CN1308461A - 有线电视网络中层次多维频率的传输方法 - Google Patents
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Abstract
有线电视传输网络中层次多维频率的传输方法是一种将多个待传输的信号频率叠加在一体进行传输的方法,采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制,分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上,再将被调制的载波直接或数字化后通过有线电视网络进行双向传输,在接收端,利用“剥离器”,采用线性接收,带通滤波器(如选频放大器),逐层将层次多维频率剥离出来,最后经检波滤波还原出原数据(信息)。
Description
本发明是一种利用层次多维频率方法，经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上，经过线性叠加，构成层次多维频率调制波，经过有线电视网的双向传输，再经过线性分支，选频放大、检波滤波，将原始信息还原出来的一种新的信息传输方法。传统的有线电视网利用带通传输系统将电视信号沿下行方向从前端传向用户，并利用频分复用的方式承载多个模拟电视信号，每个频道所占的频带宽度8MHz。在这种单向广播式网络结构中，网络中的所有用户分享这一相同树型网络及其带宽，用户可以通过调谐器调谐收到取得授权的任何频道，即有线电视网络可以保证所有用户没有任何障碍地接收其广播电视信号。因此，有线电视网尽管非常简单，没有任何交换设备，但确有效地支持了广播电视业务。经过30多年的发展，其覆盖范围广，入网户数多，如今在北美有线电视的覆盖率已经达到96％，入户率达到70％。我国有线电视用户也已超过一亿。
但是，这一传统的广播式应用中得到优化的网络结构，在面对需要交换功能的多媒体交互式应用时遇到了很大的困难。因此在新建的有线电视网全部采用光缆和同轴电缆相结合的宽带网络(HFC)，宽带已经直接入户、节目数量多、图像质量好、频谱资源丰富、双向传输，除了传输广播电视节目外，具有支持多种通信业务和连接千家万户等的优势，已经构成了国家信息基础设施重要的组成部分。
目前，用于有线电视网进行数据传输调制解调器为电缆调制解调器(CableModem)，它是一种属于共享介质系统，其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。利用它基本解决了当前由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达10Mbps以上，下行速率则更高。Cable Modem也是组建城域网的关键设备，它使光结点小区内用树枝型总线同轴电缆的传输频率可高达550/750MHz。Cable Modem的HFC接入方案采用分层树型结构，其优势是带宽比较高(10M)，但这种技术本身是一个较粗糙的总线型网络，这就意味着用户要和邻近用户分享有限的带宽，当一条线路上用户激增时，其速度将会减慢。再者，HFC方案还必需兼顾现有的有线电视节目，而占用了部分带宽，只剩余了一部分可供传送其它数据信号，所以Cable Modem的理论传输速率只能达到一小半。实验表明，即使在理想状态下，HFC只相当于一个10Mbps的共享式总线型以太网。
HFC宽带接入利用了频率分割方法，利用不同的频带实现上下行信号的传输，一般是低频用于上行信道，高频用于下行信道。然而，即便是采用了频分复用的办法，频率资源的开发还是十分有限的，带宽限制了信息的传输速度。
本发明的目的就是提供一种开发和利用频率资源，提高单信道的传输能力，增加带宽，提高传输速度的有线电视传输网络中层次多维频率的传输方法。
本发明的方案是采用层次调制的方法，经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上。这个指定的频率就是一个载波，这样一个经过多层次调制的载波就不是一个频率的概念了，而是层次多维频率的概念，即一个载波可以对应有很多层次多维的频率，它在频道一定和带宽一定的情况下，经过多层次和多维的频率利用，传输的信息量将是十分巨大的。将被调制的载波在电缆、光纤传输/电缆传输，在地面的接收端，通过线性分支器，选频放大器和检波滤波器，将各个数据逐层还原出来。
本发明的具体方案是采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或数字化后通过有线电视网进行双向传输，在接收端，利用“剥离器”，采用线性接收，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波还原出原数据(信息)。采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f2→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)。采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。其接收特征在于采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。本发明的优点在于：
这一方法使层次多维频率同时使用在一个给定的频率上。
这一方法完全不同于一般意义上的频分复用的概念，使用这一方法可以在保持一定带宽和一定传输速率的前提下，大幅度提高信息的传输能力，特别是在解决单信道中大幅度提高信息传输能力的前提下，可以使给定的一个传输通道传输很多路的数据，如广播频道、电视频道、数字通信等。使得只需要有限的通道就可以满足人们对宽带、网络速度的需求。
采用调制(解调)、复用(解复用)技术，在目前的条件下，器件比较便宜，性能也可靠，电滤波器可以设计为高效的、近乎理想的多点滤波器。整个设计方法，电路简单。
由于本发明极大地增加了频率资源，在频率资源十分富裕的情况下，我们就可以修改现有频率的分配方案，扩大频段和频道的带宽，从而提高信息传输的速度，从更高层次上提高有线电视网络的使用效率。
这一方法，如果用于改造传统的单向电缆线路，则只需要在前端和接收端进行适当的改造，就可以极大地增加广播电视频道，既可以是模拟的也可以是数字的。如果将传统的单向线路改造成双向线路，则只需要在前端增加双向滤波器，在干线上增加双向干线放大器、系统中的分支器/分配器更换成满足既要通过下行信息，又要通过上行信息的分支器和分配器。由于频道资源的大幅度增加，如果线路全部是电缆，也完全能够满足多媒体宽带网接入的要求，如果干线是光纤，就更能满足多媒体宽带网接入的要求。无论干线是电缆，还是光缆，由于可以安排足够的上行通道的频带宽度，使得交互式实时视频点播、可视电话、视频会议、远程教育等业务可以利用有线电视网络进行。
这一技术，对现有有线电视网络的改造有限，主要是对前端和用户端的Cable Modem进行改进。对信息的双向传输还需要用双向放大器更换电缆上的全部单向放大器，同时对光结点处进行改造。实施这一技术，可以大大降低通信领域基础设施建设的强度和资金的投入，形成全新的有线电视网络的信息传输系统，对加速信息化进程和推进信息产业的发展将是一个重大的突破。
图1为利用多车道、立体交通和多层次车辆来说明层次多维频率的有线电视网络传输原理。
图1a为传统的有线电视网络信息传输示意图。
图1b为HFC网络信息传输示意图。
图1c为利用层次多维频率技术构建的能级信息通道示意图。
图1d为利用层次多维频率技术构建的层次立体信息通道。
图2为有线电视系统构成原理框图。
图3为层次多维频率构造示意图。
图4为HFC频率资源的分配示意图。
图5为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和模拟传输的示意图之1。
图6为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和传输的示意图之2。
图7为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和数字传输的示意图
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如果我们把有线电视网络看成是一条高速公路，按照频谱的分配，在这条公路上有若干条通道。对于每一条通道其主要职能有所不同，可以分为上行通道、模拟和数字广播业务、数字业务、个人通信等，我们将这些通道上的业务用不同颜色的汽车表示。由于公路的宽度有限(5MHz-1GHz)，在这有限的频带内能够划分出来的通道就非常有限，划分的通道越多，单个通道的宽度就越窄，传输速度越低。因此，在现有的情况下或未来对信息量需求增大的情况下，不是感到因为频道资源不够造成的业务不能满足要求，就是感到信息传输的速度跟不上。
如图1所示，图1a表示传统的有线电视网络的单向树型结构，网络中的所有用户分享这一相同树型网络及其带宽，用户可以通过调谐器调谐收到取得授权的任何频道，即有线电视网络可以保证所有用户没有任何障碍地接收其广播信号，在干线和每条支线上的车辆类型数量可以是相同的。
图1b表示现在实施的宽带网接入方式，由于要兼顾到现有的有线电视节目，留给模拟电视节目和数字电视节目的通道就比较宽，占用了很大的频带宽度，再者，由于很多用户共享有限的上行带宽资源，当同时使用网络的用户激增的时候，各种业务都在争抢着进入信息通道，在这条通道上业务十分繁忙，虽然采用了正交频分复用方法，尽可能增加对有限频率资源的利用，但因为带宽很窄，常常会出现传输速度显著下降和信息阻塞。随着视频会议、可视电话和远程教育等业务的开展，对带宽的分配和要求越来越高，虽然采用动态频率分配的智能调制解调器，动态分配各种业务需要的频率，但在现行情况下频率资源仍然是十分有限的。
图1c表示我们在树型结构的每个夫结点上进行改造，将各子结点上行的信息(或载波)利用层次多维频率技术通过调制和线性叠加，进入上一层次。将在干线和支线处设置双向分配器，上行时每个支线上的小汽车全部搭上运输小汽车的运输车上，这样在干线上就不会因为小汽车太多，造成拥挤和阻塞。下行的汽车我们利用层次多维频率技术将表示各种业务的小汽车分别搭载在专门运输小汽车的运输车上，到各干支线交接点，小汽车下车自己运行。
图1d表示原来单一的信息通道变成了立体信息通道，在一个信息通道的某一个频率上可以同时传输多个电台的节目、电视台的节目和数据中心的数据。
图2中的红框部分是本项发明的重点。
我们采用层次多维频率方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)(图3)。
目前，HFC网络是频分复用网络，不同的业务分配不同的带宽，各种业务之间有一隔离保护带宽(图4)。其中的5MHz-42MHz为上行通道，5MHz-30MHz为上行电话信号，30MHz-42MHz为用于传输上行的其它数字业务。48.5MHz-550MHz用于模拟和数字广播业务，550MHz-750MHz用于数字业务，750MHz-1GHz用于个人通信。
在5MHz-30MHz为上行的电话通道，如果每一门电话占用4KHz，在一维上，可以设置6250门电话。如果按照层次多维频率构造的原理，在二维上可以设置电话9.10×106门，在三维上可以设置2.65×109门。
在30MHz-42MHz的数字通道上，如果设置频道宽度为30KHz、50KHz、100KHz、150KHz、200KHz时频道的总量如表1。
表1在一维、二维和三维频率轴上支持的信道数的对比
| 维数Δf | 30KHz | 50KHz | 100KHz | 150KHz | 200KHz |
| 一维 | 400 | 240 | 120 | 80 | 60 |
| 二维 | 1.59×105 | 5.71×104 | 1.41×104 | 6.20×103 | 3.47×103 |
| 三维 | 1.09×107 | 2.37×106 | 2.87×105 | 9.12×104 | 3.92×104 |
在48.5MHz-550MHz频带范围内，以每个节目频道占用8MHz带宽计算，可以安排63个节目频道。如果按照层次多维频率构造的原理，在二维上可以设置的8MHz带宽节目数为938个，在三维上可以设置的8MHz带宽节目数为57个。
在550MHz-750MHz的数字通道上，如果设置频道宽度为100KHz、200KHz、300KHz、500KHz、1000KHz时频道的总量如表2。
表2在一维、二维和三维频率轴上支持的信道数的对比
| 维数Δf | 100KHz | 200KHz | 300KHz | 500KHz | 1000KHz |
| 一维 | 2000 | 1000 | 666 | 400 | 200 |
| 二维 | 4.33×106 | 1.08×106 | 4.79×105 | 1.73×105 | 5.65×104 |
| 三维 | 5.78×109 | 1.97×108 | 5.73×107 | 1.25×107 | 1.59×106 |
当然，750MHz-1GHz用于个人通信，无论是数字，还是模拟，频道数都是大得惊人。
图5为我们方案的构架之示意1。
(1)振荡器A与隔离器1、隔离器2、……隔离器n组成了一个载波。
(2)振荡器1与视频信号或语音信号组成了调制器1，调制器1的输出与振荡器A又组成了调制器2，振荡器2与视频信号或语音信号组成了调制器3，调制器3的输出与振荡器A又组成了调制器4，……。
(3)将调制器2、调制器4、……，调制器n的输出频率进行线性叠加。
需要满足的条件为振荡器A的振荡频率应大于等于3倍的调制器1、调制器2、……，调制器n中输出的最高频率。
(4)将若干个载频经过线性叠加，通过有线电视传输网络进行双向传输，接收端进入与线性叠加相对应的线性分支器，将线性叠加的语音信号分路处理。
(5)选频放大器1、选频放大器3、……、选频放大器m，进行第一次选频，选频放大器2、选频放大器4、……选频放大器n进行第二次选频，两次选频放大的目的就是增加选频放大的效果。
(6)经过检波滤波器还原出视频信号或语音信号。
图6为我们方案的构架之示意2，表示了在m条频率轴中的某一频率轴上的某一个频率上的n个层次的频率资源层次的的复用方法。这样我们可以形象化地认为是利用一个载波同时传输data1、data2、……、datan，也可以利用其他频率的载波同时传输视频信号或语音信号1、视频信号或语音信号2、……视频信号或语音信号n。
上述方案主要是对模拟信号的传输而言的，由于数字传输有其独有的优势，如在噪声方面，只要噪声电平低于一定值，数字信号经过处理后就可以把噪声去除；在失真方面，通过选择频率、提高量化精度和改善误码率，失真问题也可以解决。电视信息数字化后，可以大大增加电视频道。现在的有线电视只可提供70个以下的电视频道(每个频道的宽度为6-8MHZ)的节目，而数字卫星电视已经可以提供200套节目。如果利用现在的数据压缩技术，现在的6-8MHZ带宽内可以传输4-10套节目，从而将传输的电视节目套数增加到700套。电视数字化后还便于提供交互式业务，如电话、数据传输、视频点播、电子商务、远程教学等。本项专利同时提出利用层次多维频率方法实现数字传输的方法。
如图7所示，对于data1、data2、……、datan在可以是模拟信息，也可以是数字数据。如果data1、data2、……、datan是模拟信息，可以经过模数转换转换成数字数据。图示的虚框第一部分增加层次多维频率形成部分，将载波fa、fb……fk数字化，即经过模数转换，这种模数/数模转换方式有多种，技术比较成熟。再将经过模数转换得到的数字信息发送，经过光纤/同轴电缆传输，经过分支器进行层层剥离，或最后在用户处进行层层剥离。在虚框的第二部分，经过数模变换，再进行信息还原。当然，也可以对搭载多层信息(模拟/数字信息)的各层次的载波进行数字化、传输、数/模转换，到信息还原(图5)。
本发明的接收系统的关键点是在接收端利用“剥离器”，对层次多维频率调制波采用线性接收，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波取出数据(信息)。以下是本发明的一个具体实施例实施例：
为了证明上述的设计方案，我们进行了m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa同时对data1、data2、……、datan进行处理和传输样机研制。
振荡器产生的振荡频率为1.4MHz，振荡器1、振荡器2、振荡器3、振荡器4产生的振荡频率分别为100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、xdata4为可以为视频信号也可以为音频信号。
data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；1.4MHz调制波都满足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz调制波中的最大值的3倍。
再将data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波与data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，以及data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波进行线性叠加。
将1.4MHz载波(1)直接，(2)数字化后在有线电视网络中进行双向传输。
选频放大器1和选频放大器2分进行两次选频选出100KHz的频率；选频放大器3和选频放大器4分进行两次选频选出150KHz的频率，选频放大器5和选频放大器6分进行两次选频选出200KHz的频率；选频放大器7和选频放大器8分进行两次选频选出250KHz的频率。(6)经过100KHz的频率、150KHz的频率、200KHz的频率和250KHz的频率的检波滤波分别还原出data1、data2、data3和data4。
Claims (4)
1．一种有线电视传输网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或数字化后通过有线电视网进行双向传输，在接收端，利用“剥离器”，采用线性接收，带通滤波器，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波还原出原数据。
2．根据权利要求1所述的有线电视传输网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于层次调制的方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)，调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根据权利要求1或2所述的有线电视传输网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。
4．根据权利要求1所述的有线电视传输网络中层次多维频率传输方法其特征在于采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。
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