数字HFC信道非线性产物对SNR的影响——关于欧盟ReDesign对HFC信道非线性研究的探讨

姚 永

（中广协会技术工作委员会，北京 100866）

最近看了一些资料，发现欧盟对数字化以后如何改善HFC网络性能做了大量基础研究。ReDesign的DVB-C2项目从信道模型开始，到信道编码、调制方式都提出了许多新思路。反观国内，虽然提出了NGB，但相应的基础研究实在太少。笔者愿以一孔之见引起业界重视，共同推动HFC网络的基础理论研究。

1 对欧盟非线性研究的理解

关于非线性，欧盟在ReDesign项目中进行了大量调研和信道测试、评估、仿真。根据他们的研究，有一个惊人的结论：影响数字信道总信噪比的非线性产物，不仅包括IM2（2阶互调非线性产物）和IM3（3阶互调非线性产物），还包括IM4（4阶互调非线性产物）和IM5（5阶互调非线性产物），甚至起主导作用的是后两项，如图1[1]所示。

ReDesign在原图没有标明是什么测量点的电平，因其代表相对值，以下假定是系统输出端电平。

图1清楚地表明了各类非线性产物对信噪比的影响，每条曲线的上升沿是热噪声主导的，弯曲以后是非线性主导的。非线性主导表明放大器有大量非线性产物产生。综上所述，总信噪比可表示为

单级放大器SNR热（模拟信道中应为CNR）=Si-2.4 dB-7.6 dB（笔者假定的放大器噪声系数）=Si-10 dB。5级放大器 SNR=Si-10 dB-（10lg5）dB=Si-17 dB，15级放大器SNR=Si-10 dB-（10lg15）dB=Si-22 dB，即相同输入电平下，15级放大器SNR热比5级低（10lg3）dB=4.8 dB。

同样的，15级放大器比5级放大器IM3组合产物高（20lg3）dB=9.6 dB，即非线性噪声的SNR非低（20lg3）dB（忽略IM2组合产物，笔者曾经证明过[2]，当不包含光纤系统时，影响电缆电视系统非线性的主要是IM3，IM2可以忽略；在频道数很大时，落入一个频道的IM3大体上跟频道数的平方成正比，IM2与频道数成正比）。

以上两点是基本常识。根据上面的研究，有两点值得探讨：

1）由于非线性和线性噪声都是15级放大器比5级差，因此总信噪比15级放大器永远比5级差。但图1中在大约71.25 dBμV处15级与5级相等，之后15级反而好于5级，这肯定不对。15级放大器曲线应该如图1最下方曲线所示，上升沿15级比5级低4.8 dB，下降沿15级比5级低9.6 dB。

2）如果ReDesign关于4阶、5阶非线性的研究结论是正确的，那一定是越高阶的非线性产物功率增长速度越快。放大器输出电平每增加Δ，则2阶产物增加2Δ，3阶产物增加3Δ，4阶产物增加4Δ，5阶产物增加5Δ。

图2[3]也说明了这点：互调非线性产物的阶数越高，斜率越大。但图中把噪声、IM2、IM3、IM4、IM5全都相交于一点不太科学。

图2 互调产物—信号电平曲线

上述推理都不能证明ReDesign关于高阶非线性产物作用超过低价产物作用的研究结论是正确的，只能说明结论可能正确的原因。结论是否正确必须经过进一步的定量理论研究或实验验证。

数字信道对非线性的要求比模拟信道低很多，模拟信道要求C/CTB和C/CSO均不小于54 dB，而数字信道只要求MER不小于23.5 dB（DVB-C中64QAM门限）和35 dB（DVB-C2中4096QAM门限）。因此在4阶、5阶产物没有增长到超过2阶、3阶产物之前，C/CTB和C/CSO就已经不能满足指标要求了。而数字信道在调制误差比超过门限时，4阶、5阶产物可能已经超过2阶、3阶产物了。这也许是对ReDesign研究结论的一种理论解释。但这种推论是否和实际一致也必须经过进一步的定量理论研究或实验验证。

2 我国HFC信道的仿真研究

中国网络实际情况一般不超过3级放大，正在朝无放大器方向发展。如果无放大器，两级光链路可以达到的指标是：在正常光调制度情况下，模拟96个频道CNR≥48 dB，（C/CTB）≥59 dB，（C/CSO）≥59 dB，相当于数字96个频道SNR热≥38 dB，SNR非≥56 dB。一般设计此时系统输出口数字信道输出电平为55 dB@8 MHz，比模拟信道低10 dB。SNR总≥-10lg(10-SNR热/10+10-SNR非/10)dB=37.93 dB。

单级放大器模拟信道输入电平一般设为71 dB，模拟96个频道CNR≥（71-2.4-7.6）dB=61 dB，（C/CTB）≥65 dB，（C/CSO）≥62 dB，相当于数字96个频道SNR热≥51 dB（数字信道电平比模拟信道低10 dB）。

图3中，依据国内光链路指标和延长放大器指标，分别计算两级光链路（国内多数是这种情况）、两级光链路+3级延长放大器（N+3）、两级光链路+15级延长放大器（N+15）情况下热噪声加IM2、IM3的系统输出口信噪比-输出电平（SNR-P0）特性曲线和热噪声加IM2、IM3、IM4、IM5的系统输出口SNR-P0特性曲线。国内光链路指标为CNR≥51 dB，（C/CTB）≥65 dB，（C/CSO）≥62 dB。延长放大器指标为噪声系数取7.6 dB，（C/CTB）≥66 dB，（C/CSO）≥64 dB。这当中还假设：第一，当PO=55 dBuV时符合上述指标；第二，当PO=60 dBμV时，IM3，IM4和IM5均相等。此时光链路为标准接收光功率和标准光调制度，且放大器工作在标称增益和标称输出，且IM2的载波干扰噪声比（CINR）与C/CSO相等，IM3的载波干扰噪声比与C/CTB相等。

从图3可以看出，电平越高，高阶非线性产物的作用越明显。可以认为，从热噪声主导信噪比开始，逐步过渡到2阶（可以通过电路形式和频谱配置降低）、3阶、4阶、5阶……主导，因此曲线斜率从正到负，负斜率从小到大，直至饱和区，变成一条垂直下降线，非线性产物雪崩产生。显然，N+3的情况下可以满足DVB-C24 096QAM调制的要求，N+15不满足。

实际应用当中应该好于图2，因为指标都有裕量。同时，在110～862 MHz频带内，不同频段指标也不同，一般低端优于高端，因此不排除低频段仍可能满足DVB-C24 096QAM调制的要求。图4[1]就可以说明这一点，这跟笔者平时测试结果一致。

图4[1]中，输入42个无调制载波，实线为实测，虚线为仿真。图4a中，f1=120 MHz，f2=416 MHz，f3=854.5 MHz；图4b中，f1=119.25 MHz，f2=423.25 MHz，f3=855.25 MHz。

3 对欧盟研究的验证方案

从图1可以看出，欧盟的HFC信道指标远高于我国，对此笔者持怀疑态度，但这的确值得跟踪研究。果真如此，HFC信道的可用度将大大提高，数字信道的调制指数将可以大大提高，这意味着频谱利用率将大大提高。

为了验证欧盟研究结论是否正确，并掌握非线性对数字信道的影响以及非线性与白噪声对数字信道影响的不同特点，需要进行HFC信道测量。

图5是模拟的现场测试环境，测试链路逐步增加网段，即首先测试1550 nm光链路，然后增加1310 nm光链路，再逐级增加放大器。

分两种情况测量：

第一种，测试中接收光功率分别取值-5 dBm，-4 dBm，…，2 dBm。在标准光调制度条件下保持光接收机输出电平和各级放大器输入输出电平为标称值不变，如光接收机调整范围达不到，就尽力而为，放大器也做同样处理。以不过载为原则，分别测量光调制度为-10 dB，-9 dB，…，0 dB，…，10 dB时输出口的信号电平、MER和BER。

第二种，在标准光调制度条件下，接收光功率为-4 dBm时，各级电平调整为标准值。保持光调制度不变，改变接收光功率为-10 dBm，-9 dBm，…，2 dBm，分别测量输出口的信号电平、SNR（CNR）、MER和BER。

4 小结

本文主要目的在于：1）验证欧盟关于4阶、5阶非线性的研究结论；2）了解我国HFC数字信道总信噪比理论指标与工程指标是否满足高调制指数要求。

笔者受条件限制，暂时无法进行实测。因此先把初步思考发表出来，希望有条件的研究机构、运营商或设备生产厂家能够一同协助完成这项研究和验证。

[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.电缆电视传输系统非线性产物分布[J].电视技术，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.