摘要：本文首先介绍了有关双向交互的一些基本概念，然后叙述了catv双向化的必要性、双向传输的实现方法和反向通道的特点。
关键词：catv 双向传输 正向通路 反向通路 交互通路 双向滤波器

1 catv双向化的必要性
1）双向传输是有线电视发展的必然结果

    有线电视的英文缩写是catv，初期阶段称为共用天线电视（catv, community antenna television）系统，目前通常称为有线电视(catv,cable television)，iec称为电缆分配系统(cable distribution systems)。

有线电视又称电缆电视。所谓电缆，窄义上是指同轴电缆；广义上讲，这一通路可以由金属电缆、光缆、波导或它们之间的任何组合来构成，并引伸到用于包括一个或多个无线电链路的通路。

有线电视网络是已调制信号从前端到系统输出口的透明传输。它的的主要功能是传输和分配射频电视与声音广播信号，它的主要作用是给人们提供高质量的新闻性、娱乐性和教育性等节目及其他服务功能。

传统的有线电视网络是由点到面的广播网，其拓扑结构是树枝状，不容易进行点对点的通信。为了拓展有线电视业务，在电缆电视时期就有人搞双向传输试验，但未得到推广，直到目前光纤同轴混合（hfc）网才得以实现，并得到了发展。

双向传输（bi-direction(two way) transmission）是指在电缆分配系统的单根馈线上，以两个方向传输信号。在一根或多根馈线上使用双向传输的系统被称为双向电缆电视系统。dvb(数字广播电视)双向传输交互系统的一般参考模型见下图。

双向交互系统的一般参考模型

系统参考模型中，在业务提供者和用户之间建立了2个通道。图1中上面部分是广播通道（broadcast channel，bc）：传统的单向广播通道是传输视频、音频和数据信号的频道，美国称为正向应用传送（fat）通道，它能够包括正向交互通路。在有线电视网络（或hfc网）中实现双向传输，除了有正向下行通路，还要有反向上行通路。图1中下面部分是交互通道（interaction channel或interaction path，ic），美国称为通信信道，它在交互网络适配器（ina）和网络接口单元（niu）之间，提供为交互业务而建立的通信信道，由正向通路和反向通路组成。

反向通路（return path或reverse path）或称上行流通路，美国称为反向数据通道（rdc），是指电缆网络的一部分，来自网络用户的信号通过该部分，以上行流方向（upstream direction）发送到电缆网络的前端或任何其它中心点（节点）。它是由用户到业务提供者，用于对业务提供者提出请求或回答问题。它是窄带信道。

正向通路（forward path）也是电缆网络的一部分，信号从电缆网络的前端或任意的其他中心点（节点）分配到用户区。它是由业务提供者到用户，为交互业务提供某些短的信息和所需的任何其它通信。美国称为正向数据通道（fdc），它可被包括在广播通道中。

交互通路是相对广播通道而言，它是电缆网络的一部分，下行流方向（downstream direction）从前端或任何其它中心点（节点）到用户的信号流向和上行流方向（从用户到前端）的交互信号通过该网络进行传输，或称双向交互通道。它是为交互目的而在业务提供者和用户之间建立的。

用户终端是由网络接口单元（niu）和机顶单元（stu）形成，网络接口单元由广播接口模块（bim）和交互接口模块（iim）组成。用户终端为广播通道和交互通道提供接口。用户终端和交互网络之间的接口是经由交互接口模块。

广播通道、交互通道和用户终端共同构成了双向交互系统的参考模型。

2）交互业务需要双向传输

有线电视的潜在市场是交互业务，人们需要交互，交互需要双向。有线电视实现双向传输后，除原来的基本业务外，还有能力增加扩展业务和增值业务。

扩展业务，即公共广播业务的扩展部分，如图文电视、电视会议、数据信息广播、准视频点播（nvod）等。它们有较大的潜在收益。

增值业务，即将来可以通过双向传输进行交互式多功能应用的业务，这些多功能应用如，互联网接入、远程教学、远程医疗、电子邮件、计算机联网、数据通讯、家庭保安监控等多媒体信息服务。具体业务有：专业频道节目和付费电视及视频点播、视听多媒体、业务互联网接入、股票行情和证券信息、电视购物、智能化物业管理等。目前利用ip技术的packet cable 规范在前端和用户之间提供双向ip语音、视频数据的多媒体通信，如，ip电话、ip视频电话、iptv、家庭办公、多媒体会议、交互游戏和网上聊天以及通用多媒体业务。它们有极大的潜在收益。

有人从另一侧面，把这些业务分成电子政府（e-government）、电子商务(e-commerce)和电子社区(e-community)。电子政府为党政机关上网服务；电子商务为国内外公司、企业、银行之间以及它们与客户之间的商务活动服务；电子社区为建立智能信息社区服务。此外，电子社区还包括住宅安全自动化（防盗、防灾、防火、煤气泄漏、危重病人），管理自动化（三表自动抄送、停车、小区内部信息公告、bbs(bulletin board service,公告板业务)，监视自动化（门禁、庭院、车库、、、）。上面所说的基本业务、扩展业务和增值业务都属于这里的3e业务。有线电视双向业务的这种3e分类，使双向交互式多媒体的应用面更进一步扩大。现在，宽带电缆业务几乎通过97%的美国家庭。
3）iptv的竞争与合作

目前模拟有线电视向数字有线电视转换发展缓慢，而iptv却异军突起,它能很好地完成交互任务。iptv就是用因特网协议看电视。它是因特网与数字电视汇聚而成为交互数字电视的产物之一 ---iptv。tv移进因特网空间，因特网开始载有tv业务。可以看成是因特网中的pc换成tv。按需索取节目、资料等信息。sdtv和hdtv需要高速率，欲使用目前的计算机网，需提高对数码压缩能力，例如mpeg-4、h.264。

2 catv双向传输的实现
1）实现catv双向传输的方法

一般广泛使用的有线电视系统，只是把电视信号和调频广播信号下传给用户。如果建立了用户上传至前端的上行通路，用户与用户就能通信，从而实现catv双向传输。

对于以hfc为基本接入方式的有线电视网，光节点以前是光缆，可以用不同的纤芯传输不同方向的下行流和上行流（空间分割）。光节点之后，可采用同轴电缆、无线、五类线和/或双绞线及其组合实现双向传输。其主要形式有：

*同轴电缆传输广播电视、数据和话音等正反向信号（频率分割），这需要双向改造；

*同轴电缆传输广播电视、数据和话音等正向下行流信号，电话或无线回传反向上行流信号，不需要双向改造；

*同轴电缆传输广播电视正向下行流信号，五类线或双绞线（以太网）传输数据和话音等正反向交互信号。

有线电视系统中实现双向传输有如下几种方法：

*空间分割法：双缆法或双纤法。hfc网中，用光缆的两根钎芯分别作为上行通路和下行通路。或者使用电话线作为上行通路。

*时间分割法：电信和计算机网络使用时分复用（tdm）。双向有线电视也要用到时分复用。
*频率分割法：有线电视中用得最多。假定调频广播频段从87.5mhz开始，国际电工委员会（iec）推荐了反向通道的频率范围，它以分割频率的不同分成以下几种：

           30/47mhz;  50/70mhz;  60/80mhz;  65/87mhz。

在5--15mhz频段，由于群时延、侵入噪声、脉冲噪声、调频广播中频的影响；在27mhz地面民用广播频段的影响；在31.5mhz和38mhz，由于电视图象和伴音中频的影响；接近频段边缘的群时延影响。这些影响使传输质量下降，不能用于应急业务等数据的高质量传输，只适用于低速数据（例如，坚挺的移频键控（fsk）调制的监控信号）传输。

我国行业标准gy/t 106推荐65/87mhz分割频率，分割后的频谱利用情况如图1所示。反向通路的频率范围是5-65mhz，65-87mhz为隔离带，正向通路是65mhz以上地频段。对于正向交互通道，dvb推荐在70-130mhz选取下行带外（oob）交互信道。

图1   反向通路和正向通路的频谱利用情况

2）双向传输的工作原理
    对同轴电缆传输广播电视、数据和话音等正、反向信号这种情况，放大器的双向传输通常采用双向滤波器和反向放大器来实现，如图2所示。

在双向系统中，双向放大器（two-way amplifier）是用于分离或合成正向通路和反向通路信号，并具有放大能力的装置。它主要由正向放大器、反向放大器和双向滤波器组成。在双向放大器中，反向放大器（reverse amplifier）是用于放大反向通道信号的放大器。在双向放大器或双向系统中，双向滤波器（two-way filter）是用于分离或合成正向通路和反向通路信号的装置。

图2  双向放大器中实现双向放大的方法

来自前端的、频率为87—862mhz的正向输入信号经双向滤波器到正向放大器，正向放大器输出经双向滤波器下传至用户，完成下行信号的传输。由用户来的、频率为5-65mhz的反向信号经双向滤波器后进入反向放大器，放大后经双向滤波器上行传给前端，完成上行信号的传输。从而在双向放大器中完成了双向传输。

同轴部分的其它部件，如分支器、分配器等器件，要求其频率范围从5mhz开始。这样一来，反向信号从系统输出口经用户电缆、分支器等到放大器，通过反向放大器汇集到光节点，将电信号转变为光信号送入反向光纤，前端就会收到反向信号，完成了从系统输出口到前端的反向传输。

   3）交互通信的实现  

交互系统由正向交互通路（下行流）和反向交互通路（上行流）组成。所使用的调制类型是qpsk（四相相移键控）或16 qam（正交幅度调制）。正向通路的数据传输速率是1.544/3.088mbps和2.048mbps，反向通路的数据传输速率是1.544/3.088mbps和256kbps。

交互系统使用下行流从前端的交互网络适配器（ina）传输到用户端的网络接口单元（niu），提供同步和信息到所有niu。这允许niu适应网络，并送同步的信息上行。

交互系统是基于带外（oob）和带内（ib）2种下行流信令。在oob信令情况，正向交互通路是强制的。该通路仅服务于交互性数据和控制信息。在ib信令情况，正向交互通路被嵌入进dvb-c信道的mpeg-2的传送流（ts）中。在实际的网络中只用其一。
    交互系统的上行流被分成不同用户所使用的时隙，使用时分复用接入（tdma）。一个下行流通路用于同步上到8个上行流通路。在ina的计数器周期性的送到niu，这样所有niu以同一时钟工作。这给予ina以机会，分配时隙给不同用户。

该系统提供3个主要接入方式。第一个是基于竞争接入，假设任何用户可能与其它用户的传输产生碰撞的时候，传送信息。第二和第三种方式是基于无竞争，ina提供有限数量的时隙给特定的niu，或给定的比特率由niu申请，直到ina停止连接。在这些时隙中动态地共用这些接入方式，允许识别竞争是被允许或不被允许时的niu。这就避免了2种无竞争基本接入方式的碰撞。

周期性地，ina将识别新用户，使它们有机会通过登录过程，给新用户同步它们的时钟到网络时钟的机会，而没有与已经起作用用户碰撞的危险。对新用户送它们的信息，应该隔开较大的时间间隔，按从ina到niu去和回来所需要的传播时间考虑。

有线电视系统中，各用户之间不能直接通讯，而需经过前端（中心）。上行通路和下行通路总是一对，其信号通路如图3所示。广播电视信号由前端通过树枝状下行通路分配到用户；上行数据信号以总线方式由用户返回前端，对用户来说是宽带共享。

图3 双向有线电视的信号通路

4）双向改造

原则上讲，只要将单向有线电视的正向下行放大器换成双向放大器即可。实际上，并不那么简单。

hfc网的光缆一般无需改造，因为它们都有4芯以上的光纤，1纤作为下行通路，1纤作为下行通路，1纤备用，还有1纤可以传送其它信号（例如，用于ip网）。

同轴电缆分配网双向改造的工作量很大，成本很高。

为了能良好的抑制侵入干扰和脉冲干扰，同轴电缆的屏蔽必须慎重考虑。室外同轴电缆最好使用铝管作为外导体，屏蔽系数≥120db。室内同轴电缆需视具体情况而定，如果外导体铝箔上的铝粉已经脱落，而铜网又较稀疏，就应该换装新的3或者4屏蔽同轴电缆，屏蔽系数≥100db；如果室内同轴电缆敷设在铁管内，可不换。

同轴电缆的接头也需更换，铝管作为外导体的同轴电缆应使用专用连接器，编织网作为外导体的同轴电缆，连接器应该换成冷压f型连接器。

双向传输的分支器、分配器等无源分配的部件选用，必须注意屏蔽良好，一体化金属铸造，且锡封盖。f型连接器应统一使用英制或公制。

双向系统的双向用户盒（即系统输出口），应将原来的2孔单向用户盒换成3孔双向用户盒，3孔分别是电视口（tv）、调频口（fm）和数据口（dp）。实际的双向用户盒一般采用底盖焊接的、金属屏蔽的终端盒；其输入、输出连接器采用有螺纹的f型接头。

所有连接和安装都要注意工艺保证。换电缆、放大器、分支器、分配器、系统输出口和连接器等双向改造的工作量极大。

将单向同轴电缆分配网改造成双向同轴电缆分配网，必须重新设计双向同轴电缆分配网。双向设计不仅要考虑正向下行通路参数指标设计，还要考虑反向下行通路的特点。应该考虑反向下行通路的噪扰、汇集、反向通路的“均衡”等问题，将单向树枝状拓扑结构改造成适合双向传输的星形拓扑结构，正反向统筹考虑重新设计。

双向交互系统的前端和用户端设备，可根据交互业务的开展状况，分期分批地购买配备。开展因特网业务时，前端应该配备调制解调终端系统（cmts），用户端应该配备调制解调器（cm）。开展数字电视业务时，前端应该配备数字电视调制器、数字电视编码器、数字卫星电视接收和处理设备、服务器等设备，用户端应该配备机顶盒（stb）。

提供反向通路的其它形式还有：电话回传、以太网、无线网等，它们都无需双向改造，而需另行组网。

3) 双向交互有线电视系统例

一个比较完整的城镇双向交互有线电视系统例子示于图4。前面是前端系统，中间是传输-分配系统，后面是用户网络部分。

图4  电视、声音和多媒体信号的电缆分配系统示例

前端系统包括本地天线、远地接收系统（含远地天线、远地前端、超干线和光接收机）、卫星天线、交互业务设备（包括调制解调终端系统、数字电视调制设备、数字编解码设备、服务器、因特网和电话网接口等）、演播室、网络控制设备、用户终端控制设备和网络接口等。

传输-分配系统有2种方式，上面一种是同轴电缆的干线-分配系统，下面一种是光纤干线-分配系统。光纤干线由正向光发射机、反向光接收机、光缆和光节点组成。

分配系统包括桥接放大器、延长放大器、分配放大器、支线、分支线和用户分支器。

图中还给出了多住宅单元和单住宅单元2种住宅单元的例子。

前端的双向交互接口包含在前端的网络接口中，住宅单元的双向交互接口在家庭网络接口（hni）中。

3 catv反向通道的特点

1）正反向通道的异同

    与通信的点对点不同，有线电视是广播，是一点对多点。正向下行通路的一个频道为系统中的所有用户共享，反向上行通路则是一条信道为某一节点的用户共享。共享信道的优势在于，无需把传输通路再划小，网络资源利用率高。存在的问题是，各用户间信息相互隔离非常困难，因而用户信息的安全性、保密性难以充分保证，且各用户的信道是争用的。

正向通路的下行流已为大家所熟知，它是广播、发散的分配方式。尽管反向通路大部分采用和正向通路相同的物理媒介，但它的上行流是汇集到前端的。因此在几个方面与正向通路有所不同，比较下行流和上行流的工作特征如下：

（1）信号工作方式不同：下行流是连续信号；上行流是使用突发信号间歇地工作。

（2）下行流信号的功率电平是明确规定的恒定电平；上行流的功率电平则是变化的。

（3）下行流信号的频道配置是明确规定的；上行流的信道配置可随时间变化。

（4）下行流信号的信号带宽是明确规定的（8mhz）；上行流的信号带宽取决于应用。

（5）下行流信号的调制方式是固定的；上行流的调制方式取决于应用。

（6）下行流信号的放大器输入是单输入；上行流的放大器输入有多个输入。

（7）对下行流的信号是测量绝对电平；上行流是测量相对电平（增益或损耗）。

总之，反向信号的工作方式、信号的功率电平、工作信道配置、带宽和调制类型等方面，正向通路与反向通路是不一样的。各用户至前端的反向通路的传输损耗差异很大。所有这些可变因素要求上行网络的工作程序与下行方向不同。
2）反向通路的优点

上行流传输有许多问题，但是也有许多有利条件：

（1）       iec推荐，反向频段为5-65mhz，同轴电缆的传输损耗非常小，见表1。

表1  同轴电缆的百米损耗            db/100m

从表1可以清楚看出，反向通路的传输损耗比正向通路小很多。所以，双向放大器的上行实际工作增益可以很低（约为下行的1/3），这意味着如果使用同样水平的放大器件，其动态范围将增加15-20 db。

（2）由于电缆损耗小，各上行信号的电缆路由在工程中虽有长度差别，但造成的信号电平损耗差也很小。例如，电缆长度相差几十米，信号电平损耗差也可能仍然在允许的误差范围内。尤其在hfc条件下，电缆和放大器级数少，电缆长度误差对下行信号传输要求严格（频率高），而对上行信号则往往在容差范围之内。这将简化反向通路的设计、计算和调整。

（3）由于上行频带窄，群信号总合成功率比下行群信号总合成功率小很多（约为1/10），这意味着在同样放大器件条件下，上行信号的平均单路信号电平比下行信号的单路信号电平高10db左右。这就是说，上行信号的工作电平可以高10db，意味着抗干扰能力提高10db。

（4）如果上行传输的信号是数字信号，其工作条件更为宽松。因为数字信号（不论是qpsk还是qam）大都是抑制载波方式，产生的失真成分均匀地分布在带内，数字信号对非线性失真不敏感，即使失真成分相对信号来说为-28dbc，也能高品质传输。意味着网络中的有源设备的有效动态范围，也比传输多路电视信号时的动态范围大。

（5）来自用户室内端口的干扰最严重，但此处的上行信号电平也最高，虽然iec规定不能超过114 dbμv，实际设计可取105 dbμv，抗干扰的能力很强。