光傳輸技術在有線電視和接入網
領域的應用
林如儉/教授
[摘要] 本文綜述三十多年來光傳輸技術在接入網領域的應用，介紹主要的新技術何時和如何被利用，分析該技術在接入網和中國廣電電視領域的應用特色。涉及的應用主要有視頻/音頻傳輸、多路射頻電視傳輸、互聯網接入和多媒體通信。指出了RF疊加1/10G-EPON是實現光纖到家的最佳手段。
一引言
從石英光纖問世至今的45年中，光通信已經極大地改變了世界信息產業的面貌，并在很多方面和很大程度上改變了人類的生活方式。除了電話通信以外，光纖電視已經成為廣播電視的主要傳播方式，而且光纖又為互聯網提供了從廣域、城域到局域的物理連接。這種變化對中國經濟崛起的影響是巨大的。本文將從技術的角度回顧和總結光傳輸技術在中國廣播電視和接入網領域的應用，并展望其發展前景。
二模擬基帶視頻光纖傳輸系統
從1974－1976年光纖被用于數字電話中繼線（美國亞特蘭大和芝加哥44.736Mbit/s示范工程）開始，光纖的極低損耗、極寬頻帶和對電磁干擾免疫等優良特性就吸引了人們用它來傳輸視頻、音頻信號的興趣。那時的視頻信號及其伴音信號都是模擬信號，一路視頻信號占有頻帶為5～6MHz，達到96路（4×T1）數字電話的占有帶寬。人們曾花了十多年的時間來發展單路視頻光纖傳輸系統和多路調頻制視頻光纖傳輸系統。
單路視頻光纖傳輸系統曾先后采用直接光強調制方式和脈沖頻率調制——光強調制方式。前者用視頻信號直接改變光源的發光強度，受發光管（LED）和激光器（LD）的非線性功率特性的限制，系統輸出視頻信號的非線性失真大，同時因光調制度被迫取低，故系統輸出視頻信噪比不高，傳輸距離通常不超過10 km，只宜用于工業電視監控系統。
脈沖頻率調制——光強調制是一種準數字光強調制方式，先用視頻信號調變一個等幅、等寬脈沖串的重復頻率，再用此被調脈沖串去控制光源的發光強度。接收的脈沖串的時間平均分量就是發送的視頻信號，用一個低通濾波器就可以恢復出來。由于視頻信號并不引起光脈沖幅度的變化，故光源功率特性的非線性與系統輸出信號無關，光調制度可以取得很大，這就決定了脈沖頻率調制（PFM）視頻光纖傳輸系統具有輸出視頻信噪比高、非線性失真小、傳輸距離遠（而且可以中繼）等優點。1982～1992年間我國科技人員已先后研制成使用LED和LD的單模光纖PFM視頻傳輸系統，工作于1310nm波長，達到我國彩色視頻有線傳輸的廣播級指標（乙級：加權視頻信噪比≥62dB，微分增益≤±2％，微分相位≤±2°；甲級：加權視頻信噪比≥65dB，微分增益≤±1％，微分相位≤±1°）。在作無中繼傳輸時，采用LED時可達到20km；采用LD時可達到60km。這種視頻音頻光端機曾在我國暢銷十年，廣泛用于電視臺站之間（例如演播室到發射臺、衛星地面站到有線電視前端）的電視節目基帶信號的傳送，也用于有線電視聯網中縣到市的節目回傳；還用于大型運動會或文藝演出的實況電視新聞轉播、導彈和衛星試驗場的實況遙遠觀測及工業、交通監控等等場合。
上述視頻光纖傳輸系統都不能傳輸多路視頻信號。為了實現多路視頻/音頻信號的遠距離傳輸世界上于80年代發展了頻分多路調頻（FM）制的視頻/音頻光纖傳輸系統。PFM視頻光纖傳輸系統的問題是脈沖波形富含諧波分量，故占據頻帶很寬，所以不容許多路傳輸，于是人們想到了模擬調頻制。利用模擬視頻/音頻信號對正弦的副載波實施調頻，多個不同頻率的副載波就可以攜帶多路視頻/音頻信號。通常取一個頻道的寬度為40MHz，在700MHz左右的頻段中能夠容納16路視頻/音頻信號，再通過光強調制跨越40－60km單模光纖鏈路，達到我國的廣播乙級指標。這種多路視頻/音頻光纖傳輸系統由于價格高、容量不夠大、調頻制式與廣播電視調制體制不兼容，故適用場合有限，不久后就讓位于AM/VSB多路射頻電視光纖傳輸系統而退出市場。
三數字基帶視頻光纖傳輸系統
隨著數字技術的發展，特別是高速數字集成電路的成熟，進入21世紀以來基帶視頻光纖傳輸系統也走向數字化。出現了三種類型的數字視頻/音頻光端機。
1、模擬接口數字視頻/音頻光端機
把模擬視頻/音頻信號簡單數字化（取樣、量化、線性PCM編碼），不采用任何碼率壓縮措施，充分利用單模光纖系統的帶寬資源，就能達到低成本、高質量、遠距離的傳輸。典型做法是對視頻取樣值進行10比特量化、對音頻取樣值進行20/24比特量化，結果光纖傳輸系統的輸出加權視頻信噪比可達到70dB以上，遠優于我國的廣播甲級指標。而且成本低，調試容易，適于大批生產。無中繼傳輸距離可根據應用要求通過選配適當的光器件來滿足，當采用1310nm FP激光器和1550nm DFB激光器時，若發送光功率為0dBm，傳輸距離可分別達到90km和130km，光纖色散的影響基本上觀測不到。這種數字視頻/音頻光端機具有模擬視頻、音頻接口，模/數、數/模轉換在光端機內部進行。它是各種應用場合PFM視頻/音頻光端機的最佳升級產品。
這種數字視頻/音頻光端機的電路部分容許復接與分接。一對光端機最多可傳輸4路視頻和8路音頻（16路立體聲）信號，無中繼傳輸距離可達65km（1310nm）和90km（1550nm）。若在光路部分進行波分復用，則4個波長的系統容許傳輸16路視頻和32路音頻（16路立體聲）信號。
這種數字視頻/音頻光纖傳輸系統還容許多次中繼，來大大延伸傳輸距離。
2、SDI接口數字視頻/音頻光端機
隨著數字視頻、音頻傳輸技術的進步產生了數字視頻、音頻傳輸的各種技術標準。其中，串行數字接口（SDI）標準由移動圖像和電視工程師協會（SMPTE）制定，在當今的廣播電視行業，對標準清晰度、高清晰度的視頻、音頻數據的存儲、編輯、傳輸和應用都廣泛地采用這個標準。
SDI標準規定了怎樣通過同軸電纜在設備之間傳送未經壓縮的串行數字視頻數據。根據數據速率不同，有兩種SDI標準：標準清晰度（SD）SDI和高清晰度（HD）SDI。這兩個標準的基本電氣規范相同，其主要差別是HD-SDI具有更高的數據速率：1.485 Gbps和1.485/1001Gbps，而SD-SDI數據速率范圍為143Mbps至540Mbps，最常用的速率為270Mbps。
為了同時傳輸數字視頻和數字音頻，須將數字音頻信號插入到數字視頻信號中，其實就是將數字音頻信號插入到視頻信號的行、場消隱脈沖中。在4：2：2串行數字視頻分量信號中，視頻行消隱和場消隱期間的信息是不需要的，這樣，就可把音頻數據以輔助數據的形式插入到數字視頻分量格式的兩個空隙中去。視頻信號采用10比特采樣，而一個數字音頻子幀為32比特采樣（音頻為20比特采樣）。
具有SDI接口的數字視頻/音頻光端機最近幾年在廣播電視臺得到了大量的應用，主要用于傳輸SD-SDI或者HD-SDI視頻信號。在光端機的電輸入部分均設置波形整形器來去除電纜傳輸帶來的信號波形劣化。SD-SDI數字視頻音頻光端機能無中繼傳輸將近120km，HD-SDI光端機能無中繼傳輸80km，并且能進行無損中繼，還能夠通過光纖放大器來延長傳輸距離。
3、以太網接口數字視頻/音頻光端機
隨著以太網技術的發展，具有RJ45以太接口的網絡型數字視頻/音頻光端機已經商用。這種光端機的物理層是以太光收發器，在數據鏈路層形成以太MAC幀，該幀的凈負荷區含有按UDP協議包裝的IP幀，而IP幀的凈負荷區由按MPEG2或H.264協議壓縮編碼的視頻傳送（TS）包組成。
四射頻電視光纖傳輸系統
有線電視光纖傳輸系統是光傳輸技術在廣播電視領域最主要的應用。
我國所稱的“有線電視”一詞，在國外稱為CATV（Cable Television），起初是指用同軸電纜傳輸的射頻電視，后來也包含用光纜傳輸的射頻電視。1947年發源于美國的同軸電纜共用天線電視分配系統不斷地擴張，不但跨越了住宅樓、社區、街道，還發展成了覆蓋城區，甚至連接鄉村的電視分配網。我國在80年后期也出現了第一批覆蓋部分城區的同軸電纜有線電視網。但是同軸電纜的損耗隨頻率遞增，即使采用直徑12mm的干線電纜，大約每300m就需要設置一個帶頻域均衡器的射頻放大器。沿線路的噪聲和信號非線性失真累積使系統的指標迅速劣化，加之電纜接頭、供電、防雷等工程施工麻煩、維護不易，且造價很高，阻礙了這種射頻電視分配網向大范圍的發展。
在國外，人們早就在尋求通過光纖傳送多路射頻電視的方法，但苦于缺少高線性、大功率、低噪聲的光源。高線性的要求是首位的，因為射頻電視信號是模擬信號，多路模擬信號通過非線性器件會產生大量的互調（inter- modulation）和交調（cross-modulation）產物，形成頻道間的載波串擾（表現為電視機屏幕上的網紋）和信號轉移（表現為電視機屏幕上的串臺）。其次，對于點到多點的電視分配系統沒有大功率、低噪聲的光源就無法保證用戶端獲得足夠大的載噪比（表現為電視機屏幕上的雪花）。直到1989年1310nm大功率分布反饋（DFB）半導體激光器在美國Ortel公司研制成功并轉入生產，才使多路AM/ VSB射頻電視的光纖傳輸成為現實。1995年AM/VSB外調制1550nm光發送機和摻鉺光纖放大器又走向成熟，為長距離和大范圍的射頻電視傳輸和分配提供了強有力的手段。
1、副載波復用光纖傳輸技術
談到通信體制，人們需要的自然是一個物理介質上的多路通信。有頻分多路（FDM）與時分多路（TDM）兩種多路通信技術。在通信發展的歷史上，總是先有FDM體制，然后有TDM體制。FDM體制是多載波的并行傳輸，不但用于載波電話，而且用于廣播電視。系統容量越大，要求的頻帶就越寬。從70年代開始，時分串行的基帶數字電話體制（PDH和后來的SDH）代替了載波電話體制。對于電視，在有效的數字編碼壓縮技術被標準化和工業化以前，人們依賴的仍然是FDM體制。至于物理介質，電話經過了對稱明（銅）線、小同軸電纜、中同軸電纜到單模光纖的演變，電視則經過了無線、同軸電纜到單模光纖的演變。
多路AM/VSB射頻電視光纖傳輸系統與多路FM射頻電視光纖傳輸系統同屬副載波復用光纖傳輸系統。前者對后者的優勢在于：（1）殘留邊帶調幅（AM/VSB）制的廣播電視信號占用較窄的頻道寬度（對PAL-D為8MHz），在中國廣電規定的84－862MHz頻帶內共包含94個頻道，使電視分配系統的容量極大。2）這種信號可由家用電視機直接接收，故系統構造方便。
2、直調式AM/VSB射頻電視光纖傳輸技術
只要有高線性的直接調制光源，多路AM/VSB射頻電視光纖傳輸系統的工作原理是極為簡單的，如圖1所示。半導體激光器（Laser）的功率－電流特性（P～i）在門限電流Ith以上是理想線性的，射頻信號電流i流過激光器，發送光功率P 的波形會無失真地再現射頻信號電流i的波形，只要光調制度m足夠小。在光纖末端光探測器（Photo-diode)輸出的光電流ip與接收光功率Pr成線性關系，即與發送光功率P成線性關系，所以光電流ip將再現射頻信號電流i的波形。
圖1(a) 直接光強調制系統
圖1(b) 激光器的線性驅動
實際上，由激光器內部電光耦合過程決定的動態本征非線性和多頻道總的瞬時驅動電流偶然擺動到門限電流以下時產生的削波效應仍然使光功率波形發生失真。對良好的激光器而言，削波失真是系統二階互調和三階差拍的主要限制因素，并受到頻道數N和每頻道光調制度m的制約。AM-VSB射頻光纖傳輸系統的組合二階互調（CSO）定義為落入某一頻道中某一頻點上的二階互調產物（頻率為fi±fj）的總功率與該頻道圖像載波功率之比(單位為dBc)。組合三階差拍（CTB）定義為落入某一頻道中某一頻點上的三階互調產物（頻率為2fi±fj）和三階差拍產物（頻率為fi±fj±fk）的總功率與該頻道圖像載波功率之比(單位為dBc)。多頻道信號電流的高斯統計表明，在滿足m(N)0.5=0.35時由削波決定的CSO和CTB的值都在－70dBc左右，滿足所有應用的要求。故光調制度須按與頻道數的平方根成反比而設置，例如N=49，m=5%；N＝81，m＝3.9%。先進的AM-VSB光發送機中具有光調制度的自動控制電路和非線性予失真補償電路。
AM/VSB射頻光纖傳輸系統的載噪比（C/N）定義為某一個頻道的圖像載波功率與該頻道內的噪聲功率之比（單位為dB），由接收平均光功率與光調制度之積的平方、前置放大器電路噪聲功率、光電轉換散彈噪聲功率（正比于接收平均光功率）和激光器相對強度噪聲功率（正比于接受平均光功率的平方）決定。在典型的接收光功率－3dBm下1310nm波長的AM/VSB射頻光纖傳輸系統的載噪比可達50dB。在此接收光功率附近，接收光功率降低1dB，載噪比約降低1dB。
3、外調式AM/VSB射頻電視光纖傳輸技術
1310nm波長的AM/VSB射頻光纖傳輸系統的主要缺點是傳輸距離較短，這是由于商用激光器的發送光功率最大只有+12dBm，如果要求接收光功率為－3dBm，則鏈路損耗最多只有15dB，點對點傳輸距離最大只有37.5km。將工作波長移到1550nm，光纖損耗常數降低40％，加上摻鉺光纖放大器（EDFA）的利用，傳輸距離可大大延長。在不需長距離時，富裕的光功率可供應更多的光節點。因此1550nm波長的射頻光纖傳輸系統是長距離、大范圍聯網的強有力手段。
1550nm波長射頻光纖傳輸系統需要使用外調制光發送機。1550nmDFB激光器不被調制，以避免光源波長啁啾與大的光纖色散的結合所造成的信號二階失真。外調制器通常采用鈮酸鋰（電光晶體）介質波導構成的Mach-Zehnder光干涉儀，它的損耗特性依賴于射頻電極上的外加電壓，并具有升余弦形狀。將直流電極上的偏壓加到該損耗特性的線性中點，輸出光功率就隨外加射頻信號電壓作線性變化，但光調制度必須被控制到比直調式光發送機略低，約3.5%。鈮酸鋰電光調制器的損耗特性會隨溫度而漂移，故其偏置點需要受到自動控制。另外射頻信號也需要經過予失真補償電路再加到外調制器上，以保證最佳的非線性失真指標。經過外調制器的插入損耗，1550nm光發送機的輸出功率不大，一般有兩路＋7－＋9dBm，通常外接EDFA，再輸出給光纖線路。典型的入纖光功率為＋17dBm、接收光功率為0dBm時，不含線路光纖時達到的技術指標有：C/N=53dB，CSO＝－65dBc，CTB＝－65dBc。
在使用1550nm波長射頻光纖傳輸系統時須防止受激布里淵散射（SBS）現象的發生。受激布里淵散射是石英光纖中的一種非線性現象，發生在入纖光功率高于一定門限時，產生反向散射光，它具有相對于入射光的頻移，同時消耗入射光的功率，其結果就是系統輸出載噪比的急劇跌落。在1550nm光發送機中須采用SBS抑制措施，通常是在外調制器上疊加微波電壓進行附加調相，展寬光譜，從而把SBS門限功率提高，能達到＋17－＋19dBm。在系統應用時控制入纖光功率低于SBS門限功率，就能避免SBS現象。
在長距離1550nm波長射頻光纖傳輸系統中要每隔一段距離加一個EDFA來補償光纖損耗。EDFA的介入，其內部自發發射噪聲（ASE）會造成系統載噪比的跌落。理論和實踐證明，這種載噪比跌落取決于EDFA的輸入光功率與噪聲系數之比，輸入光功率越大，系統載噪比跌落越?。ū平?dB）。另外，EDFA的引入基本不影響系統CSO和CTB指標。這樣，就容許多個EDFA的級聯，構成超長距離的1550nm射頻光纖傳輸系統。但是傳輸距離超過80 km時，大功率作用下光纖中另一種非線性現象—自相位調制與光纖色散的結合會造成系統CSO的劣化。為避免這種劣化，應當在線路的適當地方串接色散補償器。常用的色散補償器有光纖Bragg光柵和色散補償光纖等。在過長的光纖段末端，出纖光功率太低，EDFA會造成系統載噪比的過度跌落，這時可以在EDFA之前向光纖反向注入泵浦光功率，形成在線喇曼放大，以提升EDFA的輸入光功率。巧妙運用這些技術的集合就可以構造距離長達300～400km的模擬電視光纖傳輸系統和距離長達600～800 km（甚至1000 km）的數字電視光纖傳輸系統，而其造價遠遠低于SDH數字光纖干線。
實踐證明，1550nm副載波復用光纖傳輸系統不但適合于構造市縣聯網的超干線和城域網中連接前端/分前端的模擬干線，而且適合做電視分配網的光支線，直到用戶樓房或村莊。1550nm電視分配網的造價一般比1310nm電視分配網的造價低30－40％。
五作為電視分配網的HFC網
從1989年開始，采用AM/VSB光纖傳輸系統的光電結合射頻電視分配網在美國大規模敷設，與傳統的同軸電纜CATV網相比信號質量顯著提高，節目數（頻道數）大大增加，網絡覆蓋范圍迅速擴大。
1992年5月中國第一個光纖CATV科研示范工程由上?？萍即髮W倡導和設計，由上海市科委支持在上海市嘉定縣完成，它采用光纖到饋點（FTTF，Fiber to the Feeder）模型，從電視臺敷設星型的AM-VSB光纖傳輸干線到各個居民小區，在小區光節點（Node）完成光電轉換，再通過樹形同軸電纜分配網把射頻電視節目傳送給居民家庭。一個光節點的覆蓋用戶數為2000戶。在上?？萍即髮W科技人員的幫助下，10月，上海有線電視臺到長寧區的光纖CATV干線開通。12月，江蘇省無錫市的光纖CATV干線也順利開通，于是1992年成為中國光纖CATV網絡大發展的元年。
1993年美國AT&T的貝爾實驗室把FTTF光電結合射頻電視分配網命名為光纖同軸混合（HFC，Hybrid Fiber and Coax）網。十多年來這種技術在美國造成了覆蓋6500萬家庭的CATV大網。在中國，2300多個市縣都先后采用1310nm或1550nm AM/VSB光纖傳輸系統來建設有線電視網。光節點設在野外，依據中國廣電行業標準，在光節點輸出端測得的射頻技術指標通常定為C/N≥49dB，CSO≤－61dBc，CTB≤－65dBc。進入21世紀以來，全國進行從模擬電視到數字電視的整體轉換，HFC網的副載波復用光纖傳輸設備沒有變化，只是承載的信號從AM/VSB模擬電視信號變成QAM調制數字電視信號。到2014年底，全中國的HFC網共覆蓋了2. 31億家庭，其中數字電視用戶達到了1.86億戶。
六作為寬帶接入網的HFC網
1、三種光電結合寬帶接入網
90年代后半期互聯網開始大普及，建設作為國家信息高速公路連接千家萬戶的最后1英里的寬帶接入網成為社會信息化發展的重大任務。世界上發展了三種光電結合的寬帶接入網：FTTC+ADSL（光纖到路邊+非對稱數字用戶環路）、FTTB+LAN（光纖到樓＋局域網）、HFC＋Cable Modem（光纖同軸混合網＋電纜調制解調器）。這三種接入方式中的銅介質分別是電話線（非屏蔽雙絞銅線）、5類線（非屏蔽數據電纜）和同軸電纜。除了5類線是為傳輸數據設計的以外，非屏蔽雙絞銅線原來是設計來傳輸音頻信號的，而同軸電纜原來是設計來傳輸射頻信號的。為了利用這些已廣為敷設的銅纜來同時傳輸數據信號，就不得不利用載波數據傳輸技術，即數據對載波的調制解調技術。
ADSL技術由美國Bellcore公司發明于80年代后期，它利用先進的調制解調技術，如正交幅度鍵控（QAM）、無載波調幅調相（CAP）、離散多頻調制（DMT）等，在一對銅雙絞線上傳送數據分組，下行傳輸速率可達1.5～8Mbps，上行傳輸速率可到16-640 kbps。在頻譜上同時兼容話音信號。ADSL的缺點有：（1）受到電話電纜中線對間串擾的限制，一根電纜中挑出來能用于ADSL的線對的比例只有20～25%。（2）速率越高，可用距離越短。ADSL的帶寬不能支持綜合業務接入網。
FTTB＋LAN是一種計算機局域網技術。它從城域網的邊緣以太交換機出發采用點到點以太光收發器連接用戶樓宇內的以太交換機或以太集線器，然后用5類線連接用戶電腦。這種接入技術的優點是價廉，這得益于以太網的協議簡單和高普及率（全世界90%的電腦是靠以太網連接起來的）。但是從本質上看，以太網是一個點到點（peer to peer）的對等網絡，沒有網絡管理，把局域網當成接入網，對辦公室尚可，對住宅用戶則不妥。因為在傳統的以太網技術體制下存在信息私密性問題和用戶管理問題。
HFC上的Cable Modem技術自90年代后半期開始由美國MCNS（多媒體同軸網絡系統）組織和CableLabs（電纜實驗室）發展，先后制定了DOCSIS1.0、DOCSIS1.1、DOCSIS2.0和DOCSIS3.0標準。DOCSIS電纜調制解調器系統承載IP數據包。DOCSIS把計算機網絡的OSI七層模型的物理層劃分為物理層和傳輸會聚子層，把數據鏈路層劃分為媒質訪問控制子層和數據鏈路加密子層 。媒質訪問控制（MAC）子層采用時分多址（TDMA）方式，局端CMTS對用戶端CM接入上行信道進行控制，以免多個CM同時傳送數據而造成數據碰撞，并實現帶寬分配。物理層（PHY）負責數據對射頻載波的調制和解調。調制和解調制式在下行方向為64QAM和256QAM，在上行方向為QPSK和16QAM。傳輸會聚（TC）子層只存在于下行通道中，計算機數據在TC子層被封裝入188字節的MPEG-2幀中，使DOCSIS數據能與其他業務的MPEG傳送流復接而為同一個射頻載波所載送。為了容納IP電話（Voice over IP）、IP視頻等定時數據業務，DOCSIS1.1在DOCSIS1.0基礎上進行了擴展。采用業務流、數據包分類和上行業務流調度服務來保證業務質量（QoS）；利用數據包分片來減少IP電話的時延和時延抖動；利用凈荷包頭抑制來提高傳輸效率等。EuroDOCSIS針對歐洲市場而制訂，其物理層劃分上行頻段為5-65MHz，下行頻段為96-864MHz，下行頻道間隔為8MHz。下行數據速率為41.71 Mbps（64QAM）。糾錯碼格式為ITU-J83 Annex A，與歐洲的DVB（數字視頻廣播）標準相容。中國Cable Modem系統的廣電行業標準基本上采用了EuroDOCSIS1.1。DOCSIS2.0主要增強了上行物理層性能，采用S-CDMA（同步碼分多址）體制改善了抗突發干擾的性能，同時提高了上行碼流帶寬，使Cable Modem系統能在C/N=15dB的條件下在6MHz頻帶中進行8.192Mbps的雙工傳輸，誤碼率為10-8。當上行通道的載噪比降為6dB時，系統仍能維持通信。DOCSIS3.0協議的制定于2004－2008年間完成，其關鍵點是采用頻道綁定技術來擴大下行和上行吞吐量。
技術本質上，HFC原來是一個點到多點的廣播式網絡，在同軸電纜部分存在上行頻帶擁塞（6－65MHz）和電磁干擾嚴重（漏斗效應）的問題。為了解決這些問題，只能把一個光節點覆蓋的同軸電纜用戶數逐步減少（2000戶—500戶—300戶—100戶—50戶），于是就需要設置越來越多的光節點。數據傳輸要求把HFC網雙向化，而這需要巨大的投資。這個投資既要用于更換業已老化的屏蔽性能不好的同軸電纜和無源器件，把單向放大器換成雙向放大器，又要用于增設許多雙向光工作站，還要在前端大大增加光發送機（或發送光功率）的數量，并增設許多反向光接收機。更為難的是，HFC網主體所用的下行波長是1310nm，而上行波長又是1310nm，在架設上行光路時就不得不從每個光節點加設一條獨立光纖回到前端。高昂的建設費用在中國只有幾個特大城市（北京、上海、深圳、廣州）支付得起，事實證明HFC+Cable Mode不能在中國大規模推廣。
2、光進銅退是寬帶接入網的共同選擇
上述各種寬帶接入網的問題，歸根到底是銅介質的帶寬瓶頸。因此“光進銅退”，實行FTTB（光纖到樓）、FTTO（光纖到辦公室）、FTTH（光纖到家），或總稱為FTTP（光纖到駐地）、FTTx，是世界各國的共識。
FTTH當然是世界寬帶接入網的最后歸宿，而其它各種FTTx都是適合一定條件的過渡方式。
七光接入網的最佳技術
1、無源光網（PON）
從1999年底開始的三年中，世界陷入了光產業的寒冬。光泡沫的破裂來源于對波分復用高速核心網（光干線和光城域網）作盲目投資的同時，卻極大地忽視了光接入網的技術研發和產業形成，銅線瓶頸造成用戶業務無法上到信息高速公路，以致若干年中美國敷設的光纜干線中90%的光纖都是暗而未用的。在2003年以后的七年中世界光通信逐漸復蘇，其原動力就是FTTx運動。FTTB/H所依賴的光纖接入網技術是時分多址的無源光網（TDM-PON），主要有EPON、BPON和GPON。
PON是無源光網（Passive Optical Network）的簡稱。PON的結構如圖2所示，由置于局端的光線路終端（OLT）、置于用戶端的光網絡單元（ONU）及兩者之間的1：N光纖分配網（ODN）組成。N個ONU共享一個OLT和長達10-20km的光纖干線，并利用波分復用器（WDM）工作于單纖雙向傳輸方式。ONU置于用戶樓房，系統是FTTB，ONU置于用戶家庭，系統是FTTH。PON的關鍵優越性是外線路無源，與以往的任何外線有源的接入網相比，節省了機房建設、設備裝備、電力供應、日常維護等一系列費用，而且也使傳輸系統更加可靠。OLT和ONU都由媒質接入邏輯電路（MAC控制器）、光收發器和波分復用器組成，但OLT是主控端，ONU是受控端。TDM－PON在上行方向（ONU—OLT）都工作于時分多址（TDMA）方式，即由OLT的MAC控制器為一個ONU的MAC控制器規定該ONU的發送開始時刻和發送持續時間，讓各個ONU輪流發送，以此來避免兩個以上ONU同時發送時的數據碰撞，并完成對各個ONU的帶寬分配。依據數據格式和相應的媒質接入邏輯的不同，于是有BPON、GPON、EPON的區分，其中EPON是以太無源光網的簡稱，它傳輸的是變長的以太幀，因此它的MAC控制器是用來處理以太幀的發送、接收和控制的。
圖2 PON的構成
以太無源光網與傳統的光纖以太網的不同在于：（1）點到多點外線無源結構造成光纖、光收發器的節??；消除中間機房更造成固定資產和運行費用的節約；消除中間環節使網絡可靠性提高。（2）把傳統的對等網絡變成主從式網絡，ONU的接入完全由OLT控制（包括注冊、接入授權和帶寬分配），網絡設備的運行、維護和管理，特別是對ONU流量的監控都由OLT進行，并在EPON協議中予以規定。這樣就把以太網從一種無管理的局域網升級成了有管理的以太接入網（EAN，Ethernet Access Network），特別適用于住宅接入環境。
EPON協議簡單，與傳統以太設備兼容，故EPON的成本最低，易于推廣，而且在各種接入網中速率最高。這一代是1G-EPON，下行和上行速率為對稱的1 Gb/s（IEEE 802.3ah標準）；下一代是10G-EPON，其下行速率為10Gbps，上行速率為10Gbps或1Gbps（IEEE 802.3av標準）。在各種PON的比較中，EPON結合以太技術的簡單性、光纖傳輸的高帶寬以及點到多點無源結構的低成本，實現經濟的、可控制的、多業務的寬帶接入，是優選的光接入網，將在FTTx中扮演主要的角色。
2、突發光收發技術
TDM-PON的出現把光通信技術推進到了一個新的高度。
過去的光通信系統，無論PDH、SDH、以太網等等都是點到點的光纖傳輸系統，系統端機都工作在連續發送和連續接收的模式。在通信的任一方向，光發送機中的激光器一直在發光，自動功率控制（APC）容易實現；光接收機看到的是連續的光信號，因此對數字信號的定時提取和判決再生都容易完成?，F在TDM-PON的上行方向則不然，ONU的光發送時斷時續，突發發送讓瞬時APC較難實現；OLT的突發接收首先要求光接收機的判決門限或放大器增益能在兩個突發光包之間作自適應調整。例如在圖3中，前一光包峰峰幅度大（說明來自一個近處的ONU），需要的判決門限高或放大器增益低，而后一光包峰峰幅度?。ㄕf明來自一個遠處的ONU），需要的判決門限低或放大器增益高，光接收機的自適應設定須在很短的時間內完成。另外對新到光包所攜帶數字信號的時鐘恢復須在光包的前導碼時間內完成，否則無法進行對后續有用數據的判決。為此，TDM-PON有幾項突發時間參量必須由光收發模塊來滿足，它們是：激光器開啟時間Ton、激光器關閉時間Toff、光接收機設定時間Trs和時鐘數據恢復時間Tcdr。
圖3 TDM-PON的突發參量
在這一方面，1/10G-EPON是最寬松的，802.3ah和802.3av規定Ton=Toff=512 ns，Trs＝Tcdr＝400 ns，這是EPON設備能夠迅速產業化且價格低的重要原因。
3、EPON與GPON的對比
同為綜合業務接入網的EPON與GPON，設計思路不同。
作為世界上最普及的承載IP數據包的以太網向接入網的演進，EPON傳送的是變長的以太幀，幀與幀之間靠空閑字符填充。對各種業務應用的承載是通過IP包對應用數據的包容來實現的，而對業務質量（QoS）的保證則是通過IP包的業務類型（ToS）字符、以太MAC幀中的優先級標識和VLAN劃分，再通過EPON多點MAC控制中的帶寬調度過程而實現的。1Gb/s到10Gb/s或更高速率的提升沒有上行突發參量的障礙。
GPON要承載傳統TDM電話業務和各種IP業務，采用了定長（125μs）的匯聚幀，需要嚴格的定時操作。通用的封裝方法（GEM）把匯聚過程變得復雜，如圖4所示。特別是對上行突發控制規定了苛刻的突發參量，例如Ton=Toff=16比特，Trs＝Tcdr＝55比特，給集成電路和光模塊的運行造成了很大的困難。這不但使GPON產品的成熟推遲四年，而且卡死了上行速率提高的道路。試想，對于2.488Mb/s速率，1比特=0.4ns；若要上升到10Gb/s速率，則有1比特 =0.1ns，16比特=1.6ns！沒有集成電路和光模塊能在這樣短的瞬間完成開或關。 因此下一代GPON的單波長上行速率不能達到5Gb/s以上。
圖4 GPON與EPON的封裝協議
從傳輸速率比較，EPON的1Gb/s低于GPON的2.488Gb/s。在同樣分光比前提下，采用GPON可以減少OLT端口數。但比較10G-EPON和XG-PON1，下行速率相當；而上行速率，10G-EPON有10 Gb/s和1Gb/s兩種，選擇和升級余地更大。 XG-PON1則只有2.488Gb/s，更高速率不能實現。所以在速率方面GPON比EPON并沒有優越性。
從QoS保證比較，EPON和GPON的實現機理本質上是一樣的。
從多種業務支持看，EPON是一種計算機網絡設備，它傳輸變長的以太數據幀，而以太數據幀天生就是用來載送IP數據報的。應用層的各種業務數據字節只要能裝入IP包，就能通過EPON。GPON標準規定要支持TDM電話業務和專用線，還要支持Ethernet 業務（含IP業務和MPEG視頻流）。GPON 本來就是為電信營運商設計的。而為了載送TDM電話流，必須采用定長幀。就不得不在發送端將以太流切斷成125μs段落，在接收端又來重組以太流，增加許多軟硬件成本。這對于IP業務完全是“削腳適履”。
綜上所述，在速率、QoS、IP多業務承載等方面，EPON產品與GPON標準規范得相當，但每單位帶寬成本EPON則要比GPON低得多。EPON的技術更成熟，更早被市場接受，更早進入大規模商用階段。升級發展路線圖更清晰。對于非傳統電信營運商的廣電營運商，即使在三網融合條件下現在不會，而且永遠不會去從事TDM電話業務，因為TDM電話被IP電話取代已經成為世界潮流。所以為TDM業務而生的GPON對廣電營運商來說沒有什么特別吸引人的價值。
4、下一代TDM-PON
在世界上，光技術的應用已經把核心網的運行速度推進到100Tb/s量級，單波長運行速率推進到1Tb/s量級。400Gb/s光以太設備的標準已在探討之中。在這個背景下光接入網的速率有必要發展到100/40Gb/s量級，而每家庭1Gb/s接入速率正在受到關注。
圖5 無源光網的發展路線圖
IEEE802委員會已于2015年7月成立下一代EPON（NGEPON）研究組。前期研究將為40G-EPON的標準制定奠定基礎，并探討100G-EPON的可能性。一個PON擬首先采用4個波長，每波長10Gb/s或25Gb/s。數據對光波的調制方式可能是PAM-4（四電平調幅）或Duo-binary（雙二進制）。還將采用新型的前向糾錯（FEC）技術?，F在的關鍵技術是如何達到每波長25Gb/s的傳輸速率，以及如何實現波長的調度。
圖6 NG-EPON的研究路線
ITU-T也在開發XGPON-2標準，采用多波長來達到40Gb/s速率。第一個協議是TWDM-PON。由于繼續采用沒有波長選擇性的光分配網，迫使ONU光發送機要采用可調激光器，光接收機要采用可調光濾波器，如圖7所示。由于成本高，動態控制難，迄今可行性差，尚待完善。
圖7 TWDM-PON的構成方案
5、PF-TV 疊加的EPON
1/10G-EPON的出現和成熟為有線電視HFC網演進為高速的、綜合業務的寬帶接入網提供了出路。
HFC網是一種點到多點的、頻分多路的射頻傳輸網絡，它是優秀的：下行頻帶寬闊、容量大；副載波復用模數兼容；技術成熟，非常適合于廣播電視業務。但是要把它變成可靠的雙向網絡則十分困難，要求的投資太大，而數據通信通過Cable Modem所需成本高，帶寬資源有限，沒有足夠的發展余地。
EPON是一種點到多點的、時分多路的基帶數據網絡，它是優秀的：傳輸容量大（特別是10G-EPON）；價格低廉；技術成熟；與普及率最高的以太網連接方便。它承載IP數據包，因而適合于提供所有的IP業務：Internet接入、IP電話、IP-TV等等。
將上述兩者結合起來，可以形成一個三網融合的包攬一切業務的寬帶接入網。這種結合的物理基礎在于以下兩方面：
（1）只要將光節點下移到用戶大樓或用戶家庭，則HFC和EPON可以共用一個點到多點的光分配網（ODN），因為兩者的網絡拓撲天生是匹配的。
（2）HFC的頻分多路射頻信號和EPON的時分多路基帶數據不能直接疊加，但是采用波分復用技術，兩者的光載波只要波長適當錯開，就可以復用在一條光纖中。為此IEEE802.3 LAN/MAN標準委員會在制定1G-EPON和10G-EPON標準時已經考慮了網絡融合問題，特別把1550nm留給了射頻電視，而將EPON的下行波長旁置，決定的波長安排如圖8所示。
圖8 1/10G-EPON的波長配置
于是一個特別適合于廣電運營商的新的寬帶接入網方案應運而生，如圖9所示，稱為RF-TV overlay EPON。
圖9 RF-TV overlay EPON
首先，它是光纖到樓或光纖到家的1550nm波長的廣播電視網，不但保留了HFC網的全部優點，而且由于外線光纖化，外線再也不需供電；不怕雷擊，網絡可靠性大大提高；外線免去維護，網絡管理也大大簡化。射頻電視廣播不需要回傳通道，不需要Cable Modem，所以投資將大大節省。同時，它又是EPON。前端OLT與樓頭或家庭的ONU間進行著雙向數據通信。它負責提供全部IP業務和網絡管理通道。
為了使兩者疊加，在OLT的輸出端設置WDM合波器，把EPON的下行光波（1490nm波長或1577nm波長），與HFC的下行光波（波長1550nm）耦合進光纖線路。在ONU中包含WDM分波器和射頻電視光接收機，這種三波長ONU就是HFC和EPON的共同光終端。網絡結構之簡潔保證了它的低成本。
對電視業務而言，RF-TV overlay EPON同時提供了廣播電視（RF－TV）和互動電視（IP－TV）兩個通道。廣播電視（包括SD和HD）業務集中在RF通道進行，而把互動電視（如VoD等）集中在IP通道進行。廣電營運商再也不必為了在HFC網開通互動電視而耗費巨資增添大量的IPQAM設備。
八結語
全世界都在“光進銅退”，FTTx運動如火如荼。光纖化、外線無源化、IP化是有線傳輸領域接入網技術發展的總趨勢。RF-TV與EPON的波分復用疊加應被領悟為NGB寬帶接入網的主流技術。在這方面10G-EPON的應用十分重要。一棟公寓樓居住50戶，若有五分之一要同時通信，每戶要用60Mbps數據流量，每棟樓的總數據流量就是600Mbps，這么大的接入數據流量只有10G-EPON的OLT能夠支撐。
光通信已發展45年。光纖傳輸在廣播電視領域的應用也發展了40多年，在中國的廣播電視領域已應用32年。從起初傳輸單路模擬基帶視頻/音頻信號、多路模擬基帶視頻/音頻信號，到傳輸數字基帶視頻/音頻信號，再到傳輸多路射頻電視信號（模擬調制和數字調制），最后到攜帶數據信號；從采用多模光纖到采用單模光纖；從采用1310nm波長到采用1550nm波長，光纖傳輸技術的每一次進步都被應用到中國廣播電視領域里來，包括：常規光纖光纜及其配件、特種光纖（非零色散位移單模光纖、摻鉺光纖、色散補償光纖）、光有源器件（DFB激光器、FP激光器、泵浦激光器、PIN光探測器、APD光探測器、光收發器、突發光收發器）、光無源器件（光耦合器、光分路器、波分復用器、光隔離器、光纖光柵、介質薄膜光濾波器、增益均衡光濾波器、Mach-Zehnder光干涉儀、鈮酸鋰電光調制器、光開關、光衰耗器、光纖連接器）、光傳輸設備（1310nm直調式光發送機、1550nm直調式光發送機、1550nm外調式光發送機、摻鉺和餌鐿共摻光纖放大器、喇曼光纖放大器、光接收機、以太光收發器、OLT、ONU）等等。形成了一個龐大的光產業。
光傳輸技術的引入，在世界范圍內開辟了電話以外光纖在電視、數據領域的海量市場，促進了中國廣播電視技術的巨大進步，特別是造就了一個已經覆蓋2.3億戶城鄉家庭的有線電視網，使中國居民享受上百套廣播電視節目，并已經為幾千萬用戶提供互聯網上網、互動電視和其他多媒體業務。相信光傳輸技術在廣播電視領域將會得到進一步的應用，保證中國NGB和寬帶中國戰略目標的逐步實現。同時光傳輸技術的廣電應用也會促進中國光電產業的快速發展和升級，從而為中國經濟的騰飛和中國社會的和諧發展作出重要的貢獻。
參考文獻
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[9] 林如儉，《光纖電視傳輸技術》（電子工業出版社，第二版，2012年11月）。
[作者簡介]
林如儉，上海大學通信與信息工程學院教授，博士導師，上海市與教育部共建《特種光纖與光接入網重點實驗室》指導教師。社會兼職有：上海市通信學會理事、光通信專業委員會委員、中國廣播電視學會有線電視專業委員會委員、美國IEEE會員、IEEE802局域網/城域網標準委員會802.3研究組委員、802.3av10G-EPON、802.3bnEPoC任務組組員。上海凌云天博光電科技公司首席科學家。從事光纖通信系統與寬帶接入網研究、開發三十六年，發表了論文210多篇，擁有和申請中國專利20多項。
