回傳噪聲的分類以及監(jiān)測與預(yù)防

1、回傳噪聲的分類以及監(jiān)測與預(yù)防呂家保 美國勝利通訊 刊登于有線電視技術(shù)09年第三期摘要：本文主要分析上行通道中的噪聲主要類型，以及產(chǎn)生這些噪聲的來源，并對各種噪聲進(jìn)行系統(tǒng)分析和預(yù)防。關(guān)鍵詞：DOCSIS，非線性失真噪聲，激光削波，公用通道失真（CPD），高斯噪聲，噪聲監(jiān)測系統(tǒng)，噪聲統(tǒng)計(jì)分析。1. 引言隨著現(xiàn)代科技生活的不斷發(fā)展,人們對網(wǎng)絡(luò)寬帶的要求也與日俱增,而作為有著強(qiáng)大頻帶資源的廣電網(wǎng)絡(luò),也在不斷的創(chuàng)新技術(shù),盡可能提高服務(wù)的質(zhì)量和技術(shù)水品,所以作為廣電主流DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications)技術(shù)面臨強(qiáng)大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

2、, 而DOCSIS技術(shù)的成功關(guān)鍵就是怎樣避免和降低反向噪聲的侵入和干擾,所以本文通過對各種噪聲的定性分析, 找到他們的各自特征, 然后有針對性的去避免和降低這些不同的干擾因素, 讓我們能充分利用廣電的寬頻接入資源. 一般我們在分析共系統(tǒng)的二者關(guān)系時(shí),首先要找到各自的特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理, 然后再分析二者的相互之間的介入關(guān)系,最后再根據(jù)需要消弱或增加某個(gè)變量以便盡量的靠近我們的目標(biāo)結(jié)果, 所以,我們先說明一下DOCSIS的基本概念,然后再對噪聲進(jìn)行分類, 以及對每類噪聲的產(chǎn)生機(jī)理分析,最后分析系統(tǒng)中怎樣解決噪聲危害的方案和建議。2 DOCSIS概念DOCSIS (Data Over Cable Ser

3、vice Interface Specifications),是CATV的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的一個(gè)技術(shù)規(guī)范,利用同軸電纜的寬頻資源進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通訊. 下行利用廣播的方式,上行利用時(shí)分和頻分相結(jié)合的技術(shù),一定比例的用戶共享一個(gè)上行通道, 理論上這個(gè)系統(tǒng)的唯一弊端是”時(shí)間片沖突”, 所以每個(gè)用戶都必須在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)發(fā)送信息. 但由于射頻調(diào)制技術(shù),所以最大的問題卻是各種噪聲對上行時(shí)分信號(hào)的干擾,導(dǎo)致系統(tǒng)陷入迷茫的噪聲中,導(dǎo)致用戶的上網(wǎng)速度變慢甚至掉線.所以,在DOCSIS系統(tǒng)中研究噪聲問題是至關(guān)重要的,也是最難度最大的系統(tǒng)工程. 下面我們針對噪聲來具體分析.3 噪聲.噪聲是來自外界和由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的紊亂、斷

4、續(xù)、隨機(jī)的電磁振動(dòng)，出現(xiàn)在屏幕上表現(xiàn)為雪花狀的、雜亂無章的干擾。3.1 噪聲機(jī)理、特性。根據(jù)前面的定義，我們大致把噪聲分為二大類：n 外部噪聲，主要是通過開路進(jìn)入的，它包括來自宇宙空間的噪聲、大氣噪聲以及來自地面的工業(yè)設(shè)備噪聲、民用設(shè)備噪聲等。n 內(nèi)部噪聲，分為以下幾種：基礎(chǔ)熱噪聲，主要是包括由電阻等無源器件產(chǎn)生的。散彈噪聲，由于通過晶體管PN節(jié)的載流子數(shù)目隨機(jī)起伏而引起的噪聲。分配噪聲，由于集電極電流和基極電流之間的隨機(jī)分配，造成集電極電流的隨機(jī)起伏而引起的噪聲。閃爍噪聲，由于晶體管表面清潔處理不好或有缺陷造成的噪聲。交流哼聲，由于電源濾波不好引起的交流聲。嘯叫噪聲，放大器自身故障引起的嘯叫

5、等 以上噪聲中，基礎(chǔ)熱噪聲不是我們廣電所關(guān)心的，因?yàn)樗菬o源器件固有存在的噪聲，僅與器件的溫度有關(guān)，而與所傳輸?shù)男盘?hào)及其他因素?zé)o關(guān)。外部噪聲中我們最關(guān)注的就是工業(yè)和民用的侵入噪聲。它與內(nèi)部噪聲中的其他幾種噪聲組合就是我們廣電系統(tǒng)常見的光纖鏈路噪聲、放大器噪聲，失真噪聲、脈沖噪聲、單載波噪聲等。而目前影響上行的主要噪聲就是侵入噪聲和失真干擾噪聲，所以下面我將分別對這兩大類噪聲進(jìn)行詳細(xì)分析。4. 侵入噪聲的特性入侵噪聲根據(jù)電纜分配網(wǎng)絡(luò)來劃分主要有兩方面：4.1 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)因，由同軸電纜本身引起的。電纜段屏蔽性不好，老化或光站、放大器等傳輸設(shè)備的故障或設(shè)置不當(dāng)，讓空中或其他器件的各種開路射頻信號(hào)饋入系統(tǒng)

6、，并混進(jìn)上行通道形成噪聲。 這種噪聲的情況比較復(fù)雜，他們一般形成的噪聲是穩(wěn)定的單載波噪聲和噪聲面很廣的高斯噪聲，如下圖1。這類噪聲可以通過頻譜的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測來分析噪源。一旦查出是該類噪源，解決起來也很容易。所以對于新建的網(wǎng)絡(luò)這類噪聲不是關(guān)注重點(diǎn)。4.2 網(wǎng)絡(luò)外因，終端用戶引起的。用戶私自更改線路或增加端口數(shù)，或者電視機(jī)高頻頭屏蔽性差、或在屏蔽差的終端附近使用家用電器等設(shè)備，都會(huì)形成插入噪聲的主力軍，如下圖2：這種噪聲大多有規(guī)律性，利用頻譜監(jiān)測系統(tǒng)觀測，比較晚上和白天頻譜狀況，各種干擾波形都會(huì)出現(xiàn)。而對于毫妙級(jí)的高能量脈沖干擾，能讓你的上行CM掉包率瞬間增大，而你卻無法察覺，所以，該類噪聲必須用精度

7、更高的毫秒級(jí)采樣率的頻譜分析儀才能有效捕獲。而對于同時(shí)監(jiān)測多個(gè)上行端口，則要求的采樣精度更高。以上兩類入侵噪聲主要是器件或物理環(huán)境所直接或間接引起的，隨著光纖段延長，電纜段縮短，加上更嚴(yán)格的工程規(guī)劃，以及器件、電纜和工程經(jīng)驗(yàn)的提高，理論上該類噪聲會(huì)逐漸淡化和趨于穩(wěn)定。 所以我們要把重點(diǎn)關(guān)注到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信號(hào)傳輸過程中由于非線性失真引起的干擾噪聲，而此類噪聲中的公共路徑失真（CPD）和激光器削波失真則是我們研究的重點(diǎn)。5. 非線性失真噪聲在研究失真信號(hào)前，我們先簡單說明一下失真的基本原理，以便后面我們理解的容易些。一般來講放大器或轉(zhuǎn)換設(shè)備中輸出電壓Uo和輸入電壓Ui的關(guān)系可用下式來表示：Uo=Uoo

8、+K1Ui + K2Ui2 + K3Ui3 + （5.1）其中Uoo為一常數(shù)，代表輸出電壓中的直流成分，在阻容耦合放大器中將被電容隔斷，不能傳輸?shù)较乱患?jí)，可以忽略不計(jì)，所以上式可以簡化為：Uo=K1Ui + K2Ui2 + K3Ui3 + （5.2）其中K1,K2,K3等可視為常數(shù)。K1Ui為輸出電壓的一次產(chǎn)物，它與Ui成正比；K2Ui2 為輸出電壓的二次產(chǎn)物，與Ui2成正比；K3Ui3 為輸出電壓的三次產(chǎn)物，與Ui3 成正比。 為了方便說明，我們假設(shè)只有二個(gè)不同頻率的信號(hào)同時(shí)輸入，即：Ui=ACOSat+BCOSbt 其中a、b分別是這三個(gè)信號(hào)載頻的圓頻率，A、B分別是載波的振幅，將其帶入（

9、5.2）并展開，并利用三角函數(shù)簡化，可得如下結(jié)果：一次產(chǎn)物為：K1 (ACOSat+ BCOSbt)共有二項(xiàng)，分別是原來二個(gè)信號(hào)的載頻及其傳輸?shù)囊曨l或數(shù)據(jù)信號(hào)，是輸入信號(hào)被放大K1倍的結(jié)果，沒有產(chǎn)生失真。二次產(chǎn)物為：1/2K2(A2B2) +1/2K2A2COS2at+ 1/2K2B2COS2bt+K2ABCOS(a+b)t+ K2ABCOS(a-b)t其中1/2K2(A2 B2)為直流分量，1/2K2A2COS2at和1/2K2B2COS2bt為二次諧波，K2ABCOS(a+b)t和 K2ABCOS(a-b)t為二次拍頻項(xiàng)。三次產(chǎn)物為：3/4K3A3COSat+3/4K3B3COSbt+ 1

10、/4K3A3COS3at+1/4K3B3COS3bt+3/4K3A2BCOS(2a+b)t+3/4K3A2BCOS(2a-b)t+3/4K3AB2COS(2b+a)t+3/4K3AB2COS(2b-a)t+3/2AB2COSat+3/2A2BCOSbt （5.3）其中3/4K3A3COSat和3/4K3B3COSbt為基本頻率項(xiàng)，有幅度失真，1/4K3A3COS3at和1/4K3B3COS3bt是三次諧波項(xiàng)，3/4K3A2BCOS(2a+b)t、3/4K3A2BCOS(2a-b)t、3/4K3AB2COS(2b+a)t和3/4K3AB2COS(2b-a)t是三次拍頻項(xiàng)，3/2AB2COSat和

11、3/2A2BCOSbt是交調(diào)失真項(xiàng)。根據(jù)傅立葉的分析，高次失真產(chǎn)物的幅度呈指數(shù)性質(zhì)衰減，即諧波次數(shù)越高，其相于基波振幅的衰減越大，而且能量主要集中在2、3次諧波。5.1 公用通道失真(CPD)公用通道失真主要是一些電纜段的接頭進(jìn)水、松動(dòng)、生銹等引起的阻抗不匹配，讓電視信號(hào)在電纜內(nèi)形成回波和駐波，并以規(guī)律的8M（或8M+1.5M視音頻間差拍產(chǎn)物）的倍數(shù)等間隔插入反向通道，干擾上行業(yè)務(wù)，這是我們常見的一種失真干擾，如下圖3：此類失真噪聲主要形成穩(wěn)定的拍頻駐波信號(hào)，從頻譜上非常容易判斷，當(dāng)眾多的拍頻在峰值上持續(xù)增加時(shí)就要會(huì)淹沒上行CM信號(hào)，出現(xiàn)的癥狀是首先速度變慢，少數(shù)用戶掉線，嚴(yán)重時(shí)片區(qū)內(nèi)所有CM

12、斷線，利用反向頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，通過對眾多上行通道頻譜進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，利用現(xiàn)場的終端工具，在本地做頻譜對比，很容易查出CPD的饋入點(diǎn)，及時(shí)根除隱患。5.2 反向激光削波失真激光器中的失真主要有二個(gè)來源，一個(gè)是激光器輸出光功率與注入信號(hào)電流在工作點(diǎn)附近的非線性；另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)電流太大，超過激光器門限和飽和部分而產(chǎn)生的過調(diào)制（激光削波），前者是器件本身的特性決定的，后者才是影響我們上行通道的主要失真。激光削波產(chǎn)生基波外，還產(chǎn)生幅度較大的二、三次諧波（駐波）占據(jù)上行通道，嚴(yán)重干擾CM信號(hào)的正常傳輸。如下圖4上圖中頻譜分析儀的分辨帶寬是300KHz，單載波基頻信號(hào)的頻率為48.4MHz。根據(jù)前面提非線性失

13、真理論，失真的產(chǎn)物主要集中在2次諧波（96.8MHz）、次諧波(145.2MHz)處，本圖中三次諧波幅度已經(jīng)相對很弱。特別說明的是，要鑒別此類噪聲，你的頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的帶寬必須設(shè)置為5200MHz。 原因之一，大多數(shù)的激光器工作帶寬是5200MHz; 原因之二，我們一般用565MHz的低通濾波器，因此在65200MHz以上的存在的諧波噪聲是激光器削波區(qū)別其他噪聲的最主要特征。5.3激光削波產(chǎn)生的原因及解決辦法：由于前面已經(jīng)說明的削波特性，所以建議在監(jiān)測上行通道頻譜時(shí)要用5200MHz寬帶來觀測，而不要用565MHz觀測，否則，激光削波會(huì)被你很容易忽略，造成故障難以定位和不能準(zhǔn)確定性分析，導(dǎo)致不必

14、要的損失。下面我們就削波產(chǎn)生的幾種原因及其對應(yīng)解決方法來進(jìn)行分析。原因一，CM信號(hào)發(fā)送時(shí)間片沖突，眾多CM同時(shí)發(fā)送脈沖信號(hào)（REQUEST請求）造成激光器的加載電流過大。預(yù)防此類削波，一般需要通過以下方法：1. 調(diào)整CM發(fā)送電平。2. 降低CM調(diào)制級(jí)別。3. 降低光站的CM數(shù)。原因二，單載波噪聲的功率不斷增加，造成激光器驅(qū)動(dòng)電流太大。預(yù)防此類削波，一般需通過以下途徑：1. 增加光接收機(jī)前的衰減。2. 加大CM發(fā)送電平。3. 通過頻譜監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，查出駐波饋入點(diǎn)。4. 增加非數(shù)據(jù)端口的高通濾波器原因三，公用通道失真CPD，也能引起激光注入功率增大，超過其飽和電流引起削波。預(yù)防此類削波，一般通過以下途徑：1. 利用頻譜監(jiān)測統(tǒng)計(jì)功能查出阻抗不匹配點(diǎn)。2. 更換老化的接頭，器件、電纜。3. 加強(qiáng)設(shè)備接頭和有源器件的防水功能。4. 增加非數(shù)據(jù)端口的高通濾波器原因四，有源器件的損壞，增加了幅度較大的平坦高斯噪聲，也能引起激光削波，預(yù)防該類削波，一般通過：1. 利用頻譜統(tǒng)計(jì)功能，分段排查底帶噪聲超高的端點(diǎn)。2. 更換損壞器件3. 加大老的有源器件監(jiān)測密度。4. 增加非數(shù)據(jù)端口的高通濾波器5. 系統(tǒng)監(jiān)測方案以上的各種噪聲，在實(shí)際運(yùn)維中難度不小，而要觀測到這些噪