有線電視網絡中層次多維頻率的傳輸方法

專利名稱：有線電視網絡中層次多維頻率的傳輸方法
技術領域：
本發明是一種利用層次多維頻率方法，經過重復的層次調制將多個待調制的數據(信號頻率)分別調制到指定的頻率軸、頻率層次和指定頻率上，經過線性疊加，構成層次多維頻率調制波，經過有線電視網的雙向傳輸，再經過線性分支，選頻放大、檢波濾波，將原始信息還原出來的一種新的信息傳輸方法。傳統的有線電視網利用帶通傳輸系統將電視信號沿下行方向從前端傳向用戶，并利用頻分復用的方式承載多個模擬電視信號，每個頻道所占的頻帶寬度8MHz。在這種單向廣播式網絡結構中，網絡中的所有用戶分享這一相同樹型網絡及其帶寬，用戶可以通過調諧器調諧收到取得授權的任何頻道，即有線電視網絡可以保證所有用戶沒有任何障礙地接收其廣播電視信號。因此，有線電視網盡管非常簡單，沒有任何交換設備，但確有效地支持了廣播電視業務。經過30多年的發展，其覆蓋范圍廣，入網戶數多，如今在北美有線電視的覆蓋率已經達到96％，入戶率達到70％。我國有線電視用戶也已超過一億。
但是，這一傳統的廣播式應用中得到優化的網絡結構，在面對需要交換功能的多媒體交互式應用時遇到了很大的困難。因此在新建的有線電視網全部采用光纜和同軸電纜相結合的寬帶網絡(HFC)，寬帶已經直接入戶、節目數量多、圖像質量好、頻譜資源豐富、雙向傳輸，除了傳輸廣播電視節目外，具有支持多種通信業務和連接千家萬戶等的優勢，已經構成了國家信息基礎設施重要的組成部分。
目前，用于有線電視網進行數據傳輸調制解調器為電纜調制解調器(CableModem)，它是一種屬于共享介質系統，其它空閑頻段仍然可用于有線電視信號的傳輸。利用它基本解決了當前由于聲音圖像的傳輸而引起的阻塞，其速率已達10Mbps以上，下行速率則更高。Cable Modem也是組建城域網的關鍵設備，它使光結點小區內用樹枝型總線同軸電纜的傳輸頻率可高達550/750MHz。Cable Modem的HFC接入方案采用分層樹型結構，其優勢是帶寬比較高(10M)，但這種技術本身是一個較粗糙的總線型網絡，這就意味著用戶要和鄰近用戶分享有限的帶寬，當一條線路上用戶激增時，其速度將會減慢。再者，HFC方案還必需兼顧現有的有線電視節目，而占用了部分帶寬，只剩余了一部分可供傳送其它數據信號，所以Cable Modem的理論傳輸速率只能達到一小半。實驗表明，即使在理想狀態下，HFC只相當于一個10Mbps的共享式總線型以太網。
HFC寬帶接入利用了頻率分割方法，利用不同的頻帶實現上下行信號的傳輸，一般是低頻用于上行信道，高頻用于下行信道。然而，即便是采用了頻分復用的辦法，頻率資源的開發還是十分有限的，帶寬限制了信息的傳輸速度。
本發明的目的就是提供一種開發和利用頻率資源，提高單信道的傳輸能力，增加帶寬，提高傳輸速度的有線電視傳輸網絡中層次多維頻率的傳輸方法。
本發明的方案是采用層次調制的方法，經過重復的層次調制將多個待調制的數據(信號頻率)分別調制到指定的頻率軸、頻率層次和指定頻率上。這個指定的頻率就是一個載波，這樣一個經過多層次調制的載波就不是一個頻率的概念了，而是層次多維頻率的概念，即一個載波可以對應有很多層次多維的頻率，它在頻道一定和帶寬一定的情況下，經過多層次和多維的頻率利用，傳輸的信息量將是十分巨大的。將被調制的載波在電纜、光纖傳輸/電纜傳輸，在地面的接收端，通過線性分支器，選頻放大器和檢波濾波器，將各個數據逐層還原出來。
本發明的具體方案是采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的載波直接或數字化后通過有線電視網進行雙向傳輸，在接收端，利用“剝離器”，采用線性接收，帶通濾波器(如選頻放大器)，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波還原出原數據(信息)。采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f2→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的第j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)。采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。其接收特征在于采用剝離器，即采用線性接收，帶通濾波，檢波濾波，分層剝離。本發明的優點在于這一方法使層次多維頻率同時使用在一個給定的頻率上。
這一方法完全不同于一般意義上的頻分復用的概念，使用這一方法可以在保持一定帶寬和一定傳輸速率的前提下，大幅度提高信息的傳輸能力，特別是在解決單信道中大幅度提高信息傳輸能力的前提下，可以使給定的一個傳輸通道傳輸很多路的數據，如廣播頻道、電視頻道、數字通信等。使得只需要有限的通道就可以滿足人們對寬帶、網絡速度的需求。
采用調制(解調)、復用(解復用)技術，在目前的條件下，器件比較便宜，性能也可靠，電濾波器可以設計為高效的、近乎理想的多點濾波器。整個設計方法，電路簡單。
由于本發明極大地增加了頻率資源，在頻率資源十分富裕的情況下，我們就可以修改現有頻率的分配方案，擴大頻段和頻道的帶寬，從而提高信息傳輸的速度，從更高層次上提高有線電視網絡的使用效率。
這一方法，如果用于改造傳統的單向電纜線路，則只需要在前端和接收端進行適當的改造，就可以極大地增加廣播電視頻道，既可以是模擬的也可以是數字的。如果將傳統的單向線路改造成雙向線路，則只需要在前端增加雙向濾波器，在干線上增加雙向干線放大器、系統中的分支器/分配器更換成滿足既要通過下行信息，又要通過上行信息的分支器和分配器。由于頻道資源的大幅度增加，如果線路全部是電纜，也完全能夠滿足多媒體寬帶網接入的要求，如果干線是光纖，就更能滿足多媒體寬帶網接入的要求。無論干線是電纜，還是光纜，由于可以安排足夠的上行通道的頻帶寬度，使得交互式實時視頻點播、可視電話、視頻會議、遠程教育等業務可以利用有線電視網絡進行。
這一技術，對現有有線電視網絡的改造有限，主要是對前端和用戶端的Cable Modem進行改進。對信息的雙向傳輸還需要用雙向放大器更換電纜上的全部單向放大器，同時對光結點處進行改造。實施這一技術，可以大大降低通信領域基礎設施建設的強度和資金的投入，形成全新的有線電視網絡的信息傳輸系統，對加速信息化進程和推進信息產業的發展將是一個重大的突破。


圖1為利用多車道、立體交通和多層次車輛來說明層次多維頻率的有線電視網絡傳輸原理。
圖1a為傳統的有線電視網絡信息傳輸示意圖。
圖1b為HFC網絡信息傳輸示意圖。
圖1c為利用層次多維頻率技術構建的能級信息通道示意圖。
圖1d為利用層次多維頻率技術構建的層次立體信息通道。
圖2為有線電視系統構成原理框圖。
圖3為層次多維頻率構造示意圖。
圖4為HFC頻率資源的分配示意圖。
圖5為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和模擬傳輸的示意圖之1。
圖6為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和傳輸的示意圖之2。
圖7為m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa、fb……fn同時對data1、data2、……datan進行處理和數字傳輸的示意圖以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如果我們把有線電視網絡看成是一條高速公路，按照頻譜的分配，在這條公路上有若干條通道。對于每一條通道其主要職能有所不同，可以分為上行通道、模擬和數字廣播業務、數字業務、個人通信等，我們將這些通道上的業務用不同顏色的汽車表示。由于公路的寬度有限(5MHz-1GHz)，在這有限的頻帶內能夠劃分出來的通道就非常有限，劃分的通道越多，單個通道的寬度就越窄，傳輸速度越低。因此，在現有的情況下或未來對信息量需求增大的情況下，不是感到因為頻道資源不夠造成的業務不能滿足要求，就是感到信息傳輸的速度跟不上。
如圖1所示，圖1a表示傳統的有線電視網絡的單向樹型結構，網絡中的所有用戶分享這一相同樹型網絡及其帶寬，用戶可以通過調諧器調諧收到取得授權的任何頻道，即有線電視網絡可以保證所有用戶沒有任何障礙地接收其廣播信號，在干線和每條支線上的車輛類型數量可以是相同的。
圖1b表示現在實施的寬帶網接入方式，由于要兼顧到現有的有線電視節目，留給模擬電視節目和數字電視節目的通道就比較寬，占用了很大的頻帶寬度，再者，由于很多用戶共享有限的上行帶寬資源，當同時使用網絡的用戶激增的時候，各種業務都在爭搶著進入信息通道，在這條通道上業務十分繁忙，雖然采用了正交頻分復用方法，盡可能增加對有限頻率資源的利用，但因為帶寬很窄，常常會出現傳輸速度顯著下降和信息阻塞。隨著視頻會議、可視電話和遠程教育等業務的開展，對帶寬的分配和要求越來越高，雖然采用動態頻率分配的智能調制解調器，動態分配各種業務需要的頻率，但在現行情況下頻率資源仍然是十分有限的。
圖1c表示我們在樹型結構的每個夫結點上進行改造，將各子結點上行的信息(或載波)利用層次多維頻率技術通過調制和線性疊加，進入上一層次。將在干線和支線處設置雙向分配器，上行時每個支線上的小汽車全部搭上運輸小汽車的運輸車上，這樣在干線上就不會因為小汽車太多，造成擁擠和阻塞。下行的汽車我們利用層次多維頻率技術將表示各種業務的小汽車分別搭載在專門運輸小汽車的運輸車上，到各干支線交接點，小汽車下車自己運行。
圖1d表示原來單一的信息通道變成了立體信息通道，在一個信息通道的某一個頻率上可以同時傳輸多個電臺的節目、電視臺的節目和數據中心的數據。
圖2中的紅框部分是本項發明的重點。
我們采用層次多維頻率方法，即采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)。調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待調制的頻率有“k”個，即f1(1)至f1(k)，在1至k個頻率中的第j個頻率是f1(j)。相對原頻率第n層調制的頻率即為fn(1)至fn(k)，第j個頻率在n層的調制結果fn(j)(圖3)。
目前，HFC網絡是頻分復用網絡，不同的業務分配不同的帶寬，各種業務之間有一隔離保護帶寬(圖4)。其中的5MHz-42MHz為上行通道，5MHz-30MHz為上行電話信號，30MHz-42MHz為用于傳輸上行的其它數字業務。48.5MHz-550MHz用于模擬和數字廣播業務，550MHz-750MHz用于數字業務，750MHz-1GHz用于個人通信。
在5MHz-30MHz為上行的電話通道，如果每一門電話占用4KHz，在一維上，可以設置6250門電話。如果按照層次多維頻率構造的原理，在二維上可以設置電話9.10×106門，在三維上可以設置2.65×109門。
在30MHz-42MHz的數字通道上，如果設置頻道寬度為30KHz、50KHz、100KHz、150KHz、200KHz時頻道的總量如表1。
表1在一維、二維和三維頻率軸上支持的信道數的對比
在48.5MHz-550MHz頻帶范圍內，以每個節目頻道占用8MHz帶寬計算，可以安排63個節目頻道。如果按照層次多維頻率構造的原理，在二維上可以設置的8MHz帶寬節目數為938個，在三維上可以設置的8MHz帶寬節目數為57個。
在550MHz-750MHz的數字通道上，如果設置頻道寬度為100KHz、200KHz、300KHz、500KHz、1000KHz時頻道的總量如表2。
表2在一維、二維和三維頻率軸上支持的信道數的對比
當然，750MHz-1GHz用于個人通信，無論是數字，還是模擬，頻道數都是大得驚人。
圖5為我們方案的構架之示意1。
(1)振蕩器A與隔離器1、隔離器2、……隔離器n組成了一個載波。
(2)振蕩器1與視頻信號或語音信號組成了調制器1，調制器1的輸出與振蕩器A又組成了調制器2，振蕩器2與視頻信號或語音信號組成了調制器3，調制器3的輸出與振蕩器A又組成了調制器4，……。
(3)將調制器2、調制器4、……，調制器n的輸出頻率進行線性疊加。
需要滿足的條件為振蕩器A的振蕩頻率應大于等于3倍的調制器1、調制器2、……，調制器n中輸出的最高頻率。
(4)將若干個載頻經過線性疊加，通過有線電視傳輸網絡進行雙向傳輸，接收端進入與線性疊加相對應的線性分支器，將線性疊加的語音信號分路處理。
(5)選頻放大器1、選頻放大器3、……、選頻放大器m，進行第一次選頻，選頻放大器2、選頻放大器4、……選頻放大器n進行第二次選頻，兩次選頻放大的目的就是增加選頻放大的效果。
(6)經過檢波濾波器還原出視頻信號或語音信號。
圖6為我們方案的構架之示意2，表示了在m條頻率軸中的某一頻率軸上的某一個頻率上的n個層次的頻率資源層次的的復用方法。這樣我們可以形象化地認為是利用一個載波同時傳輸data1、data2、……、datan，也可以利用其他頻率的載波同時傳輸視頻信號或語音信號1、視頻信號或語音信號2、……視頻信號或語音信號n。
上述方案主要是對模擬信號的傳輸而言的，由于數字傳輸有其獨有的優勢，如在噪聲方面，只要噪聲電平低于一定值，數字信號經過處理后就可以把噪聲去除；在失真方面，通過選擇頻率、提高量化精度和改善誤碼率，失真問題也可以解決。電視信息數字化后，可以大大增加電視頻道。現在的有線電視只可提供70個以下的電視頻道(每個頻道的寬度為6-8MHZ)的節目，而數字衛星電視已經可以提供200套節目。如果利用現在的數據壓縮技術，現在的6-8MHZ帶寬內可以傳輸4-10套節目，從而將傳輸的電視節目套數增加到700套。電視數字化后還便于提供交互式業務，如電話、數據傳輸、視頻點播、電子商務、遠程教學等。本項專利同時提出利用層次多維頻率方法實現數字傳輸的方法。
如圖7所示，對于data1、data2、……、datan在可以是模擬信息，也可以是數字數據。如果data1、data2、……、datan是模擬信息，可以經過模數轉換轉換成數字數據。圖示的虛框第一部分增加層次多維頻率形成部分，將載波fa、fb……fk數字化，即經過模數轉換，這種模數/數模轉換方式有多種，技術比較成熟。再將經過模數轉換得到的數字信息發送，經過光纖/同軸電纜傳輸，經過分支器進行層層剝離，或最后在用戶處進行層層剝離。在虛框的第二部分，經過數模變換，再進行信息還原。當然，也可以對搭載多層信息(模擬/數字信息)的各層次的載波進行數字化、傳輸、數/模轉換，到信息還原(圖5)。
本發明的接收系統的關鍵點是在接收端利用“剝離器”，對層次多維頻率調制波采用線性接收，帶通濾波器(如選頻放大器)，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波取出數據(信息)。以下是本發明的一個具體實施例實施例為了證明上述的設計方案，我們進行了m條頻率軸中第k一條頻率軸上的載波fa同時對data1、data2、……、datan進行處理和傳輸樣機研制。
振蕩器產生的振蕩頻率為1.4MHz，振蕩器1、振蕩器2、振蕩器3、振蕩器4產生的振蕩頻率分別為100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、xdata4為可以為視頻信號也可以為音頻信號。
data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上；1.4MHz調制波都滿足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz調制波中的最大值的3倍。
再將data1調制在100KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波與data2調制在150KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，data3調制在200KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波，以及data4調制在250KHz上形成的調制波再調制在1.4MHz上形成的調制波進行線性疊加。
將1.4MHz載波(1)直接，(2)數字化后在有線電視網絡中進行雙向傳輸。
選頻放大器1和選頻放大器2分進行兩次選頻選出100KHz的頻率；選頻放大器3和選頻放大器4分進行兩次選頻選出150KHz的頻率，選頻放大器5和選頻放大器6分進行兩次選頻選出200KHz的頻率；選頻放大器7和選頻放大器8分進行兩次選頻選出250KHz的頻率。(6)經過100KHz的頻率、150KHz的頻率、200KHz的頻率和250KHz的頻率的檢波濾波分別還原出data1、data2、data3和data4。
權利要求
1．一種有線電視傳輸網絡中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制，分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上，再將被調制的載波直接或數字化后通過有線電視網進行雙向傳輸，在接收端，利用“剝離器”，采用線性接收，帶通濾波器，逐層將層次多維頻率剝離出來，最后經檢波濾波還原出原數據。
2．根據權利要求1所述的有線電視傳輸網絡中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于層次調制的方法，即采用層次調制方法將許多待調制的頻率分別調制到指定的調制層次和指定的頻率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即將若干個待調制的頻率f1(1)至f1(k1)用調制器將它們逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第一層調制的f2(1)至f2(k2)，再將分別調制后的頻率f2(1)至f2(k2)經過調制器將它們再次逐個調制在分別對應指定的任一個頻率上，形成第二層調制的f3(1)至f3(k3)，以此類推經過n-1次的層次調制形成第n層調制的fn(1)至fn(kn)，調制后的頻率fn(jn)大于等于調制前被調制頻率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根據權利要求1或2所述的有線電視傳輸網絡中層次多維頻率的傳輸方法，其特征在于采用的調制器為調幅波調制器或調頻波調制器或調相調制器或頻率幅度兼調調制器。
4．根據權利要求1所述的有線電視傳輸網絡中層次多維頻率傳輸方法其特征在于采用剝離器，即采用線性接收，帶通濾波，檢波濾波，分層剝離。
全文摘要
有線電視傳輸網絡中層次多維頻率的傳輸方法是一種將多個待傳輸的信號頻率疊加在一體進行傳輸的方法,采用層次調制的方法將多個待傳輸的信號頻率經過重復的逐層調制,分別調制到指定的頻率軸、指定的頻率層次和指定的頻率上,再將被調制的載波直接或數字化后通過有線電視網絡進行雙向傳輸,在接收端,利用“剝離器”,采用線性接收,帶通濾波器(如選頻放大器),逐層將層次多維頻率剝離出來,最后經檢波濾波還原出原數據(信息)。
文檔編號H04L27/00GK1308461SQ0110801
公開日2001年8月15日 申請日期2001年1月5日 優先權日2001年1月5日
發明者閭國年, 朱燦生, 袁惠仁, 葉春, 吳平生 申請人:南京師范大學, 朱燦生, 袁惠仁, 吳平生