Опыт построения интерактивных мультимедийных кабельных сетей коллективного телевизионного приема

Сергей Песков, Алексей Шилов

Продолжение. Начало см. «625», № 8/2003 г. и № 1/2004 г.

Часть 3. Реверсный канал

Подключение модемов

В простейшем случае абонентский кабельный модем (СМ) подключается по абонентскому ВЧ-кабелю через абонентский сплиттер или направленный ответвитель (рис.1).

Рис. 1

Недостатком такого подключения является воздействие мощного выходного уровня СМ на антенный вход телевизора (до 118 дБмкВ) и, как следствие, появление помех на некоторых каналах телевизионного приема. Исследования подобных воздействий проводились в лабораториях компаний «В-Люкс» и «СтандарТелеком» на нескольких моделях телевизоров (в том числе отечественных) для наихудших условий (минимальный уровень телевизионного сигнала при максимальном выходном уровне СМ, 24 канала). Было установлено, что наихудшую помехозащищенность имеют телевизоры азиатского производства, а минимальный уровень развязки между СМ и антенным входом телевизора должен составлять 40…45 дБ (субъективная оценка качества изображения с учетом погрешности средств измерений).

Рис. 2

Поэтому для помехозащищенного подключения СМ в абонентскую линию желательно использовать абонентские ТВ-розетки (рис.2) со специальным выходом для подключения СМ (data). Такие абонентские ТВ-розетки с развязкой 55 дБ выпускают фирмы Hirschmann и Wisi. Если подключение FM-оборудования не предусматривается, то экономичнее использовать абонентские розетки РТА-30/47 или РТА-65/87, выпускаемые компанией «СтандарТелеком» (рис. 3). Эти розетки обладают развязкой не менее 55 дБ и рассчитаны на традиционные F-подключения, они поставляются в пластмассовом эстетичном корпусе (абонентский вариант) или без такового (субмагистральный вариант). Структурная схема РТА приведена на рис. 4 и не нуждается в пояснениях.

Рис. 3	Рис. 4

Рис. 5

Схемы исполнения стояков

В настоящее время используются две основные схемы исполнения стояков: лестничная (рис. 5) и звездообразная (рис. 6).

Лестничные структуры, пожалуй, имеют только одно достоинство — использование в стояке единственного кабеля. Существенным же их недостатком является значительный уровень шумов ингрессии, накапливаемых на абонентских кабелях (прокладываемых по квартире). Тем не менее, практика построения КСКТП показала, что при применении качественного абонентского кабеля (класса RG-6 с коэффициентом радиоэкранной защиты не менее 75 дБ) уровень шумов ингрессии невелик, и такие стояки могут быть использованы в интерактивных сетях.

Рис. 6

Значительно лучшими эксплуатационными характеристиками обладают звездообразные схемы включения абонентских разветвителей. В таких стояках возможна установка режекторных фильтров реверсного канала (ФРД-30/47 или ФРД-65/87, «СтандарТелеком»), которые в значительной мере устраняют абонентские шумы ингрессии. Упрощается и включение фильтров пакетирования (при формировании платных каналов), а также повышается защита от актов вандализма и несанкционированного подключения за счет установки абонентских разветвителей в комплекте с вспомогательным оборудованием в специальные металлические ящики (дополнительная радиоэкранная защита), закрываемые на замок. Недостатком звездообразной схемы является необходимость прокладки в одном стояке большого числа кабелей (стояковых и абонентских), что на практике не всегда возможно. В этом случае можно использовать гибридную схему включения стояков.

Рис. 7

Защита от шумов ингрессии является важным моментом при внедрении услуг интерактивного сервиса в любую КСКТП. Как уже отмечалось, скорость цифрового потока в реверсном канале определяется используемым форматом (QPSK или QAM), который в свою очередь зависит от отношения несущая/шум (рис. 7).

Практика расчетов и построения КСКТП показывает, что весомый вклад в мощность шумов по реверсному каналу вносят шумы ингрессии (пылесосы, электродрели, электромясорубки, компьютеры, стиральные машины, миксеры и т.п.). Радикальный способ борьбы с шумами ингрессии — использование кабелей с высоким коэффициентом радиоэкранной защиты (не менее 75 дБ в диапазоне реверсного канала).

Другим эффективным способом защиты от шумов ингрессии является применение коллективных кабельных модемов (ККМ), устанавливаемых на входе домового усилителя (рис. 8). При этом за счет включения РТА исключаются все абонентские шумы ингрессии на входе домового усилителя.

Рис. 8

Необходимо отметить, что даже для редких моделей домовых усилителей, допускающих отсутствие реверсного канала (обычно используется или усилительная, или пассивная вставка), желательно включение именно РТА (с режекторным фильтром реверсного канала), а не простого абонентского разветвителя. Это связано с тем, что уровень внеполосного излучения на выходе СМ, согласно стандарту DOCSIS, может достигать 46 дБмкВ, что с учетом развязки и уровней входных ТВ-сигналов на 10…25 дБ больше расчетных значений СТВ и CSO (происходит поражение некоторых телевизионных каналов). Как уже упоминалось, расстояние от ККМ до абонента (по витой паре) не должно превышать 100 метров, что накладывает определенные ограничения на данную схему. Для фиксированных абонентов (или наиболее удаленных) через традиционный сплиттер может быть подключен дополнительный экономичный усилитель с пассивным реверсным каналом (например, GHV 835, Hirschmann, Германия) (см. рис. 8). Для абонентов, подключаемых по ВЧ-кабелю через домовой усилитель, возможно предоставление гарантированной скорости потока (QoS).

Рис. 9

Другим вариантом помехозащищенного подключения ККМ является установка РТА в каждом из стояков (рис. 9).

При такой схеме подключения задействуется усилитель реверсного канала, встраиваемый в домовой усилитель, что практически снимает ограничение на длину витой пары, но увеличивает число ККМ (подключаемых по мере необходимости) и требуемый выходной уровень домового усилителя на 3 дБ (потери в РТА). Поэтому данная схема включения является более дорогостоящей.

Рис. 10

Минимальный уровень сигнала на выходе абонентского разветвителя в значительной степени определяет стоимость домового оборудования в расчете на одного абонента. Очевидно, что чем ниже уровень сигнала на выходе абонентского разветвителя, тем слабее может быть сигнал на выходе домового усилителя. А чем меньше требуемый уровень выходного сигнала, тем дешевле усилитель.

Принимая во внимание, что минимальный уровень сигнала на входе телевизора, согласно любому стандарту, должен составлять 60 дБмкВ, легко определить минимальный уровень сигнала на выходе абонентского разветвителя (рис. 10). Для конкретности рассуждений примем, что в качестве абонентского использован стандартный кабель класса RG-6 длиной 40 метров с погонными потерями 20 дБ/100 м на частоте 862 МГц. Из рисунков следует, что для подключения одного телевизора достаточен уровень сигнала 68 дБмкВ (рис. 10а), при подключении двух телевизоров необходимый уровень уже составит 72…74 дБмкВ (рис. 10б), а трех — 74…76 дБмкВ. Для абонента, пользующегося интерактивными услугами (рис. 10в), минимальный уровень сигнала в случае подключения только одного телевизора составит 71 дБмкВ, а двух — 75…77 дБмкВ.

Из проведенного анализа следует, что качественная сеть, ориентированная на подключение абонентами нескольких телевизоров или абонентов, пользующихся услугами интерактивного сервиса, должна рассчитываться исходя из уровня сигнала на выходе абонентского разветвителя 74…76 дБмкВ.

При ограниченных финансовых средствах, учитывая тот факт, что число «активных» абонентов в КСКТП не превышает 5…10%, часть затрат можно переложить на самих абонентов за счет установки в квартире дополнительного активного сплиттера на несколько направлений. Так как подобный усилитель не должен вносить искажений в транслируемый многоканальный сигнал, модель устройства лучше порекомендовать абонентам заранее, а желательная величина развязки между точками подключения телевизоров должна составлять не менее 36 дБ.

Рис. 11

Качественный вариант активного сплиттера, рассчитанный на подключение трех телевизоров и СМ (вместо кабельного модема может быть подключен и четвертый телевизор), выпускает компания «СтандарТелеком» (УАМ-30/47-3СМ и УАМ-65/87-3СМ), его структурная схема представлена на рис. 11. Такой сплиттер характеризуется уровнем интермодуляционных искажений (СТВ и CSO) не менее 82 дБ (42 канала) при выходном уровне не менее 78 дБмкВ. В данный активный сплиттер не входит резервная аккумуляторная батарея, поэтому при аварийном отключении электропитания прекращается доставка данному абоненту услуг всех видов. В настоящее время ведется работа по модернизации этого устройства для установки направленного ответвителя (для подключения СМ) непосредственно на его входе (энергонезависимая работа СМ).

Частотный диапазон реверсного канала

Исторически сложилось так, что частотный диапазон реверсного канала составляет 5…30 МГц. Это было вызвано тем, что частотный диапазон прямого канала начинался с 47 МГц, а для физической реализуемости частотного диплексера, входящего в состав усилителя, необходим некоторый частотный пробел. С момента реального внедрения услуг интерактивного сервиса (начало 90-х годов) выяснилось, что диапазона 5…30 МГц явно не хватает, и европейские страны единодушно расширили его до 5…65 МГц (прямой канал — с 87 МГц) и даже запретили ввод в эксплуатацию новых TВ-передатчиков диапазона MB I (47…68 МГц).

Рис. 12

Рис. 13

Неужели полосы в 25 МГц действительно недостаточно? Оказывается, да, и это вызвано двумя основными причинами.

Как уже отмечалось, в реверсном канале наблюдаются значительные шумы ингрессии, которые наиболее интенсивно проявляются в диапазоне 5-12…15 МГц (рис.12). В этом диапазоне шумы ингрессии могут равняться или даже превосходить по амплитуде исходный сигнал (шумы ингрессии носят импульсно-временной характер и зависят от времени суток). Таким образом, нижняя частотная точка в реверсном канале в лучшем случае может составить 12…15 МГц.

На границах частотного диапазона наблюдается спад АЧХ (рис. 13) на 1…3 дБ (в зависимости от качества изделия), что связано с коэффициентом возвратных потерь, и, следовательно, с неравномерностью группового времени задержки (ГВЗ), в значительной степени проявляющейся при каскадировании усилителей. Следовательно, диапазон частот 25…30 МГц также не может быть использован.

Поэтому, в лучшем случае, для использования пригоден диапазон в пределах 12…25 МГц (рис. 14), в котором могут разместиться не более четырех каналов с полосой 3,2 МГц (10,24 Мбит/с на канал). А ведь желательно еще позаботиться о частотном пробеле между каналами 0,8 МГц для возможного динамического сдвига по частоте на 0,4 МГц. Согласно же европейскому стандарту CENELEC EN 50083, под реверсный канал выделен диапазон 5…65 МГц, в котором размещается 15 каналов с полосой 3,2 МГц (см. рис. 14). Учитывая изложенное выше, при построении новой сети или модернизации уже имеющейся желательно сразу выделять диапазон 5…65 МГц или по крайней мере сразу проводить расчет на данный диапазон с последующей простой переустановкой модульных вставок реверсного канала.

Рис. 14

Необходимо также отметить, что диапазон 5…65 МГц не запрещен к использованию новым ГОСТ Р 52023-2003 «Сети распределительные систем кабельного телевидения», а для защиты от шумов ингрессии в усилителях некоторых фирм (Hirschmann, «СтандарТелеком», Telmor, Philips и др.) предусмотрены специальные коммутируемые (вручную или дистанционно посредством системы NMS) заградительные фильтры диапазона 5-10…20 МГц.

Шумы в реверсном канале (RC) вызывают следующие основные факторы:

• шумы ингрессии, природа которых рассмотрена выше. Данный вид шумов практически не поддается расчетам. Тем не менее, в качестве исходных данных можно порекомендовать использовать значение уровня шумов ингрессии 36…42 дБмкВ (в наихудший период времени с 19 до 23 часов), что хорошо согласуется с нормами CENELEC на телевизионные приемники;
• тепловые шумы усилителей RC, которые полностью аналогичны шумам прямого канала. Приведенный динамический диапазон усилителя RC составляет:
  C / N [дБ] = U_вх [дБμВ] - F [Дб] - 5,2 - 10·lg П [МГц]   (1)
  где U_вх — уровень входного сигнала, F — коэффициент шума усилителя RC, П — полоса пропускания RC;
• из уравнения (1) следует, что усилители RC необходимо использовать при повышенных входных уровнях (не менее 80 дБмкВ), что создаст защиту не только от абонентских, но и от дополнительных шумов ингрессии. Отсюда вытекает и косвенный вывод — желательно выбирать усилители RC с аттенюаторами, установленными на его входе. Такая возможность предусмотрена в усилителях фирм Hirschmann, Arcodan, «СтандарТелеком» и некоторых других;
• шумы собственно СМ (согласно DOCSIS — 40 дБc) непосредственно в полосе канала;
• шумы от СМ в промежутках между посылками (согласно стандарту DOCSIS — 72 дБc);
• шумы оптической системы в реверсном направлении (до входа CMTS).

Типовое значение несущая/шум (C/N) составляет 35…45 дБ и зависит от класса оптической системы и режимов ее использования.

Каждую из этих шумовых составляющих (до входа CMTS) рассчитывают независимо, так как данные виды шумов не коррелируют между собой, а затем, при известном уровне входного сигнала (от СМ), вычисляют C/N.

Таким образом, исходными данными для расчета C/N RC являются:

• C/N оптической системы (передатчик-приемник RC);
• C/N кабельного модема (40 дБc);
• защитное отношение кабельного модема (72 дБc);
• число кабельных модемов в кластере;
• полоса канала;
• число абонентов в сети (только при отсутствии коллективных кабельных модемов);
• приведенный динамический диапазон (1) усилителя RC (для наихудшего случая);
• число усилителей RC (усилители с пассивной вставкой реверсного канала не учитывают).

На основании исходных данных специалистами ЗАО «B-Люкс» была разработана программа для оперативного расчета шумовых характеристик реверсного канала. Проведенные расчеты показали, что для большинства практических случаев C/N RC без учета шумов ингрессии для коаксиальных кластеров с числом абонентов 500… 5000 лежит в пределах 31…35 дБ, а C/N оптической системы составляет 40 дБ.

Искажения в реверсном канале зависят от динамического диапазона усилителя RC, рабочего уровня его выходного (при аттенюаторе, установленном на входе усилителя) или входного (при аттенюаторе, установленном на выходе усилителя) сигналов, количества усилителей в кластере (а не только от числа каскадируемых усилителей в рассматриваемой ветви) и задействованных каналов в RC.

Практика расчетов КСКТП показывает, что если устанавливаемый рабочий уровень усилителя RC (входной или выходной) на 10 дБ ниже паспортного значения (что в большинстве случаев и наблюдается), то расчетные значения СТВ и CSO даже для четырех каналов будут заведомо лучше требуемых стандартом DOCSIS. Фактически это означает, что если паспортное значение максимального выходного уровня усилителя RC составляет 112…118 дБмкВ (2 канала), то расчеты по СТВ и CSO можно не проводить.

Число абонентов в коаксиальном кластере. Подавляющее большинство HFC КСКТП в России построено, строятся и проектируются исходя из нагруженности каждого из оптических приемников 2000…3500 абонентов. Данное число выбрано с учетом минимизации финансовых затрат, приходящихся на оптическую сеть. Возможно ли внедрение интерактивных услуг в таких кластерах? К сожалению, однозначный ответ на этот вопрос дать нельзя. Все зависит от видов предоставляемых услуг (телефония или Интернет) и реализованного значения C/N RC на входе CMTS. Многое будет определяться и видом используемой CMTS, точнее — числом приемников RC (см. «625» № 1/2004).

Так, если CMTS имеет только четыре входа (Cisco), то максимальная суммарная скорость цифрового потока в RC по всей КСКТП составит 41 Мбит/с. А если использована CMTS с восемью входами (Arris), то скорость уже будет равна 82 Мбит/с. При этом необходимо учитывать, что полезная информационная скорость составляет порядка 50% от расчетной.

В табл. представлены реально реализуемые скорости и максимальное число «активных» абонентов в КСКТП для одной CMTS в случае пользования телефонией (64 кбит/с на абонента) и при условии одновременной работы не более 40% абонентов (в период максимальной загруженности).

Количество абонентов					Резерв скорости, Мбит/с
FC	64QAM		256QAM		64QAM		256QAM
RC	QPSK	16QAM	QPSK	16QAM	QPSK	16QAM	QPSK	16QAM
4 входа	400	800	400	800	26,6 FC	0,96 FC	43,9 FC	18,3 FC
8 входов	800	815	800	1086	0,96 FC	50,2 RC	18,3 FC	32,9 RC
Принятые сокращения: FC – прямой канал, RC – реверсный канал

Из приведенных данных видно, что CMTS с четырьмя входами не имеет резерва в скоростях по реверсному каналу ни при каких соотношениях форматов модуляции в прямом и реверсном каналах.

Таким образом, для достижения максимальной скорости в прямом канале (на абонента) число абонентов в коаксиальном кластере не имеет значения. А вот для обеспечения максимальной скорости в реверсном канале число абонентов должно быть как можно меньше. Резерв в скоростях по реверсному каналу позволяет реализовать такие востребованные услуги, как системы видеонаблюдения и диспетчеризации (см. «625» № 8/2003).

Продолжение следует