數字HFC信道非線性產物對SNR的影響——關于歐盟ReDesign對HFC信道非線性研究的探討

姚 永

（中廣協會技術工作委員會，北京 100866）

最近看了一些資料，發現歐盟對數字化以后如何改善HFC網絡性能做了大量基礎研究。ReDesign的DVB-C2項目從信道模型開始，到信道編碼、調制方式都提出了許多新思路。反觀國內，雖然提出了NGB，但相應的基礎研究實在太少。筆者愿以一孔之見引起業界重視，共同推動HFC網絡的基礎理論研究。

1 對歐盟非線性研究的理解

關于非線性，歐盟在ReDesign項目中進行了大量調研和信道測試、評估、仿真。根據他們的研究，有一個驚人的結論：影響數字信道總信噪比的非線性產物，不僅包括IM2（2階互調非線性產物）和IM3（3階互調非線性產物），還包括IM4（4階互調非線性產物）和IM5（5階互調非線性產物），甚至起主導作用的是后兩項，如圖1[1]所示。

ReDesign在原圖沒有標明是什么測量點的電平，因其代表相對值，以下假定是系統輸出端電平。

圖1清楚地表明了各類非線性產物對信噪比的影響，每條曲線的上升沿是熱噪聲主導的，彎曲以后是非線性主導的。非線性主導表明放大器有大量非線性產物產生。綜上所述，總信噪比可表示為

單級放大器SNR熱（模擬信道中應為CNR）=Si-2.4 dB-7.6 dB（筆者假定的放大器噪聲系數）=Si-10 dB。5級放大器 SNR=Si-10 dB-（10lg5）dB=Si-17 dB，15級放大器SNR=Si-10 dB-（10lg15）dB=Si-22 dB，即相同輸入電平下，15級放大器SNR熱比5級低（10lg3）dB=4.8 dB。

同樣的，15級放大器比5級放大器IM3組合產物高（20lg3）dB=9.6 dB，即非線性噪聲的SNR非低（20lg3）dB（忽略IM2組合產物，筆者曾經證明過[2]，當不包含光纖系統時，影響電纜電視系統非線性的主要是IM3，IM2可以忽略；在頻道數很大時，落入一個頻道的IM3大體上跟頻道數的平方成正比，IM2與頻道數成正比）。

以上兩點是基本常識。根據上面的研究，有兩點值得探討：

1）由于非線性和線性噪聲都是15級放大器比5級差，因此總信噪比15級放大器永遠比5級差。但圖1中在大約71.25 dBμV處15級與5級相等，之后15級反而好于5級，這肯定不對。15級放大器曲線應該如圖1最下方曲線所示，上升沿15級比5級低4.8 dB，下降沿15級比5級低9.6 dB。

2）如果ReDesign關于4階、5階非線性的研究結論是正確的，那一定是越高階的非線性產物功率增長速度越快。放大器輸出電平每增加Δ，則2階產物增加2Δ，3階產物增加3Δ，4階產物增加4Δ，5階產物增加5Δ。

圖2[3]也說明了這點：互調非線性產物的階數越高，斜率越大。但圖中把噪聲、IM2、IM3、IM4、IM5全都相交于一點不太科學。

圖2 互調產物—信號電平曲線

上述推理都不能證明ReDesign關于高階非線性產物作用超過低價產物作用的研究結論是正確的，只能說明結論可能正確的原因。結論是否正確必須經過進一步的定量理論研究或實驗驗證。

數字信道對非線性的要求比模擬信道低很多，模擬信道要求C/CTB和C/CSO均不小于54 dB，而數字信道只要求MER不小于23.5 dB（DVB-C中64QAM門限）和35 dB（DVB-C2中4096QAM門限）。因此在4階、5階產物沒有增長到超過2階、3階產物之前，C/CTB和C/CSO就已經不能滿足指標要求了。而數字信道在調制誤差比超過門限時，4階、5階產物可能已經超過2階、3階產物了。這也許是對ReDesign研究結論的一種理論解釋。但這種推論是否和實際一致也必須經過進一步的定量理論研究或實驗驗證。

2 我國HFC信道的仿真研究

中國網絡實際情況一般不超過3級放大，正在朝無放大器方向發展。如果無放大器，兩級光鏈路可以達到的指標是：在正常光調制度情況下，模擬96個頻道CNR≥48 dB，（C/CTB）≥59 dB，（C/CSO）≥59 dB，相當于數字96個頻道SNR熱≥38 dB，SNR非≥56 dB。一般設計此時系統輸出口數字信道輸出電平為55 dB@8 MHz，比模擬信道低10 dB。SNR總≥-10lg(10-SNR熱/10+10-SNR非/10)dB=37.93 dB。

單級放大器模擬信道輸入電平一般設為71 dB，模擬96個頻道CNR≥（71-2.4-7.6）dB=61 dB，（C/CTB）≥65 dB，（C/CSO）≥62 dB，相當于數字96個頻道SNR熱≥51 dB（數字信道電平比模擬信道低10 dB）。

圖3中，依據國內光鏈路指標和延長放大器指標，分別計算兩級光鏈路（國內多數是這種情況）、兩級光鏈路+3級延長放大器（N+3）、兩級光鏈路+15級延長放大器（N+15）情況下熱噪聲加IM2、IM3的系統輸出口信噪比-輸出電平（SNR-P0）特性曲線和熱噪聲加IM2、IM3、IM4、IM5的系統輸出口SNR-P0特性曲線。國內光鏈路指標為CNR≥51 dB，（C/CTB）≥65 dB，（C/CSO）≥62 dB。延長放大器指標為噪聲系數取7.6 dB，（C/CTB）≥66 dB，（C/CSO）≥64 dB。這當中還假設：第一，當PO=55 dBuV時符合上述指標；第二，當PO=60 dBμV時，IM3，IM4和IM5均相等。此時光鏈路為標準接收光功率和標準光調制度，且放大器工作在標稱增益和標稱輸出，且IM2的載波干擾噪聲比（CINR）與C/CSO相等，IM3的載波干擾噪聲比與C/CTB相等。

從圖3可以看出，電平越高，高階非線性產物的作用越明顯。可以認為，從熱噪聲主導信噪比開始，逐步過渡到2階（可以通過電路形式和頻譜配置降低）、3階、4階、5階……主導，因此曲線斜率從正到負，負斜率從小到大，直至飽和區，變成一條垂直下降線，非線性產物雪崩產生。顯然，N+3的情況下可以滿足DVB-C24 096QAM調制的要求，N+15不滿足。

實際應用當中應該好于圖2，因為指標都有裕量。同時，在110～862 MHz頻帶內，不同頻段指標也不同，一般低端優于高端，因此不排除低頻段仍可能滿足DVB-C24 096QAM調制的要求。圖4[1]就可以說明這一點，這跟筆者平時測試結果一致。

圖4[1]中，輸入42個無調制載波，實線為實測，虛線為仿真。圖4a中，f1=120 MHz，f2=416 MHz，f3=854.5 MHz；圖4b中，f1=119.25 MHz，f2=423.25 MHz，f3=855.25 MHz。

3 對歐盟研究的驗證方案

從圖1可以看出，歐盟的HFC信道指標遠高于我國，對此筆者持懷疑態度，但這的確值得跟蹤研究。果真如此，HFC信道的可用度將大大提高，數字信道的調制指數將可以大大提高，這意味著頻譜利用率將大大提高。

為了驗證歐盟研究結論是否正確，并掌握非線性對數字信道的影響以及非線性與白噪聲對數字信道影響的不同特點，需要進行HFC信道測量。

圖5是模擬的現場測試環境，測試鏈路逐步增加網段，即首先測試1550 nm光鏈路，然后增加1310 nm光鏈路，再逐級增加放大器。

分兩種情況測量：

第一種，測試中接收光功率分別取值-5 dBm，-4 dBm，…，2 dBm。在標準光調制度條件下保持光接收機輸出電平和各級放大器輸入輸出電平為標稱值不變，如光接收機調整范圍達不到，就盡力而為，放大器也做同樣處理。以不過載為原則，分別測量光調制度為-10 dB，-9 dB，…，0 dB，…，10 dB時輸出口的信號電平、MER和BER。

第二種，在標準光調制度條件下，接收光功率為-4 dBm時，各級電平調整為標準值。保持光調制度不變，改變接收光功率為-10 dBm，-9 dBm，…，2 dBm，分別測量輸出口的信號電平、SNR（CNR）、MER和BER。

4 小結

本文主要目的在于：1）驗證歐盟關于4階、5階非線性的研究結論；2）了解我國HFC數字信道總信噪比理論指標與工程指標是否滿足高調制指數要求。

筆者受條件限制，暫時無法進行實測。因此先把初步思考發表出來，希望有條件的研究機構、運營商或設備生產廠家能夠一同協助完成這項研究和驗證。

[1]ReDesign.Methodology for specifying HFC networks and components[EB/OL].[2011-02-02].http：//www.ict-redesign.eu/fileadmin/documents/ReDeSign-D10_Methodology_for_Specifying_HFC_networks_and_components.pdf.

[2]姚永.電纜電視傳輸系統非線性產物分布[J].電視技術，1994，18（4）：11-16.

[3]ETSI TS 102991，Digital Video Broadcasting（DVB）；implementation guidelines for a second generation digital cable transmission system（DVB-C2）[S].2010.