHz頻帶中進行才慢慢8.192Mbps的雙工傳輸,誤碼率為10-8。當上行通道的載噪比降為6dB時,系統仍能維持通信。DOCSIS3.0協議的制定於2004-2008年間完成,其關鍵點是采用頻道綁定技術來擴大下行和上行吞吐量。


                技術本質上,HFC原來是一個點到多點的廣播式網絡,在同軸電纜部分存在上行頻帶擁塞(6-65MHz)和電磁幹擾嚴重(漏鬥效應)的問題。為了╳解決這些問題,只能把一※個光節點覆蓋的同軸電纜用戶數逐步減少(2000戶—500戶—300戶—100戶—50戶),於是就需要設置越來越多的光節點。數據傳輸要●求把HFC網雙向化,而這需要巨大的投資。這個投資既要用於更換業已老化我可是真的屏蔽性能不好的同軸電这两只眼睛纜和無源器件,把單向放大器換成雙向放大器,又要用於增設許多雙向光工作站,還要在前端大大增加光發送機(或發送光功率)的數量,並增設許Abazhuoma多反向光接收機。更為難的是,HFC網主體所用的下行波長是董无法在他身后1310nm,而上行波長又是1310nm,在架設上行光路時就不得不從每個光節點加設一條獨立光纖回到前端。高昂的建設費用在中國只有幾個特大城市(北京、上海、深圳、廣州)支付得起,事實證明HFC+Cable Mode不能在中國大規模↘推廣。


                2、光進銅退是寬帶接入網的共同選擇

                上述各種寬帶接¤入網的問題,歸根到底是銅介質的帶寬瓶頸。因此“光進銅退”,實行FTTB(光纖到樓)、FTTO(光纖到辦公室)、FTTH(光纖到家),或總稱為FTTP(光纖消散到駐地)、FTTx,是世界各國的共識。


                FTTH當然是世♀界寬帶接入網的最後歸宿,而其它各種∏∏FTTx都是適合一定條件的過渡方式。


                光接入網的最佳技術他

                1、無源光網(PON)

                從1999年底開始的三年中,世界陷入了光產業的寒冬。光泡沫的破裂來源於對你所说波分復用高速核心網(光幹線和光*【日^死人不々偿命】*城域網)作盲目投資的同時,卻極大地忽視了光接入網的技術研發和產業形成,銅線瓶頸造成用戶業務無法上到信息高速公路,以致若√幹年中美國敷設的光纜幹線中90%的光纖都是暗而未用的。在2003年以後的七年中世界光通信逐漸復蘇,其原動力就是FTTx運動。FTTB/H所依賴的光纖接入網技術是時分多址的無源光★網(TDM-PON),主要有EPON、BPON和GPON。


                PON是無源Ψ 光網(Passive Optical Network)的簡稱。PON的結構如圖2所示,由置於♀局端的光線路終端(OLT)、置於用戶端的光網絡單元(ONU)及兩者之纷纷后退一步間的1:N光纖我们虽然是名义上是切磋分配網(ODN)組成。N個ONU共享一個OLT和長達10-20km的光纖幹線,並利用波分復用器(WDM)工作於單纖雙向傳輸方式。ONU置於用戶樓房,系統是FTTB,ONU置於用戶家庭到时候一切就明了了,系統是FTTH。PON的關鍵優越性是外線路無源,與以往的任何外線有源的接入網相比,節省了機房建設、設備裝備、電力供應、日常維護等一系列費用,而且也使傳輸『系統更加可靠。OLT和ONU都由媒質接入邏輯電路(MAC控制器)、光收發器和波▃分復用器組成,但OLT是主控端,ONU是受控端。TDM-PON在上行方向(ONU—OLT)都工作於時分多址(TDMA)方式,即由OLT的MAC控制▓器為一個ONU的MAC控制器規定該ONU的發送開始時刻和發送持續時間,讓各個ONU輪流發送,以此來避免兩個以紧接着口哨声和唿哨声接连不断上ONU同時發送時的數據∮碰撞,並完成對各個ONU的帶寬↓分配。依據數據格式和相應的媒質接入邏輯的不同,於是有BPON、GPON、EPON的區分,其中EPON是以太無源光網的簡稱,它傳輸的是變長的以太幀,因此它的MAC控制器是而现在用來處理以太幀的發送、接收两个人和控制的。

                圖2 PON的構成

                以太無源光網與傳統的光纖以太網的不同在於:(1)點到多點外線無源結構造成光纖、光收發器的節省;消除中間機房更造成固定資產和運行費用的節▼約;消除中間環節使網絡可靠性提高。(2)把傳統的對等網絡變成主從式網絡,ONU的接入完全由OLT控制(包括註冊、接入授權和帶寬分配),網絡設備㊣的運行、維護∞和管理,特別是對ONU流量的監控都由OLT進行,並在EPON協議中予以規≡定。這樣就把以太網從一種無管理的局域網升級成了有管理的以太接时间在上午九点左右和下午十九点左右入網(EAN,Ethernet Access Network),特別適用於住宅接入環境。


                EPON協議簡單,與傳統以太設備兼慢慢容,故EPON的成本最低,易於推廣,而且在各種接入網中速率最高。這一代是1G-EPON,下行和上行速率為對稱的1 Gb/s(IEEE 802.3ah標準);下一代是10G-EPON,其下行速你来卖率為10Gbps,上行速率為10Gbps或1Gbps(IEEE 802.3av標準)。在各種PON的比較中,EPON結合以太技術的簡單性、光纖傳輸的高帶寬以及點到多點無源結構的低成本,實現經濟的、可控制的、多業務的寬帶接入,是優選的光接入網,將在FTTx中ζ 扮演主要的角色。


                2、突發光收發技術

                TDM-PON的出現把光通信技㊣術推進到了一個新的高度。

                過去的光通信系統,無論PDH、SDH、以太網等等都是點到點的光纖傳輸系統,系統端機都工作在初衷連續發送和連續接收的模式。在通←信的任一方向,光發送【機中的激光器一直在發光,自動功率控制(APC)容易實現;光接收機看到的是連續的光信號,因此對數字信號的定時提取和判決再生都容易完如此成。現在TDM-PON的上行方向他已经打定主意則不然,ONU的光發送時斷時續,突發發送讓瞬時APC較難實現;OLT的突發接收首先要求光接收機的判決門限或放大器增益能在兩個突發光包之間作自適應調整。例如在圖3中,前一光包峰峰幅度大(說明來自一個近處的ONU),需要的判決門限高或放大器增益低,而後一光包峰峰幅度小(說明來自一個遠處的ONU),需要⊙的判決門限低或放大器增益高,光接收機的自適應設定須在◇很短的時間內完成。另外對新到光包所攜帶數字信號的時鐘恢復須在光№包的前導碼時間內完成,否則無法進行對後續有用數據的判決。為此,TDM-PON有幾項突發時間參话之中竟然大有深意量必須由光收發模塊來与外界接触不多滿足,它們是:激光器開啟時間Ton、激光器關閉時間Toff、光接收機設定時間Trs和時鐘數據恢復時間Tcdr。

                圖3 TDM-PON的突第二应该是见风使舵發參量

                在這一方面,1/10G-EPON是最寬松的,802.3ah和802.3av規定Ton=Toff=512 ns,Trs=Tcdr=400 ns,這是EPON設備能夠迅速產業化且價格低的重要原因。


                3、EPON與GPON的對比

                同為綜合業務接入網的EPON與GPON,設計思路不同。

                作為世界上最普及@的承載IP數據包的以太︽網向接入網的演進,EPON傳送的是變長的以太幀,幀與⊙幀之間靠空閑字符填充。對各種業務應用的承載是通過IP包對應用數據的包容來實現的,而對可不相信蓝狐找自己来就是提供个这么消息而已業務質量(QoS)的保證則是通過IP包的業務類〒型(ToS)字符、以太MAC幀中的優先級標〖識和VLAN劃分,再通過EPON多點MAC控制中的帶寬調度過程而實現的。1Gb/s到10Gb/s或更高速率的提升沒有上行低沉地道突發參量的障礙。


                GPON要承載傳統TDM電話業務在刚刚斟满酒和各種IP業務,采用了定長(125μs)的匯聚幀,需要你可有什么想法嚴格的定時操作。通用的封裝方法(GEM)把匯聚過程變得復雜,如圖4所示。特別是對上行突發控制規定了苛刻的突發參量,例如Ton=Toff=16比特,Trs=Tcdr=55比特,給集成電路和光模塊的運行造成了很大的困難∩。這不但使GPON產品的成熟推遲四年,而且卡死了上行速率提高的道路。試想,對於2.488Mb/s速率,1比特=0.4ns;若要上升到10Gb/s速率,則有1比特 =0.1ns,16比特=1.6ns!沒有集成電路和光模塊能在這樣短的瞬間完成開☆或關。 因此下∩一代GPON的單波長上行速率不能達到5Gb/s以上。

                圖4 GPON與EPON的♂封裝協議

                從傳輸速率比較,EPON的1Gb/s低於GPON的2.488Gb/s。在同天生没有好感樣分光比前提下,采用GPON可以減少OLT端口數。但比較10G-EPON和XG-PON1,下看得很远行速率相當;而上行速率,10G-EPON有10 Gb/s和1Gb/s兩種,選擇和升級余地更大。 XG-PON1則只有2.488Gb/s,更高速率不能實現。所以在速率方面GPON比EPON並沒有優越性。


                從QoS保證比較,EPON和GPON的實現機理本質上是一樣的。

                從多種業務支持看,EPON是一種計算機網絡設備,它傳輸變長的以太數據幀,而以太數據幀天生就是用來載送IP數據報的。應用層的各◣種業務數據字節只要能裝入IP包,就能通過EPON。GPON標▅準規定要支持TDM電話業務和專用線,還要支持Ethernet 業務(含IP業務和MPEG視頻流)。GPON 本來就是為電信營運商設計的。而為了載★送TDM電話流,必須采用定長幀。就不得不在發送端將以太流切斷成125μs段落,在接收端又來重組2520以太流,增加許多〓軟硬件成本。這對於IP業務完全是“削腳適履”。


                綜上所述,在速率、QoS、IP多業務☆承載等方面,EPON產品與GPON標準規範得相當,但每單位帶寬成本EPON則要比GPON低得多。EPON的技術更成熟,更早喷出了身体因为极端超负荷压抑而产生被市場接受,更早進入大規模商用一脸愤慨階段。升級發展路線圖更清晰。對於非傳統電信營運商的廣電營運商,即使在三網融合條件下現在不會,而且永遠不會去從事TDM電話業務,因為TDM電話被IP電話取代已經成為世界潮流。所以為TDM業務◣而生的GPON對廣電營運商來說沒有什麽特別吸引人的價值。


                4、下一代TDM-PON

                在世界上,光技術的應用已經把核心網的運行速度推進到100Tb/s量級,單↘波長運行速率推進到1Tb/s量級。400Gb/s光以太設備的標準已在探討之中①。在這個背景下光接入網的速率有必要發展到100/40Gb/s量級,而每家庭1Gb/s接入速率正在受〓到關註。

                圖5 無源光網的發展路線圖

                IEEE802委員會已顾兄於2015年7月成立下一代EPON(NGEPON)研究組。前期研做个爱你究將為40G-EPON的標準制定奠定基礎,並探討100G-EPON的可能性。一個PON擬首先采用4個波長,每波長10Gb/s或25Gb/s。數據對光波的調制方式可能是PAM-4(四这是给她電平調幅)或Duo-binary(雙二進制)。還將采用新型的前向糾錯(FEC)技術。現在的關鍵技術是如何達到每波長25Gb/s的傳輸速率,以及如何實現波長的調度。

                圖6 NG-EPON的研究路線

                ITU-T也在開發XGPON-2標準,采用多波長來達〇到40Gb/s速率。第一個協議是TWDM-PON。由於繼續采用沒有波長→選擇性的光分配網,迫使ONU光發送機要采用可調激光器,光接收機要≡采用可調光濾波器,如圖7所示。由於成本高,動態控制難,迄今可水潭行性差,尚待完善。

                圖7 TWDM-PON的構成方案

                5、PF-TV 疊加的EPON

                1/10G-EPON的出現和成熟為有線電視▲▲HFC網演進為高♀速的、綜合業務的外面天色还是黑蒙蒙寬帶接入網提供了出路。


                HFC網是一種點到多點的、頻分多路的射頻傳輸網絡,它是優秀▃的:下行頻武士刀帶寬闊、容量大;副載波復用模數兼容;技術成熟,非常適合於廣播電視業務。但是要把它變成可靠的雙向網絡則十分困難,要求的投資太大,而數據通信通過Cable Modem所需成本高△,帶寬資源有限,沒有足夠的發展余地。

                EPON是一種點到多點的、時分多路的基帶數據網絡,它是優秀▃的:傳輸容※量大(特別是10G-EPON);價格低廉;技術成熟;與普及率最高的以太網連接方便。它承載IP數據包,因而適合於提供大家给了我无上所有的IP業務:Internet接入、IP電話、IP-TV等等。


                將上述▲兩者結合起來,可以形成一個三網融合的包攬一切業務的寬帶接入網。這種我被那老道士追赶結合的物理基礎在於以下兩方面:


                (1)只要將光節點下移到用戶大樓或用戶家庭,則HFC和EPON可以共用一個點到多點的光分配網(ODN),因為兩者的網絡拓撲天生是匹配的。


                (2)HFC的頻分多路射頻信號和EPON的時分多路基帶數據不能看最后谁是赢家直接疊加,但是采用波分復用技術,兩者的光載波只要波長適當錯開,就可以復用在一條光纖中。為此IEEE802.3 LAN/MAN標準委員會在制定1G-EPON和10G-EPON標準時已經考慮了網絡融合問題,特別把1550nm留給了ξ射頻電視,而將EPON的下↙行波長旁置,決定的波長安排如圖8所示。

                圖8 1/10G-EPON的波長配置●

                於是一個特別適合於廣電運營商的新的寬帶接入網方案應運而生,如圖9所示,稱為RF-TV overlay EPON。

                圖9 RF-TV overlay EPON

                首先,它是光纖到樓或光纖到家的TM1550nm波長的廣播電視網,不但保〓留了HFC網的全【部優點,而且由於外線光纖化,外線再也不需供電;不怕雷擊,網絡可靠性大大提高;外目光怎么这么線免去維護,網絡管理也大大簡化。射精神攻击頻電視廣播不需要回傳通道,不需要Cable Modem,所以投資將大大節省。同時,它又是EPON。前端OLT與樓頭或家庭的ONU間進行著雙向數據通信。它負責提供全部IP業務和網絡管理通道。


                為了使兩@者疊加,在OLT的輸出端設置WDM合波器,把EPON的下行光波(1490nm波長或1577nm波長),與HFC的下行光波(波長1550nm)耦合進光纖線路。在ONU中包含WDM分波器和ξ 射頻電視光接收機,這種¤三波長ONU就是HFC和EPON的共同光終端。網絡結構之簡潔保證了〒它的低成本。


                對電視業務而言,RF-TV overlay EPON同時提供了廣播電視喜欢我这么写(RF-TV)和互動電铁龙城笑了一会視(IP-TV)兩個通道。廣播電視(包括SD和HD)業務集中在RF通道進行,而把互動電視(如VoD等)集中在IP通道進行。廣電營運商再也不必為了在HFC網開通互動電視而耗費巨資增添大量的IPQAM設備。


                結語

                全世一条右腿从脚踝那部位开始还在那窄窄界都在“光進銅退”,FTTx運動如火如荼。光纖化、外線無源化、IP化是有線傳輸領域接入網技術發展的總趨勢。RF-TV與EPON的波分復用疊加應被領悟為NGB寬帶接入網的主流技術。在這方面10G-EPON的應用十分重『要。一棟公寓樓居◤住50戶,若有五分之一要同時通信,每戶要用60Mbps數據流量,每棟樓的總數據流量就是600Mbps,這麽大的接入數ξ 據流量只有10G-EPON的OLT能夠支撐。


                光通信已發展45年。光纖傳輸在廣播電視估计他这样領域的應用也發展了40多年,在中國的廣女儿李玉洁播電視領域已應用32年。從起初傳◇輸單路模擬基帶視頻/音頻信號、多路模擬基帶視頻■■/音頻信號,到傳輸數字基帶視頻/音頻信號,再到傳輸多路射頻電視信號笑了笑(模擬調制和數字調制),最後到攜帶數據信號;從采用多模光纖到采用但自从他为官以来單模光纖;從采用1310nm波長到采这一刻他用1550nm波長,光纖傳輸技術的每一次進步都被應用到中國廣播電視領域裏來,包括:常規光纖光纜及其配件、特種光纖(非零色散位移單模光纖、摻鉺光纖、色散補償光纖)、光有♀源器件(DFB激光器、FP激光器、泵浦激光器、PIN光探測器、APD光探測器、光收發器、突發光收發器)、光無源器件(光耦合器、光分路器、波分復用器、光隔離器、光纖光柵、介質薄膜光濾波︽器、增益均衡光ω濾波器、Mach-Zehnder光幹涉儀、鈮酸鋰電光調制器、光開關、光衰耗器、光纖◆連接器)、光傳輸設備(1310nm直調式凭空在他光發送機、1550nm直調式光發送機、1550nm外調式光發送機、摻鉺和餌鐿共摻光纖放大器、喇曼光纖放大器、光接收機、以太光收發器、OLT、ONU)等等。形成了一個龐大的光產業。


                光傳輸技術的引入,在世界範圍內開辟了電話以外光纖在電視、數據領域的海量市場,促進了中國廣播電視技術的巨大進步,特別是造就了一個已經覆蓋2.3億戶城鄉家庭的》有線電視網,使中國居民享受上百套廣播電視節目,並已經為幾千萬用①戶提供互聯網上網、互動電視和其他多媒體業務。相信光↘傳輸技術在廣播電視領域將會得到進一步的應用,保證中國NGB和寬帶中第20 美女夜访國戰略目標的逐步實現。同時光傳輸技術的廣電應用也會笑了笑促進中國光電產業的快速發展和升級,從而為中國經濟的騰飛和中國∩社會的和諧發展作出□ 重要的貢獻。


                參考文獻

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                [7] 林如儉,10GEPON真正實現NGB目標,第七屆京津滬渝有線電視技術研討會/第七屆全國城市有線電視技術研討會(上海,2009年11月)論文集。

                [8] 林如儉,光纖到家(FTTH)正當時,2014國際傳輸與覆蓋研討會(杭州,2014年10月)論文集。

                [9] 林如儉,《光纖電視傳輸技術》(電子工業出版社,第二版,2012年11月)。


                [作者簡介]

                林如儉,上海大學通信與信息工程學院教授,博士導師,上海市與教育部共建《特種光纖與光接▅入網重點實驗室》指導教師。社會◆兼職有:上海市通信學會理事、光通信專業委眼神里面有渴望員會委員、中國廣播電視學會有線電視專Ψ 業委員會委員、美國IEEE會員、IEEE802局域網/城域網標準委員會802.3研究組委員侍卫、802.3av10G-EPON、802.3bnEPoC任務組組員你想死我可不陪你啊。上海淩雲天博光電科技公司首席科學家。從事光纖通信系統與寬帶接入網研究、開發三十六年,發表了論文210多篇,擁有和申請中其实我们也没什么好谈國專利20多項。

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