反向通路NPR测试研究论文

反向通路NPR测试研究摘要：本文提出了一种简单的反向NPR测试方法，成本低廉但非常有效,对反向设备的NPR进行了较为全面的测试，总结出了反向光设备选择的一些重要原则。在双向HFC网中，经过多年的实践，正向信号的传输质量比较容易控制，但反向传输相对较难，尤其是反向载噪比的指标较难保证，成为开展双向业务的重要制约因素。为彻底解决这一问题，有必要对反向通路的载噪比进行测试，以求逐步解决传输中存在的问题。一、噪声功率比NPR在有线电视模拟系统的正向传输中，有三个关键指标：C/N、CTB和CSO。信号电平过低，C/N下降，信号出现雪花。信号电平过高，放大器和激光器的非线性失真会使C/CTB和C/CSO的指标迅速劣化。在反向系统中，信号均为数字调制信号，在频域上类似噪声，二次失真和三次失真的产物仍然类似噪声，因此非线性失真会使整个上行系统的噪声升高，从而降低系统的载噪比。在模拟系统中CNR是表示载波与噪声功率之比，但是在数字系统中，这种方法不能准确科学地表示系统中的数字信道功率与噪声功率比，因为在数字系统中噪声包括各种失真，噪声和非线性失真产生同一种现象，很难进行严格区分，于是采用噪声功率比（NPR）表示数字系统中的载噪比和非线性失真。激光器即将产生削波但又未出现削波现象的驱动电平称为最大驱动电平。在一般情况下，随着激光器驱动电平的提高，系统的NPR会逐步提高，但当驱动电平高于削波值时，由于产生削波失真系统的NPR开始下降，光发射机进入非线性区，数字信号的误码率将会急剧上升。一个运行良好的双向系统，要尽量避免出现信号过低和过高造成NPR下降的情况，因此我们决定首先对反向通路无论是正向还是反向，如果光发射机被过高的射频电平驱动，则会削波失真,的NPR进行测试，包括光设备、放大器和整个链路的指标进行测试，目的是找出反向光发射、反向光接收机和放大器的最佳工作点。二、NPR的测试方法测试目的是对通路指标进行测试，不是测试设备的最高指标，因此测试方法只要满足一定的精度，能解决实际问题即可。查阅产品资料，DFB反向光发射机的NPR为40dB，FP发射机为35-37dB，且实际应用中从成本角度考虑一般都选用FP光机。因此，测试信号源的NPR只要为50dB左右即可。宽带噪声发生器产生的信号经过低通滤波器，形成一个5-40MHz带状信号模拟反向业务的全部信号，再经过一个中心频率为30MHz、带宽为5MHz左右的带阻，形成一个槽状的信号，这就是进行NPR测试的信号源，其NPR值为49dB。信号源再经过一个可变衰减器调节信号幅度，然后将其送入光节点。经过一段光纤连接到光接收机，光接收机输出的射频信号输入到频谱分析仪，进行NPR的测量。由于测试要搭建一个链路，因此NPR的测量结果实际上是整个链路的NPR。在这个链路中，影响NPR的有光发射机、光纤、光接收机，因此需分步测量：当光接收功率一定、光接收机的射频放大量一定时，改变光发射机的驱动电平测量链路的NPR，确定光发射机的最佳驱动电平。光接收机的射频放大量一定，改变光的接收功率，再测量链路的NPR，看当光功率改变时，最佳驱动电平是否改变。当光的接收功率一定，改变接收机的射频放大量，再测量链路的NPR，看当接收机的射频放大量改变时，最佳驱动电平是否改变。结合上面三个步骤，确定反向光发射机的最佳工作范围。为使数据更准确，测试中选择了两个厂家的产品，每个厂家又分别选择若干个主流产品进行测试。三、反向NPR测试过程实验一：反向光接收功率对光节点最佳工作点的影响 实验器材：TAK正向光发射机TLL、TAK DT10光节点，反向光发模块FPL（不制冷FP），TAK反向光接收机LR（射频放大增益置于最小处）反向接收光功率(dBm)光激励功率(dBV)接收信号功率(dBV/Hz)接收噪声功率(dBV/Hz)NPR（dB）-8.7681.314.1-8.923.083.715.6-8.424.085.717.5-8.325.888.218.7-7.626.390.120.4-6.126.591.021.2-5.026.292.823.00.222.8-6.7582.916.1-6.122.284.618.3-5.623.986.920.5-3.924.489.823.2-3.126.391.024.3-1.325.694.228.05.122.9-4.9582.118.8-2.321.184.621.7-1.823.586.724.2-1.425.689.427.00.126.991.028.21.926.394.231.27.523.7上表中给出的光激励电平是指反向光发模块测试点的总功率，由本实验可得出以下三个结论：1 光接收功率不变，光发射模块的驱动电平每增加1dB，接收电平增加1dB；驱动电平不变，光接收功率增加1dB，接收电平增加2dB，这与正向传输的情况完全相同。2 从测试结果看，当反向光发射模块射频驱动电平相同，光接收功率不同，链路的NPR值基本相同。厂家的手册上也说明，只要光接收功率在标称范围内，NPR的变化范围不超过1dB。3 反向光发射模块的最佳工作点在90dBV左右。实验二：反向光接收机射频增益对最佳工作点的影响实验器材：TAK正向光发射机TLL、DT10光节点，反向光发模块FPL（不制冷FP），TAK反向光接收机LR（光接收功率6.75 dBm）反向接收光功率(dBm)光激励功率(dBV)接收信号功率(dBV/Hz)接收噪声功率(dBV/Hz)NPR（dB）-6.75射频放大增益置于中间处81.825.14.220.984.428.64.723.987.130.94.826.189.834.16.727.492.036.29.127.194.638.514.324.2-6.75射频放大增益置于最大处80.835.515.220.384.038.715.323.486.541.215.625.689.844.116.727.491.346.118.727.494.448.726.122.6-6.75射频放大增益置于最小处82.916.1-6.122.284.618.3-5.623.986.920.5-3.924.489.823.2-3.126.391.024.3-1.325.694.228.05.122.9结论：反向光接收机射频增益对光节点最佳工作点基本没有影响。光反向发射模块的最佳工作点在90dBV左右。结合实验一、二可以看出，无论反向光接收机接收光功率和射频放大量如何改变，在最佳工作点上测试系统NPR值大约都在26-27dB，NPR曲线基本一致，也就是说，在系统调试中可不考虑接收光功率和射频放大量对系统的影响，按实际情况,结合CMTS的有关技术要求，选择适当的接收光功率和射频放大量。实验三：REM MG100光节点最佳工作点的测量实验器材：TAK正向光发射机TLL，REM双向光节点MG100，反向光发模块FPI，TAK反向光接收机LR，光节点反向输入电平：91.3 dBV，光激励功率(dBV)接收信号功率(dBV/Hz)接收噪声功率(dBV/Hz)NPR（dB）7756.532.024.57655.525.030.57554.522.032.57454.018.036.07353.014.039.07252.311.041.371.552.011.041.07050.59.041.56949.07.042.06848.06.841.26746.85.841.06646.05.340.76544.55.039.5结论：光节点的最佳驱动电平为69-70 dBV。实验四：REM 反向光接收机工作点确定 实验器材：TAK正向光发射机TLL，REM双向光节点MG100，反向光发模块FPI（隔离不制冷FP），REM反向光接收机AOPR反向接收光功率(dBm)光发射模块驱动电平(dBV)接收信号功率(dBV/Hz)接收噪声功率(dBV/Hz)NPR（dB）-8.7669.49.2-25.034.214.0-22.836.816.8-21.438.219.8-18.338.122.2-15.637.825.0-13.538.527.0-11.738.729.0-11.040.0-6.7569.414.0-22.536.518.4-20.038.420.0-20.040.022.3-18.540.826.0-15.041.028.4-13.541.930.0-11.841.833.0-9.042.0-4.9569.416.4-21.537.918.3-19.538.820.0-18.738.723.5-17.040.727.0-14.541.530.0-10.140.133.5-6.940.436.1-4.240.3结果分析：由于已经确定MG100光节点的最佳驱动电平，因此此次测量将驱动电平固定在最佳驱动电平上，只改变输入光功率和射频放大量的大小。测试结果和结论基本与实验二相同。但在较高的输入光功率时，NPR最大值处不在射频放大量最大处。这是因为射频放大量加大实际上是将光接收机内部的衰减减少，载噪比有所提高；但在高电平下失真将加大，因此在较高的光功率下合成的NPR会随着射频放大量加大而出现些许下降。说明光接收机不宜工作在过高的电平状态。实验五：射频链路工作电平的选择（TAK光节点）在光节点后分别加入进口干放和国产楼放，每种放大器分别使用原配模块和标准模块，测试时保持光发射模块的驱动电平为最佳值。实验器材：TAK正向光发射机TLL，TAK DT10光节点，反向光发模块TAK FPL（不制冷FP），反向光接收机TAK LR，REM 干放，国产三模块楼放射频放大器射频反向放大模块射频输入功率(dBV)射频输出功率(dBV)光激励功率(dBV)NPR（dB）进口干放干放原配25dB模块79.196.089.021.987.9104.789.328.5PhilipsBGY6879.6101.391.520.090.5111.890.425.5国产楼放干放原配25dB模块79.8101.191.425.090.5111.191.426.5PhilipsBGY6879.6106.090.322.090.5116.691.427.5PhilipsBGY66B80.3101.991.823.090.4111.691.726.0试验结论：1 进口干放配上原配标准模块有较好的表现。2 同时通过对不同输入电平的比较，可以看出，当放大模块工作在高电平状态下的时候，抗干扰能力有较大幅度的提高，NPR值较高；而且高增益模块在楼放上使用时，其性能并不比低增益模块差。3 无论使用何种放大器，当放大器工作在推荐输入电平值时，整个链路的整体NPR值与单个光节点的指标相同，不会对系统指标造成影响。实验六：射频链路工作电平的选择（MG100光节点）实验器材：TAK TLL正向光发射机，REM MG100光节点，反向光发模块FPI，反向光接收机TAK LR， REM 干放，国产三模块楼放射频放大器射频反向放大模块射频输入功率（dBV）射频输出功率（dBV）光激励功率（dBV）NPR（dB）进口干放干放原配25dB模块80.096.868.541.090.0106.868.541.0干放原配30dB模块80.0101.668.539.790.0111.968.540.5国产楼放干放原配25dB模块80.0101.669.040.090.0111.669.138.0干放原配30dB模块80.0106.168.839.090.0115.769.039.3结论：对于使用MG100光节点的反向链路，在使用高反向输入电平（90 dBV）指标改善不明显，因此可考虑不同的链路和实际情况选择80-90 dBV之间任意一值。同时和实验三比较可以看出，在同样的射频链路下使用不同的光节点有不同的NPR，而且此时NPR值接近单独测试光节点的NPR，也就是说整个反向链路的性能由光节点的性能决定。由以上六个实验总结如下：1、 整个反向链路的NPR由光节点决定。2、 反向光接收光功率和射频增益量大小对系统的NPR的影响很小，在实际使用中可根据链路情况进行归一化设置。3、 反向放大器工作在较高的射频输入电平下有较好的抗干扰性能。4、 高增益反向放大模块的性能和低增益反向放大模块相差不大。5、 REM MG100光节点的NPR比TAK DT10光节点要好约12-14dB。四、实验结果的验证分析1光接收功率不影响NPR值的原因有线电视的反向传输和正向传输都采用直接调制光纤方式传输信号，系统的总噪声一般主要由激光器的相对强度噪声、探测器的散粒噪声和放大器的热噪声组成，其表达式分别为：相对强度载噪比：（C/N）RIN=m2/(2RIN*B)用dB表示为：（C/N）RIN=10lgm2-10lg2-10lgB-RIN探测器的散粒噪声：（C/N）SN=m2RSPi/(4eB)用dB表示为：（C/N）SN=20lgm+10lgRS+10lgPi-10lg4-10lgB-10lge放大器的热噪声:（C/N）AN=(mRSPi)2RL/(8kTBF)用dB表示为：（C/N）AN=20lgm+20lgRS+20lgPi+10lg4+10lgRL-10lg8-10lgkTBF式中，m为光调制系数22.6%；B为系统带宽35MHz；RIN为激光器相对强度噪声130dB/Hz；RS为光检测二极管光电转化响应度0.85A/W；Pi为光接收机接收的入射功率，e为电子电量（1.6X10-19库）；RL为光电二级管负载，取5000欧姆；k为波耳兹曼常数（1.38X10-23J/K）；T为放大器输入端的绝对温度，取300K；F为放大器的噪声系数，取8dB，将以上各值带入公式计算。某光发射模块的系统噪声输入光功率dBm（C/N）RINdB（C/N）SNdB（C/N）ANdB（C/N）总dB-338.6359.8766.0238.59-438.6358.8764.0238.58-538.6357.8762.0238.56-638.6356.8760.0238.54-738.6355.8758.0238.50-838.6354.8756.0238.45-938.6353.8754.0238.38-1038.6352.8752.0238.28-1138.6351.8750.0238.14-1238.6350.8748.0237.93-1338.6349.8746.0237.64-1438.6348.8744.0237.22-1538.6347.8742.0236.65-1638.6346.8740.0235.90 由计算结果可知，在回传光纤系统中，系统噪声主要由激光器的相对强度噪声组成，当接收光功率在11dBm以上时，系统的载噪比基本没有变化；接收光功率为16dBm，系统的载噪比只下降了2dB左右。由此可见，理论分析和实测的结果完全吻合。开设分前端后，光节点距分前端的距离一般不超过15公里，光纤损耗为6dB，FP光模块的发射功率一般为3dBm，则光接收功率大于9dBm。在这个范围内，反向光接收功率不影响系统的NPR值。2两种光节点NPR值差别较大的原因完成前面六个试验后，对主要的结论大家没有分歧，但为什么同为进口产品，两种光节点指标相差如此之大的情况呢？尤其是DT10的指标，NPR指标仅为26dB左右，刚刚满足DOSCIS标准的要求。这是在实验室条件下测得的指标，还没有考虑到侵入噪声的影响。根据实测数据，夜晚的侵入噪声要比白天高10dB以上，使用这种光节点，系统将无法正常运作。事实上，这正是我们要进行NPR测试的原因。在实际的网络中，我们发现少数光节点的CM经常掉线，CMTS显示是因C/N达不到要求造成的。为慎重起见，我们请有关的设备供应商共同测试，并请他们根据厂家的要求，从国外进口与其试验室相同的测试设备进行对比试验。根据传统的测试方法，要求陷波器的带宽很窄，测试信号源的NPR值大于55dB以上，这样才能保证测试精度。为此，厂家特地从国外提供了输出功率为105dBV的噪声发生器，陷波带宽仅为30kHz的滤波器，陷波后信号源的NPR为54dB。经双方测试人员多次比较，测试结果基本一致，两种测试方法的误差不超过2dB，证明我们的测试原理正确。传统方法的信号总带宽为35MHz，我们测试的滤波器宽度为5MHz，有效信号带宽为30MHz， 这有可能会减少了一部分二次失真和三次失真，但因系统已基本工作在满负荷状态，测试结果的误差不会太大，而且实际的系统往往都不会工作在满负荷状态，这与 正向传输时的道理和情况基本相同。文章的开头已经说明，本次测试的目的是解决实际问题，对设备进行对比测试，并不是要测试设备本身的实验室指标，因此对精 度的要求可稍微放宽一点，同时也考虑到了滤波器的制作难度，力求测试方法简单有效。有了前面的测试基础和结论，我们决定重点对光节点再次进行测试，在保持光接收功率和射频增益不变的情况下，对多个型号的反向光发射模块和光节点再次进行测试。首先，我们对前面两种光节点射频底板也进行了分析和测试，在射频输入口输入NPR为49dB的测试信号，并使光发射模块输入口的驱动电平为最佳值，测试该处信号的NPR值。测得MG100该处NPR值依旧为49dB，DT10为38dB。将有关情况向厂家反应后，厂家称该款产品为97年的产品，早已停产，改用DT20。其射频底板已作了相当的改进，同一反向光模块，安装在DT20中，光节点的NPR最佳值上升了11dB。分析其射频底板，两种光机反向的简化电路如下：由图可见，两种光机的最大区别在于光发射模块前有无衰减。在前面的测试我们已经知道，光发射模块的驱动电平是一个定值。在射频放大模块后增加一片式衰减，可提高放大模块的输入电平，从而提高信号的载噪比，防止出现射频放大电路占用指标的情况。对于DT20而言，虽然放大模块的指标与DT10一样，但在实际使用时可先在第二个衰减器处插入10dB的衰减，光模块为最佳驱动电平时，模块的信号输入电平可提高到87 dBV，比DT10的输入电平要提高了10dB，从而提高了射频部分的NPR。因此，光节点内部的射频链路设计是否合理十分关键，否则会严重影响系统的整体指标。四种光节点的测试结果分别如下（光机内部按最佳方式设置，输入电平为光机电缆输入口处的电平）：TAK DT20 测试结果（反向光发模块FPL，塑料壳）：输入电平（dBV）797775747270NPR（dB）262834373232TAK DT20 测试结果（反向光发模块FPL，金属壳）：输入电平（dBV）89878583817977NPR（dB）38384040.540.440.438REM MG100测试结果（反向光发模块FPI）：输入电平（dBV）89878583817977NPR（dB）39.7434342.540.83936.5REM MG200测试结果（反向光发模块FPI）：输入电平（dBV）858483828180NPR（dB）394142434343.5在最后的测试中，我们发现部分被测光机需预热一小时以上才能进入最佳状态，这一点是我们一开始没有注意到的，因此部分数据与前面的实验有细微的区别。换句话说，在实际网络施工中，也应先预热设备后再进行调试。由测试结果可知，TAK非金属的反向光模块的指标明显要比金属模块的低510dB，不宜继续使用。对该厂家的产品而言，必须采用DT20和 金属模块才能获得好的指标。在进行测试之前，我们不知道非金属模块的指标较差，对与金属模块的差别何在也并不清楚，通过测试找出了原有网络中个别光节点反 向载噪比过低的主要原因是使用了非金属模块（已使用的数量很少），而不是由反向汇聚噪声造成的。这个教训非常深刻，再次提醒我们任何关键设备的使用都应进 行严格测试，稍有不慎，即使是著名厂家的产品，型号选择不正确，网络的性能指标也无法保证。同时，在查找网络故障时，必须保持清醒的头脑，对故障现象进行 细致分析，才能找出真正的原因。DOSCIS要求系统的C/N要大于25dB，预留给侵入噪声10dB的余量，再考虑到现阶段在前端还需要将多路回传信号混合后在送入CMTS，还需要4dB以上的余量，则系统的载噪比应在39dB以上。结合前面的测试，我们已经可以得出对光节点反向指标的具体要求：对于使用FP模块的光机，NPR值应大于40dB，且大于40dB以上的动态范围应有8dB左右。如果反向信号在前端不需要多路混合，则系统的NPR余量可提高到15dB，抗噪声能力还可进一步提高。 五、对光链路和射频链路的调试对于一个已经调整好的反向链路，任何不适当的调整都有可能改变链路的工作性能，最终导致反向系统的崩溃。1光接收机的AGC功能在上行系统中，由于CM受CMTS的长环路AGC控制，因此系统的微小改变意味着CM接受CMTS的指令进行重新调整其发射功率（周期ranging），太高的发射功率激光器将进入削波区，太低的发射功率意味着系统的NPR降低。对于调整好的链路，如果将光接收机的射频放大量加大，那么CMTS将接收到一个较高的信号电平，于是便通过周期ranging来降低CM的发射电平，系统的射频部分的NPR几乎线性下降，而光接收机由于放大量加大而使底噪加大，信号电平并未提高，光接收机的NPR也下降，整个系统的NPR自然下降；如果减小射频放大量，那么CMTS将接收到一个较低的信号电平，于是便通过周期ranging来提高CM的发射电平，有可能使激光器进入削波区，从而使NPR劣化。对于接收光功率出现类似变化，大致的影响同射频放大量的变化。因此对于一个已经调整好的链路，应保证接收光功率和光接收机的射频放大有较小的波动（杜绝人为波动）。这时，光接收机的AGC功能就非常有用，当接收光功率出现变化，射频放大进行相应调整。因此建议在系统调整时关闭AGC功能，且尽量使射频增益处于中间位置，电平的归一化通过外置衰减实现，调整好后再打开AGC功能。2单位增益点的确定在实际的系统中，确立了光发射机的最佳驱动电平和光接收机的射频放大最佳值后，需确立单位增益点的输入电平。现在使用的80dBV光节点射频输入电平,经初步测试和TAK公司提供的技术资料，它是指光节点内的反向射频衰减都是零的时候，到达激光器的电平为最佳电平。但为提高系统对侵入噪声的抵抗能力，反向链路应工作在较高的电平下，一般业界此数值在8588 dBV。 但是，由于激光器的最佳驱动电平为一定值，光节点反向射频就必须加相应的衰减。光节点反向射频部分应有两级衰减，第一级衰减可用与隔离噪声干扰较大的电缆 线路，减少其干扰对其它支路的影响；第二级衰减是使反向光模块工作在最佳电平的，同时又可使射频部分获得较好的载噪比。光节点射频部分如果设计不合理，即 使使用了好的发射模块，也无法得到好的指标，这在前面的测试中已得到证明。3.调试时要避免仪表出现削波一 些链路两个放大器之间完全使用电缆连接，反向信号衰减很小，当使用双向仪表进行调试时，由于仪表仍发出即定的信号，这时很可能使激光器的驱动电平过高而进 入削波区，返回一个不是正确比例的信号，当插入相应衰减时，使用归一化测量，仍无法完成调试。例如，激光器的驱动电平为95 dBV，单位增益点电平为85 dBV，在接收光功率为-6dBm时的射频输出为100 dBV。当你在下一级放大器的单位增益点注入85 dBV时，电缆链路的衰减为10dB，激光器的驱动电平为105 dBV，这时激光器开始削波，并不会返回一个110 dBV的信号，假设为105 dBV，当你插入5dB的衰减时，激光器的驱动电平变为100 dBV，仍然削波，还要重新调整。因此建议在进行反向调试时，在输出衰减先根据图纸计算出反向的总衰减L，插入一个比L大3dB的衰减，然后进行调试，这点同以往的调试有所区别。六、总结在 测试前，我们曾查阅了有关国家标准，在光机入网标准中并不要求对反向指标进行测试，放大器的标准中有反向指标的要求，但不能全面反映网络中的实际情况，仅 有一定的参考意义，因此对反向的测试方法缺乏较为一致的意见，需要通过测试摸索经验。测试中，又涉及两个厂家不同时期的产品，需要索取相应的资料和产品样 品，配置测试仪器，故前后持续了近四个月的时间。但测试结果十分有意义，不仅是得到了具体产品的参数指标，知道了光节点的选择标准，更重要的是探索出了一 个成本低廉、方法简单、效果良好的反向NPR测试方法，所有测试设备的成本加起来不超过3000元（不包括8591C），解决了网络公司在反向设备选型中缺乏测试办法和仪器的难题，极具推广价值。对于一个正常工作的反向链路，NPR当然越大越好，但是最大的NPR意味着系统离崩溃的边缘越来越近，任何的侵入噪声都有可能使系统无法工作，因此反向系统不可能一直工作在最佳的NPR 上。但是，不是最佳的状态并不意味着系统不能很好的工作。因为实际上，反向链路工作的性能主要还是依赖于信号的误码率，只要误码率达到要求，较低的NPR也无所谓，也就是说，达到误码率要求NPR有一定的范围，我们不必追求系统一直工作在最高的NPR下，关键是高于一定数值的动态范围要大。在此基础上，我们计划下一步进行更细致的测试。在测试NPR的链路中，带阻滤波器后，槽内加入一个上行系统使用的信号，测试槽内信号的误码率，确定误码率与NPR之间的关系。并进一步将测试推向用户端，将测试数据与从CM和CMTS得到的实际值进行比较，以求得到网络更全面的实际运行数据。注：为避嫌起见，文中的厂家和设备型号名称均为虚构，请勿自行对号入座，但测试数据真实。参考文献：1 电子工业出版社 光纤电视传输技术林如俭著2 电子工业出版社 有线电视网络技术手册施国强 黄吴明 张万书3 中国广播电视出版社 有线电视宽带HFC网络回传系统 Donald Rashin & Dean Stoneback著 张文生 周强译4 世界有线电视2001年3月 CATV反向通道噪声功率比（NPR）的研究张红等