CC BY
93
УДК 621.316.722
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕВЕРСИВНОГО КАНАЛА ИНТЕРАКТИВНОЙ СЕТИ СИСТЕМЫ КАБЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
А. А. Суворов
Рассмотрены пути повышения эффективности реверсивного канала интерактивной сети системы кабельного телевидения; показано, что эффективность его работы практически полностью определяется величиной соотношения несущая/шум (C/N); проанализированы пути повышения соотношения C/N в этом канале.
improving performance ways of the reverse channel at the cable TV system interactive network are considered; we demonstrate that reverse channel performance dependent on the carrier-to-noise (C/N) ratio mostly; techniques for improving C/N ratio at the reverse channel are considered and analyzed.
Одним из основных направлений развития современных систем кабельного телевидения (СКТ) является развитие их сетей с предоставлением абонентам различных услуг интерактивного сервиса (телефония, телексная связь, Internet), а так же другие виды связи.
Интерактивной системой кабельного телевидения принято называть СКТ, у которой активизирован реверсивный (реверсный) канал [1-3]. В англоязычных источниках встречаются два его определения - reverse и return, в отечественной терминологии это звучит как «обратный канал».
В соответствии с европейским стандартом CENELEC EN50083 [4], реверсный канал (RC) -это часть сети кабельного телевидения, посредством которой сигналы в восходящем потоке (upstream) направленно передаются от любого абонента к головному оборудованию (ГО) или любой другой центральной точке (узлу) данной кабельной сети.
Согласно ГОСТу 52023 - 2003 [5], совместимому с европейским стандартом CENELEC EN50083 и являющемуся преемником ГОСТа 28324-89, канал обратного направления - это радиоканал, в котором осуществляется передача радиосигнала в обратном направлении, а обратное направление - это направление передачи радиосигналов в кабельной распределительной сети от абонентского оборудования к центральному узлу.
Наиболее востребованными, при наличии реверсного канала, являются такие услуги, как Internet и IP-телефония, менее - видео по требованию (VoD), системы видеонаблюдения (подъезд, детская площадка, спортплощадка, автостоянка и т.п.), дистанционный обзор коммунальных услуг (расход воды, тепло, газ и т.п.), видеокон-
ференции, видеоигры, системы охранной сигнализации и др.
В интерактивной сети СКТ пользователю могут быть предоставлены такие виды услуг, какие предлагаются посредством других сетей и технологий (например, xDSL). Однако по широ-кополосности, а следовательно, и скорости передачи информации, с интерактивной сетью СКТ не может реально сравниться никакая другая проводная сеть.
Как правило, для передачи цифровой информации по СКТ в прямом и обратном направлении используется американский стандарт DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), предусматривающий установку кабельных модемов в составе головной станции CMTS - (Cable Modem Termination System) и кабельного модема у абонента СМ - (Cable Modem).
Скорости цифровых потоков в обратном канале зависят от целого ряда факторов. Кратко рассмотрим основные из них.
1. Используемый формат модуляции (разрядность). Самым помехозащищенным и низкоскоростным является формат QPSK, а самым высокоскоростным, но наименее помехозащищенным - формат 128 QAM [6].
2. Полоса пропускания реверсного канала П. Согласно известной теореме Шеннона [7] скорость цифрового потока прямо пропорциональна полосе частот, занимаемой каналом. С точки зрения минимизации занимаемой полосы частот, выгоднее использовать один широкий канал, а не несколько узких каналов, так как в этом случае суммарная полоса увеличивается за счет отказа от необходимости в частотном защитном интервале [8].
3. Канальное отношение несущая/шум (C/N). Оно тесно связано с двумя вышеперечисленными
факторами и является важнейшим фактором в реализации RC.
На рис. 1 представлена зависимость скорости цифрового потока СМ, согласно DOCSIS 1.1/2.0, от C/N в полосе канала 3,2 МГц при вероятности ложной ошибки (BER) 10-8 [б]. Как видно из представленной зависимости, необходимо всеми доступными способами добиваться максимально возможного C/N.
I /г
¥
I w
Рис. 1. Зависимость скорости цифрового потока СМ от С/М
4. Число абонентов в кластере. Если оценивать это число по критерию «цена/скорость»,то наиболее оптимальным является значение в
100...300 абонентов, приходящихся на один оптический узел (ОУ). Под оптическим узлом традиционно понимается комбинация оптического приемника прямого канала и оптического передатчика реверсного канала, объединенных в единый конструктивный узел.
5. Число используемых каналов. Очевидно, что с увеличением числа каналов прямо пропорционально увеличивается и суммарная скорость цифрового потока. Однако при этом необходимо позаботиться о диапазоне реверсного направления величиной в 5.65 МГц [8].
Для непосредственной корректировки неизбежно возникающих ошибок при доставке информации необходимо знать защитное отношение - БЕС. Согласно ЕТБ1 ЕМ 300421 величина БЕС может иметь значения 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 и 7/8. Физически БЕС означает долю (предельный случай БЕС = 1) полезных (несущих информацию) символов, передаваемых в пакете. Так, информационная скорость цифрового потока для традиционных МРЕО-пакет^в (18$/204ч байт, Рид-
Соломон) при заданной^олосе квНаЛа П и оговОренном факторе свертК© R (Roll-Off) определяется по формуле ^ о
S = A • П(1 + R)-1(188/.204£f EC, х ft
=г ’ m
где А - число разрядов в цифровом сигнале, определяемое форматом модуляции (например, для QPSK A = 2 (22), для 64 QAM А = 6 (26) и т.д.).
Фактор свертки характеризует отличие реального спектра (полосы) сигнала от идеального (прямоугольного). Наиболее часто R = 0,35.
Чем выше защитное отношение (т.е. меньше числовое значение), тем ниже допустимое значение C/N. Таким образом, для возможности установки низкого FEC необходимо позаботиться о реализации возможно большего значения C/N реверсного канала.
6. Правильный расчет реверсного канала в части совмещения энергетических уровней. Это означает, что все уровни сигналов, сходящиеся в какую-либо узловую точку сети, должны быть выровнены по амплитуде. Регулировка уровней сигналов осуществляется аттенюаторами, входящими в состав усилителей реверсного канала.
7. Качество монтажных работ. В данном случае под качеством понимается правильность разделки кабелей и установки кабельных разъемов (насадок), исключающая неоднородности 75-Омного тракта передачи. Наличие неоднородностей приводит к появлению переотражений, проявляющихся как возникновение точно такого же информационного потока, задержанного во времени (доли и единицы микросекунд) и с меньшей амплитудой (зависит от коэффициента отражения). Такой эффект иногда именуют «эхо» [6].
8. Качество соединительных коннекторов.
При активизации реверсного канала следует уделить серьезное внимание как качеству монтажа, так и качеству используемых кабельных разъемов.
Анализ показывает, что скорости цифровых потоков в реверсном направлении в значительной степени зависят от отношения C/N при выбранной полосе канала. Однако с увеличением полосы канала П реализуемое C/N, дБ, понижается на величину [9] A C/N:
AC/N = 10log(n 2/ П:). (2)
С целью увеличения скорости цифрового потока при ограниченной полосе пропускания, ис-
пол 'И©пол'ьыу©мы'й формаТ'®р®ависиг
мер, 4 QAM (QPSK). 16 QAM и даже 128 QAM
(dOcsiS Щдощмвш едма? «м^Щи ого ка
(разрядность), тем выше скорость цифрового потока. Однако более высокий формат модуляции требует более высокого значения C/N. _
Рассмотрим и проанализируем факторы, обуславливающие шумы в реверсном канале.
7? ’
1=
^ 10,24
О
-& -&
о
ск 4 аз
1. Топологическое исполнение сети. Для увеличения соотношения C/N целесообразно осуществлять сегментацию коаксиального кластера, в состав которого входит оптический приемник прямого канала (FC) и один передатчик реверсного канала (RC). Сегментация позволяет условно разбить весь большой кластер на подкла-стеры (сегменты), что дает возможность увеличить C/N (пропорционально числу кластеров) и суммарную скорость цифрового потока реверсного направления, приходящуюся на кластер.
2. Приведенный динамический диапазон обратного канала. Это параметр, зависящий от уровня входного сигнала, под которым следует понимать амплитуду сигнала, поступающую на вход первого из активных устройств (транзистора или микросхемы). Дело в том, что усилители RC по своему структурному построению отличаются у разных фирм-производителей. Некоторые фирмы традиционно устанавливают аттенюатор и эквалайзер на входе усилителя RC, а некоторые -на выходе RC.
В первом варианте расположения аттенюатора при вводе ослабления увеличивается коэффициент шума усилителя на величину вводимого ослабления аттенюатора, также выраженную в децибелах. А во втором варианте при вводе ослабления снижается максимальный уровень выходного сигнала также на величину вводимого ослабления. Таким образом, и в том и в другом вариантах снижается приведенный динамический диапазон, определяемый по формулам: для первого варианта -
C/N = ^вых - ^ном - F - 5,2 - 10^(П), (3)
для второго варианта -
C/N = Uвх - F - 5,2 - 10^(П), (4)
где ивх, ивых - уровни входного и выходного сигналов (дБмкВ) усилителя RC с коэффициентом шума F, дБ.
Пример. При ивх = 85 дБ-мкВ, ивых = 100 дБ-мкВ, Кном = 22 дБ, F = 6 дБ и П = 3,2 МГц получим C/N = 61,7 дБ для первого варианта и C/N = 68,7 дБ для второго варианта. Как видно, в обоих случаях приведенный динамический диапазон составляет большую величину. Напомним, что согласно DOCSIS, C/N > 25 дБ [6].
Из вышеизложенного можно сделать практический вывод, что для усилителей, устанавливаемых в магистралях (работают при пониженных входных уровнях), целесообразно использование усилителей RC с аттенюатором (обычно и с эквалайзером), устанавливаемым на его выходе. А для усилителей, устанавливаемых в домовых сетях
(работают при повышенных входных уровнях), целесообразно использование усилителей RC с аттенюатором, устанавливаемым на его входе [6].
3. Уровень входного сигнала ивх. Он играет важную роль в формировании суммарного C/N. Очевидно, что чем больше эта величина, тем больше C/N.
Типовое значение уровня входного сигнала обычно именуется «системным уровнем». Опыт проектирования интерактивных СКТ показывает, что типовой уровень входного сигнала должен быть не менее 75...80 дБ-мкВ для домовых усилителей и не менее 60.65 дБ-мкВ для магистральных усилителей.
4. Число усилителей в рассматриваемом кластере (сегменте) N. Эта величина имеет большое влияние на суммарное отношение C/Ns, дБ, (суммируются шумы всех усилителей, вне зависимости от места их установки в данном кластере) и рассчитывается по следующей формуле:
C/Ns = C/N - 10log(N). (5)
При необходимости точного расчета можно воспользоваться выражением
C/Nz = 10log(10-(C/N1)/10 + 10-(C/n2)/10 +
+... + 10-(C/nn)/10 +), (6)
где C/Nn - отношение несущая/шум N-го усилителя RC, дБ.
5. Отношения несущая/шум кабельного модема C/NCM. Рассмотрим и проанализируем его более подробно.
Согласно DOCSIS минимальное значение отношения несущая/шум кабельного модема равно 40 дБ (при максимальной полосе пропускания). Данные шумы появляются только во время передачи (посылки) СМ. Чем больше выходной уровень СМ, тем больше и абсолютный уровень шумов. Важно отметить, что суммарный уровень тепловых шумов в RC не зависит от выходного уровня СМ.
В перерывах между посылками СМ продолжает шуметь, хотя и находится в условно закрытом состоянии. Уровень этих шумов, согласно стандарту DOCSIS, составляет -72 дБ-c (т.е. шумы находятся на уровне -72 дБ относительно уровня несущей при ее посылке), но не менее 5 дБ-мкВ (при низких уровнях выходной мощности). Так, при ивых = 110 дБм-кВ, иш = 38 дБ-мкВ.
6. Число включенных модемов Nw Действительно, чем больше включено СМ в данный момент времени (даже если они и не совершают по-
сылок), тем большая мощность шумов накапливается в ЯС. Причем, необходимо отметить, что Ым это общее число включенных модемов в данный момент времени вне зависимости от числа ЯС в выделенном диапазоне реверсного канала.
7. Отношение несущая/шум оптической системы С/Ы0. В данном случае рассматривается реверсное направление «передатчик - приемник». К расчету этого отношения необходимо относиться крайне внимательно, так как на практике именно оптическая система вносит существенный вклад в накопление шумов. Полезные практические рекомендации по данному вопросу приведены в [10]. Если по данной оптической жиле реверсного направления суммируются несколько кластеров, то их шумы необходимо суммировать по формулам (5) или (6).
8. Полоса канала П. Действительно, чем шире полоса канала, тем большая мощность шумов в ней накапливается [9].
9. Шумы ингрессии С/Мин. Если тепловые шумы легко определяются по теоретическим формулам, то шумы ингрессии (пылесосы, электродрели, электромясорубки, компьютеры, стиральные машины, миксеры и т.п.) носят случайный, хаотичный характер и никаким теоретическим расчетам не поддаются. Тем не менее, именно шумы ингрессии вносят ощутимый вклад в итоговое отношение несущая/помеха (С/МЯС), формируемое на входе приемника ЯС СМТ8. Важнейшей задачей как на этапе проектирования, так и на этапе внедрения услуг интерактивного сервиса в любую СКТ является защита от шумов ингрессии, поскольку, практика расчетов и построения СКТ показывает, что весомый вклад в мощность шумов по ЯС оказывают шумы ингрессии.
Амплитуда кратковременных (импульсного характера) шумов ингрессии в низкочастотном диапазоне ЯС может даже превышать амплитуду полученных сигналов. Учитывая это обстоятельство, наиболее оптимальным является использование усилителей со встроенными низкочастотными режекторными фильтрами (5.12 МГц).
Рассмотрим основные, наиболее эффективные способы борьбы с шумами ингрессии.
1. Использование ВЧ кабелей с коэффициентом радиоэкранной защиты не менее 75 дБ. Особенно это касается абонентских кабелей класса ЯО-6, являющимися антеннами, наведенные внешние сигналы с которых стекаются в узловую точку стояка. Заметим, что у некоторых типов кабелей коэффициент радиоэкранной защиты в
диапазоне RC может быть ниже, чем на частоте 200 МГц.
2. Не допускать при монтаже кабелей резких изгибов. Известен факт, что при изгибе кабеля даже с предельно допустимым радиусом коэффициент радиоэкранной защиты снижается на 15.25 дБ, а при превышении допустимого радиуса изгиба - до 25.35 дБ. Данное явление легко понятно, так как экранная оплетка («плетенка») сдвигается в точке изгиба.
3. Качественное проведение монтажных работ.
4. Установка абонентских ответвителей в металлические ящики, которые не только повышают коэффициент радиоэкранной защиты, но и обеспечивают сохранность оборудования (минимизируют несанкционированный доступ). Заметим, что сильным «насасывающим» эффектом обладают традиционные F-коннекторы.
5. Использование не индивидуальных абонентских, а коллективных СМ, устанавливаемых на входе домового усилителя. За счет такого включения исключаются все абонентские шумы ингрессии. Недостатками такого подключения являются понижение скорости цифровых потоков как в прямом, так и в реверсном направлениях (скорости, гарантированные стандартом DOCSIS, делятся между N абонентами) и ограниченная протяженность витой пары, т.е. расстояние от СМ до абонента не должно превышать 100 м (на квартиру следует оставлять 40 м), в противном случае возникают временные коллизии.
Для устранения этих недостатков в одной домовой сети включают несколько коллективных СМ, располагая их в узловых точках стояков. Для лестничнообразных схем это вход стояка, а для звездообразных - середина стояка, что более удобно.
При включении коллективного СМ на входе домового усилителя абонентские шумы ингрес-сии (являющиеся основными источниками), не учитываются из-за исключения усилителя реверсного канала из состава домового усилителя. Такую функцию допускают далеко не все домовые усилители. Дело в том, что при удалении усилителя нарушается согласование в реверсном канале, что является недопустимым в силу возникновения переотражений и дальнейшего возможного ошибочного считывания цифровой информации по требованию эхосигналов.
Необходимо любыми способами позаботиться о согласовании в диапазоне RC. Очень удобными в эксплуатации являются усилители, в ко-
торых при удалении реверсного канала автоматически подключается согласованная нагрузка.
6. Использование диапазонных режекторных фильтров (ДРФ) ЯС. Это весьма эффективный и экономичный способ устранения шумов ингрес-сии от абонентов, не пользующихся услугами интерактивного сервиса. Практика показывает, что именно такие абоненты и являются основными поставщиками шумов ингрессии ввиду использования дешевого кабеля с низким коэффициентом радиоэкранной защиты. Включение ДРФ, являющегося по своему принципу построения фильтром верхних частот (ФВЧ), вносит потери в прямом канале не более 1 дБ и в реверсном канале не менее 25.30 дБ. Включение ДРФ на выходах каждого из абонентских отводов требует очень большого числа ДРФ, что экономически является невыгодным.
Рациональным решением является использование одного единственного качественного ДРФ, устанавливаемого в узловой точке звездообразной схемы стояка. При этом сами направленные ответвители могут включаться по традиционной лестничной структуре. Все ответвители, как обычно, размещаются в металлическом ящике, из которого выходят абонентские кабели, распределяющиеся затем на верхние и нижние этажи. Самый верхний ответвитель является резервным. К нему подключают «активных» абонентов. Остальные абоненты не имеют доступа по реверсному каналу и, следовательно, не вносят и шумов ингрессии. По мере увеличения числа «активных» абонентов, ДРФ переносят на одну «лесенку» ниже. Такая технология предельно проста, экономична и эффективна.
Изложенные выше способы борьбы с шумами ингрессии позволят значительно снизить их уровень и достигнуть при этом предельно возможных скоростей цифровых потоков.
Таким образом, рассмотрены факторы, обуславливающие шумы в реверсном канале. Показано, что к числу таких факторов следует отнести: топологическое исполнение сети; приведенный динамический диапазон усилителей реверсного канала; уровень входного сигнала; число усилителей в рассматриваемом кластере; отношение несущая/шум кабельного модема; уровни шумов СМ во временных интервалах между посылками; число включенных модемов; отношение несущая/шум оптической системы; полоса канала П; шумы ингрессии.
Также проанализированы основные, наиболее эффективные способы борьбы с шумами ингрессии. Показано, что к наиболее действенным из них следует отнести использование ВЧ-кабелей с коэффициентом радиоэкранной защиты не менее 75 дБ, качественное проведение монтажных работ, установку абонентских ответвителей в металлические ящики, использование не индивидуальных абонентских, а коллективных СМ, использование диапазонных режекторных фильтров (ДРФ) RC, а также избегание резких изгибов кабелей при их монтаже.
Показано, что типовой уровень выходного сигнала в реверсивном направлении должен быть 75...85 дБ-мкВ; минимальный - не менее
60...65 дБ-мкВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Артюшенко В.М. Оборудование для систем кабельного телевидения. - М.: ГАСБУ, 1997.
2. Кабельное телевидение 1999-2000. Справочник. -М.: Теле-Спутник Медиа, 2000.
3. Зима З.А., Колпаков, И.А., Романов А.А., Тюхтин М.Ф. Системы кабельного телевидения - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004.
4. CENELEC EN 50083. Cable networks for television signals, sound signals and interactive services (Кабельные сети для телевизионных сигналов, звуковых сигналов и интерактивных услуг).
5. ГОСТ Р 52023-2003. Сети распределительные систем кабельного телевидения. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений и испытаний.
6. Песков С.Н., Барг А.И., Нестеркин В.А. Основные положения по реверсному каналу. Ч. 1: Понятия и определения реверсного канала. - Сайт компании «Контур-М».
7. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание - М.: НИИР, 2001.
8. Песков С.Н., Барг А.И., Нестеркин В.А. Основные положения по реверсному каналу. Ч. 2: Сетевые технологии. - Сайт компании «Контур-М».
9. Песков С.Н., Колгатин С.Ю., Колпаков И.А. Основные положения по реверсному каналу. Ч. 3: Скорости цифровых поток в реверсном канале. -Сайт компании «Контур-М».
10.Березиков С.А., Радчиков В.Е. Расчет уровня сигнала на передатчике обратного канала. - Телеспутник , 2004, №1, с.62 - 64.
Поступила 15. 05. 2006
