JP2004500740A - デジタル変換及び伝送を用いたｈｆｃリターンパスシステム - Google Patents

Abstract

ＨＦＣリターンパスシステムは、光ファイバノードにおけるデジタル変換及びデジタル伝送を実現し、アナログレーザ技術を高速ベースバンドデジタル技術に置き換え、これによりアナログレーザに関する煩雑な問題から解放され、より長い距離をカバーし、アナログシステムにおいて必要とされたハブ中継器ハードウェアを潜在的に不要とする等、様々な利益が得られる。

Description

【０００１】
関連出願
本願は、米国特許法第１２０条に基づき、１９９９年４月２３日に出願され、同時に係属中の米国仮明細書特許出願第６０／１３０６８５号の優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、デジタル変換及びデジタル伝送を用いた光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビ（ｃａｂｌｅ ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ ｈｙｂｒｉｄ−ｆｉｂｅｒ−ｃｏａｘ：以下、ＣＡＴＶ ＨＦＣという。）におけるリターンパスシステムに関する。詳しくは、本発明は、ノードにおけてデジタル伝送を実現することにより、アナログレーザ技術を高速ベースバンドデジタル技術に置き換え、面倒なアナログレーザによる種々の問題を回避し、より長い距離をカバーし、アナログシステムにおいて必要であったハブ中継器ハードウェアを不要とできる等、種々の利点を有するリターンパスシステムを提供する。
【０００３】
発明の背景
従来の光ファイバ同軸ケーブル混成システム（ＨＦＣ ｓｙｓｔｅｍｓ：以下、ＨＦＣシステムという。）は、北アメリカにおいては通過帯域が５〜４０ｋＨｚであり、同軸ケーブル装置内の双方向高周波増幅器を用いたリターンパスと、光トランク（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｕｎｋｉｎｇ）用のリターンファイバを駆動する光ファイバノード（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｎｏｄｅ）内の線形リターンパスレーザとが使用されている。ハブ又はヘッドエンドにおいて、光パワーは高周波信号に戻される。この技術は、ビデオ信号を放送するためのフォワードパスに使用されている振幅変調に基づく光通信技術と同様の技術である。この手法の設計及び実現に関しては、アナログレーザの仕様、レーザの２次応答特性、光リンク長の制約、光受信機の仕様及び各構成機器又は素子の検査等多くの問題があり、これらがこの手法を困難で高コストなものにしている。すなわち、これら全ての要素が高性能なアナログ光技術の開発にかかる全体的なコストの増加の要因となっている。
【０００４】
これらの問題は、従来は、アナログレーザ及びリターンパスの性能、パワーの強いレーザ及びＨＦＣアーキテクチャの変更等に関する開発における課題でもあった。これらの問題は、未だ解決されてはいない。
【０００５】
そこで、本発明は、リターンパスに関連する製品の製造コストを低減するとともに性能を高め、アーキテクチャの柔軟性を向上させ、帯域及び通信容量を増加させ、加入者により高速な接続速度を提供できるリターンパスシステムを実現することを目的とする。
【０００６】
発明の開示
本発明は、ノード内において高周波装置（ＲＦ ｐｌａｎｔ）が終わり、光トランク（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｕｎｋ）が始まる点におけるデジタル伝送技術を実現する。これにより、アナログレーザ技術は、高速ベースバンドデジタル技術に置き換えられる。デジタル信号は、煩雑なアナログレーザに関する問題から解放され、より長い距離をカバーし、アナログシステムにおいて必要であったハブ中継器ハードウェアを不要とすることができる等、様々な利点を有している。
【０００７】
ノードにおいてリターンパスをデジタル化するためには、多くの解析的及び設計的課題がある。ここで、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器は、従来より使用されていた振幅変調レーザ技術に数学的に類似している。Ａ／Ｄ変換器の量子化雑音は、実効「アナログ」光リンク雑音（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ”ａｎａｌｏｇ” ｏｐｔｉｃａｌ ｌｉｎｋ ｎｏｉｓｅ）として取り扱うことができる。これは、現在使用されているレーザに関する既知の性能と比較することができる。さらに、歪み特性、特にレーザのクリッピングに関する歪み特性は、Ａ／Ｄ変換器の入力閾値のオーバドライブの減少に類似している。Ａ／Ｄ変換器においては、２次及び３次の歪みも極めて低く抑えられ、さらに２次歪みは、アナログレーザとは異なり、値を劣化させない。この点は、ブロードバンドアプリケーションにおいて重要な特徴である。また、情報を一旦完全にビットで表現することにより適用できる機能及び処理により、デジタル化技術の効果はさらに高められる。
【０００８】
本発明の実施の形態に示すデジタルリターンパス提供方法は、光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビシステムにおいて、光ファイバノードからヘッドエンドへのリターンパス信号を１又は０を表す情報からなる信号に符号化して表現することにより、ベースバンドシリアル光伝送を用いたデジタルリターンパスを提供するデジタルリターンパス提供方法において、（１）コンポジットリターンパス波形を値がアナログ信号サンプルを表すデジタルワードのシーケンスに変換するステップと、（２）デジタルワードを該デジタルワード間の境界を識別し、ビット自体のタイミングを再生するための適切な同期情報とともにシリアルストリームに配列するステップと、（３）デジタル電気信号をデジタル光信号に変換し、光ファイバを介して光による１又は０を表す情報からなる信号を送信するステップと、（４）受信側において、（１）〜（３）の各ステップの逆の処理を行うステップとを有する。
【０００９】
本発明の実施の形態においては、光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビシステムにおいて、光ファイバノードからヘッドエンドへのリターンパス信号を１又は０を表す情報からなる信号に符号化し、ベースバンドシリアル光伝送を用いたデジタルリターンパスを提供するデジタルリターンパス提供システムを提供する。
【００１０】
さらに、本発明の実施の形態に示すデジタルリターンパス提供システムは、デジタルワードのシーケンスをアナログ信号サンプルに変換する変換手段を備える。さらに、本発明の一実施の形態において、デジタルリターンパス提供システムは、パラレルデジタルワードをアプリケーションのデジタル受信機への直接インターフェイス回路に供給する供給手段を備える。
【００１１】
詳細な説明
本発明を適用したデジタル化されたリターンパスの光ファイバノード（ｆｉｂｅｒ
ｏｐｔｉｃ ｎｏｄｅ）及びヘッドエンドの構成を図１に示す。基本的には、光ファイバノードにおいて、リバースパスにおけるＣＡＴＶ装置（ＣＡＴＶ ｐｌａｎｔ）の高周波装置（ＲＦ ｐｉｅｃｅ）が終わり、光トランク（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒｕｎｋ）が始まる。すなわち、光ファイバノードは、高周波信号の論理的境界点（ｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｍａｒｃａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）である。
【００１２】
比較的最近まで、リターンパスの帯域幅は３５ＭＨｚ（北米）であり、高周波技術を用いる必要があり、したがってリバース伝送には、本質的にアナログビデオ放送のフォワードパスに使用されている技術と同一のアナログレーザ技術が採用されている。このようなシステムでは、コンポジットリターンパス波形（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒｅｔｕｒｎ ｐａｔｈ ｗａｖｅｆｏｒｍ）は、レーザを振幅変調したものであり、したがって、光強度は、変調信号として供給される高周波信号に応じて変化する。
【００１３】
本発明は、このリバースパス信号を１又は０で表される情報に符号化して表現することにより、ベースバンドシリアル光伝送を用いてリバースパス信号を伝送する手法を提供する。図１に示すように、この手法は３つの主な構成要素により実現される。これらの構成要素は、以下のような処理を行う。
１）コンポジットリバースパス波形をデジタルワードのシーケンスに変換する。このデジタルワードの値はアナログ信号サンプルを表している。
２）ワード間の境界を識別するとともに、ビット自体のタイミングを再生するための適切な同期情報とともにワードをシリアルストリームに配列する。
３）電気デジタル信号を光デジタル信号に変換し、光ファイバを介して光による１又は０を表す信号を伝送する。
４）受信側で逆の処理を行う。
【００１４】
この手法を実現するための各技術を以下に説明する。
【００１５】
アナログ／デジタル変換器１０
異なる位置間における効率的な伝送を目的とするアナログ信号のデジタル化は、電気通信産業の重要な基幹技術である。しかしながら、詳細な仕様が定められている電話通信（ｖｏｉｃｅ ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ）の場合、アナログ／デジタル（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ：以下、Ａ／Ｄという。）変換のサンプリングレートは非常に低い。音声信号の帯域幅は４ｋＨｚ程度であり、チャンネルはベースバンドであり、事実上切り換えられ、したがってアナログトラヒックにおいては多重化は行われていない。
【００１６】
ＨＦＣリバースパスにおいては、問題はこのように単純ではない。ＨＦＣリターンパスは、共有チャンネルであり、ノードを共有する各ユーザが帯域幅を使用し、より多くのユーザによって使用可能なアップリンクの全体の帯域幅において効果的な多重化が行われる。さらに、音声信号の帯域幅のような狭い帯域幅と異なり、ＨＦＣリターンパスは、３５ＭＨｚの広い帯域幅を有する。
【００１７】
これらの相異により、全く異なるＡ／Ｄ変換を行う必要が生じる。近年、ＨＦＣリターンパスを実現するために必要な、より高い性能を有する強固なＡ／Ｄ変換器の要求に関する製造業者間の合意が実現された。ここで鍵となる性能に関する項目としては、サンプリングレート（速度）、高い分解能及び環境に対する耐性等がある。
【００１８】
図１に示すように、コンポジットアナログリターンパス波形は、光ファイバノードのＡ／Ｄ変換器１０に供給される。Ａ／Ｄ変換器１０は、コンポジットリバースパス波形をデジタルワードのシーケンスに変換する。このデジタルワードの値は、アナログ信号サンプルを表している（したがって、このノードのＡ／Ｄ変換器以降においては、劣化は実質的には生じない）。パラレルデジタルワードとして出力される出力シーケンスは、シリアライザ／デシリアライザ（ｓｅｒｉａｌｉｚｅｒ／ｄｅｓｅｒｉａｌｉｚｅｒ：以下、ＳＥＲＤＥＳという。）２０に供給される。
【００１９】
シリアライザ／デシリアライザ（ＳＥＲＤＥＳ）ＩＣ２０，５０
シリアル伝送技術においては、ギガビットイーサネット（Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ）及びファイバチャンネルの２つの分野が主要な開発課題となっている。強力な新しい集積回路（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＩＣという。）は、ノードからヘッドエンドへの完全にトランスペアレントなデジタルリターンパスを実現するために必要な基本的なシリアル化／パラレル化処理の全てを実行する。現在、ギガｂｐｓ級のデータレートは既に実現されている。既に実現されている基本的な機能は、４重パラレル／シリアル変換（ｆｏｕｒｆｏｌｄ−ｐａｒａｌｌｅｌ−ｔｏ−ｓｅｒｉａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）及びパラレル／シリアル変換、光駆動、タイミング及びフレーミングである。
【００２０】
パラレルデジタルワードは、Ａ／Ｄ変換器１０からＳＥＲＤＥＳチップ２０に供給され、さらに光リンクを介して伝送するためにシリアルストリームに変換される。ＳＥＲＤＥＳ２０（ノードにおけるシリアライザ）は、情報をラッチし、乗算処理によりクロックレートを高め、シリアル化されクロックレートが高められた信号を光学素子に供給する。１０ビットで動作する装置においては、１Ｇｂｐｓのシリアルレートが実現される。受信側においては、この逆の処理が実行され、ＳＥＲＤＥＳ受信チェイン（ヘッドエンドにおけるデシリアライザ５０）から出力されるデジタルワードは、例えば、アナログ信号を再構築するデジタル／アナログ（ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−ａｎａｌｏｇ：以下、Ｄ／Ａという。）変換器に供給される（もちろん、このデジタルワードは、アプリケーションのデジタル受信機への直接インターフェイス回路にデジタル形式のまま供給してもよいことは当業者にとって明らかである）。ＳＥＲＤＥＳ２０から出力されたデジタルワードのシリアルストリームは、光送信機（ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｘ）に供給される。
【００２１】
光駆動機能に関しては、上述の規格が開発されるにつれて、互換性を有する光部品（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｏｐｔｉｃｓ）も開発されている。現在の技術は、これに混合及び整合し、あるいは、例えば信号結合、プルアップ／プルダウン回路、インピーダンス構成等の基礎的な変更のみがなされている以外は非常に類似している。この類似性の一部は、このような高いデータレートにおいては、何らかの形式のエミッタ結合論理回路（ｅｍｉｔｔｅｒ ｃｏｕｐｌｅｄ ｌｏｇｉｃ：ＥＣＬ）が不可避であるという事実のみに基づいている。
【００２２】
タイミング機能については、受信ＩＣには情報の一片、すなわちビットストリームのみしか供給されないという点に注意しなくてはならない。このため、ビットを検出するためにタイミングをとる必要がある（最適な時刻にビットをサンプリングする同期クロックが必要である）。この処理は、リンクの両側で実行される。送信側において、データを符号化するのは、クロック再生回路（ｃｌｏｃｋ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｃｉｒｃｕｉｔ）がクロックを捕捉し、保持（ａｃｑｕｉｒｅ ａｎｄ ｈｏｌｄ）するために必要な十分なデータ変化を保証するためである。したがって、光送信機３０は、全ての状況でデータ変化を保証するためのランダム化を実現する符号化処理を実行する。このデータ変化がないと、受信ＰＬＬは、ビット反転によりデータシーケンスに重畳されている必要なクロック周波数成分を効果的に追跡することができない。ＰＬＬの役割は、このタイミングを再生し、シリアルサンプリングを効果的に行うことである。ビットのタイミングに続いて、パラレルワードの再生のために、出力においては、この時点でシリアルレートから分周されたワードタイミング情報が必要となる。
【００２３】
最後にフレーミング処理が実行される。ビットのタイミングをとることが必要であることは明らかであるが、どのビットの組が１つのアナログサンプルを構成するかを知ることも必要である。この点が、ネットワーク分野において、進歩した技術におけるもう１つの課題である。これらの技術においては、検出可能なワード境界を画定する既知の予測可能なパターンの送信が中心的な課題である。ＨＦＣについては、警告（ｃａｖｅａｔｓ）が存在する。例えば、規格に基づくチップの基本的な機能には、パケットをそのＩＣ及び他のデジタルソース間で送受する機能が含まれている。これにより、最小限の負荷によりペイロードパケット間で送信すべき境界画定キャラクタを伝送することができ、特に高いサンプリングレートを実現して多くのタイムスロットを生成することができる。しかしながら、ＨＦＣでは、Ａ／Ｄ変換器１０がＳＥＲＤＥＳ２０に実時間で継続的にワードを供給するため、より複雑な機能が必要となる。さらに、正確なサンプル表現に使用されるワード長は、使用されているＳＥＲＤＥＳチップセットの伝送プロトコルに対する互換性を有していない。したがって、シリアライザ及びデシリアライザの機能は、例えば、ＳＥＲＤＥＳ２０へのインターフェイスを司るプログラマブルロジックにより実現された何らかのワード処理を含む。このため、ＨＦＣアプリケーションにおいては、より工夫された手法で追加的オーバヘッドを挿入しなくてはならない。
【００２４】
光送信機３０−光受信機４０
ＨＦＣに関して、高速ベースバンドデジタル光通信のために必要とされる要求の組を満たすものは、サンプリング及びシリアル化により高められた高周波帯域を捕捉するために必要なデータレートに対応できるモジュラ形式で小型の広帯域モジュールである。フィールドの耐性の強化、光素子のコストの低減、近い将来予想されるデータレートの上昇、及びこのモジュールにより、現在の要求が満たされ、帯域幅の拡大に応じた拡張性が実現される。
【００２５】
上述のように、光送信機３０は、ＳＥＲＤＥＳ２０から出力されたデジタルワードのシリアルストリームを受け取り、このデジタルワードを光受信機４０に送信する。高周波信号から光信号への変換点において全ての情報をビットストリームにすることにより、速やかに伝送方式を標準化することができる。例えば、ＳＯＮＥＴ（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ），ＳＤＨ（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）又はこの他の標準化された伝送技術により、ネットワークの構成を単純化し、開発が加速され、ＨＦＣインフラストラクチャにおいて十分なレベルの確認された強固な技術がもたらされる。ノードにおいてデジタル化処理を行うことにより、ハブ装置を共通のデジタル多重化装置として使用できる。さらに、距離的な利点により、ハブ中継器を受動装置とすることもでき、完全に省略することもできる。
【００２６】
さらに、図１に示すＤ／Ａ変換器６０は、ヘッドエンド側で波形を再構築する。しかしながら、これによりアナログ信号の不利益、すなわち雑音及び歪みが導入される。Ｄ／Ａ変換器６０の出力は、通常、増幅及び分離された後、アプリケーションの受信機に供給される。受信機は、この信号を直ちにデジタル化し、完全なデジタル受信機における受信、同期及び復調処理を実行する。もちろん、上述のように、ワードは、アプリケーションのデジタル受信機への直接インターフェイス回路にデジタル形式で供給してもよい。
【００２７】
本発明に基づくデジタル化されたリターンパスにより、短期的視点からは、光部品のコスト、全体的な装置のコスト、リンクの距離、歪み特性、コンポーネントの仕様、検査の簡素化等に関する様々な効果が得られる。ここで、リターンパスを全てビット信号に変換することにより将来予想される最も重要な効果は、処理、伝送、多重化、装置のインターフェイスの接続に関連する多くのネットワーク構成の可能性が高まるという点である。
【００２８】
本発明の実施の形態について、図面を詳細に説明したが、上述の実施例の修正及び変形は、上述の開示によりカバーされ、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、添付の請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づくデジタル化されたリターンパスＨＦＣアーキテクチャの基本的な構成要素を示すブロック図である。

Claims (8)

1. 光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビシステムにおいて、光ファイバノードからヘッドエンドへのリターンパス信号を１又は０を表す情報からなる信号に符号化して表現することにより、ベースバンドシリアル光伝送を用いたデジタルリターンパスを提供するデジタルリターンパス提供方法において、
   コンポジットリターンパス波形を値がアナログ信号サンプルを表すデジタルワードのシーケンスに変換するステップと、
   上記デジタルワードを該デジタルワード間の境界を識別し、ビット自体のタイミングを再生するための適切な同期情報とともにシリアルストリームに配列するステップと、
   デジタル電気信号をデジタル光信号に変換し、光ファイバを介して光による１又は０を表す情報からなる信号を送信するステップと、
   受信側において、上記各ステップの逆の処理を行うステップとを有するデジタルリターンパス提供方法。
2. 光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビシステムにおいて、光ファイバノードからヘッドエンドへのリターンパス信号を１又は０を表す情報からなる信号に符号化して表現することにより、ベースバンドシリアル光伝送を用いたデジタルリターンパスを提供するデジタルリターンパス提供システムにおいて、
   コンポジットリターンパス波形を値がアナログ信号サンプルを表すデジタルワードのシーケンスに変換する変換手段と、
   上記デジタルワードを該デジタルワード間の境界を識別し、ビット自体のタイミングを再生するための適切な同期情報とともにシリアルストリームに配列する配列手段と、
   デジタル電気信号をデジタル光信号に変換し、光ファイバを介して光による１又は０を表す情報からなる信号を送信する変換／送信手段とを備えるデジタルリターンパス提供システム。
3. 上記光ファイバから上記光による１又は０を表す情報からなる信号を受信し、上記デジタル光信号をデジタル電気信号に変換する変換／受信手段と、
   上記デジタルワード及び同期情報のシリアルストリームをパラレル化するデシリアル化手段とを備える請求項２記載のデジタルリターンパス提供システム。
4. 上記デジタルワードのシーケンスをアナログ信号サンプルに変換する変換手段を備える請求項３記載のデジタルリターンパス提供システム。
5. パラレルデジタルワードをアプリケーションのデジタル受信機への直接インターフェイス回路に供給する供給手段を備える請求項３記載のデジタルリターンパス提供システム。
6. 光ファイバ同軸ケーブル混成ケーブルテレビシステムにおいて、光ファイバノードからヘッドエンドへのリターンパス信号を１又は０を表す情報からなる信号に符号化して表現することにより、ベースバンドシリアル光伝送を用いたデジタルリターンパスを提供するデジタルリターンパス提供システムにおいて、
   コンポジットリターンパス波形を値がアナログ信号サンプルを表すデジタルワードのシーケンスに変換するアナログ／デジタル変換器と、上記デジタルワードを該デジタルワード間の境界を識別し、ビット自体のタイミングを再生するための適切な同期情報とともにシリアルストリームに配列するシリアライザ／デシリアライザと、デジタル電気信号をデジタル光信号に変換し、光ファイバを介して光による１又は０を表す情報からなる信号を送信する光送信機とを備える光ファイバノードと、
   上記光ファイバから上記光による１又は０を表す情報からなる信号を受信し、上記デジタル光信号をデジタル電気信号に変換する光受信機と、上記デジタルワード及び同期情報のシリアルストリームをパラレル化するシリアライザ／デシリアライザとを備えるヘッドエンドとを備えるデジタルリターンパス提供システム。
7. 上記デジタルワードのシーケンスをアナログ信号サンプルに変換するデジタル／アナログ変換器とを備える請求項６記載のデジタルリターンパス提供システム。
8. パラレルデジタルワードをアプリケーションのデジタル受信機への直接インターフェイス回路に供給する供給手段を備える請求項３記載のデジタルリターンパス提供システム。

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