JP4947382B2 - 信号スプリッタ回路およびケーブルテレビネットワーク - Google Patents

Description

発明の分野
この発明はノイズ流合を低減させるための信号スプリッタ回路およびそのようなスプリッタを組込んだケーブルテレビネットワークに関する。

発明の背景
ケーブルテレビネットワークは純粋にテレビおよびラジオ配信のために用いられる配信網ではもはやなく、今や顧客に対してネットワークへのアクセスをも提供する。したがってテレビおよびラジオ信号は、出力が各顧客に接続された信号スプリッタによってローカルセンターまたは光ノードから配信される。各顧客からの戻りトラフィックはスプリッタを通してローカルセンターまたは光ノードへ、およびそこからネットワークの残りへ戻される。そのような戻りトラフィックは、ペイパービュー方式のテレビ番組の要求を含み得る。

通常、顧客からローカルセンターまたは光ノードへのトラフィックは「戻り経路トラフィック」または「アップストリーム信号」と称される。アップストリーム信号は、ネットワークプロバイダから生じる配信信号（通常「ダウンストリーム信号」と称される）とは異なる周波数範囲を用いて搬送される。現在のケーブルテレビネットワークは典型的に、アップストリーム信号については５ＭＨｚから６５ＭＨｚを使用し、ダウンストリーム信号については８５ＭＨｚから８６２ＭＨｚを使用するが、他の周波数範囲も使用される。

すべてのアップストリーム信号は、どのように生じるかに拘らず、ローカルセンターまたは光ノードに搬送される。したがってアップストリーム信号内の好ましくないノイズもネットワークに注入されてしまうことになる。好ましくない信号はさまざまなソースから生じるが、主要な部分は、使用されるアップストリーム周波数範囲内の外部送信機の放射によるものである。これらの好ましくない信号の合わさったものは「流合」として公知である。流合の大部分は顧客の家屋内設備から生じ、したがって顧客のアクセスポイントにおいてネットワークに注入される。すべてのこれらの好ましくない信号は合成され、アップストリーム信号の信号対ノイズ比（およびしたがって容量）を制限することになるため、この流合はネットワークにおける主要な問題である。

この発明の意図は、ケーブルテレビ配信網内へのノイズ流合を低減させる信号スプリッタ回路を提供することである。

発明の要約
この発明に従って、入力および複数の出力を有する信号スプリッタを備える信号スプリッタ回路が設けられ、交互の出力が、位相シフト装置、および位相シフト装置内の相互変調生成物の発生を少なくとも部分的に防止するための防止回路に接続され、防止回路には、電圧ピークに含まれるエネルギの反射を通して電圧ピークを止めるためのハイパスフィルタを備える接続前フィルタが設けられる。そのような信号スプリッタをケーブルテレビネットワーク内で用いると、位相シフト装置によって確実に、アップストリーム信号、すなわち顧客から生じる信号内の、ネットワーク内に侵入するノイズ流合が実質的に低減する。アップストリーム信号は多数の異なる顧客からの信号から成り、各顧客信号はデータ
およびノイズ成分を含む。異なる顧客からのデータ成分は異なる加入者機器から生じるため振幅、位相、および周波数が関連していない。しかし、各顧客信号内のノイズ成分は、大部分が同一のソース、すなわち加入者の機器およびそのような機器をスプリッタの出力に接続しているケーブルによって捕らえられる無線周波数電磁放射から生じるため互いに類似している。アップストリーム信号が出力に到達する前にアップストリーム信号に位相シフトを導入すると確実に、顧客から生じるアップストリーム信号がスプリッタによって合成される際にノイズ成分が互いに相殺される。

製造中、確実にフェライトコアが磁気的に中性であるようにするために、スプリッタおよびタップはいわゆる消磁をされる。この場合、受動素子の伝達関数は可能な限り線形であり、発生される相互変調生成物の量を低減させる。受動素子はその動作寿命中にあらゆる種類の低電圧および高電圧インパルスに晒される。これらのインパルスは、フェライトコア上の巻線を通して直流電流を誘導する。この電流は、フェライトの磁気的中性に影響を及ぼすことになる磁界を生成する。フェライト材料、パルスの強度およびパルスの量に依存してフェライトは時間とともに磁気を帯びることになり、その効果が累積的となり、素子の相互変調性能が劣化していく。防止回路は、パルス中のエネルギを反射することによって、パルスが位相シフト装置のフェライトコアに到達することを防止し、したがって相互変調性能の劣化に対する効果的な保護を作り出す。相互変調は、受動素子に存在する強力なケーブルモデムアップストリーム信号から生じ、典型的に元の信号の２倍または３倍の周波数である。この周波数はＣＡＴＶダウンストリームスペクトル内に存在し、受信したラジオおよび／またはテレビ信号に干渉することになる。

位相シフト装置を有する信号スプリッタは、受動素子のポートの半分を位相反転させることによってアップストリーム経路内の流合を低減させる。しかし、１８０°位相シフト変圧器は、電圧パルスに起因する劣化の影響を受けやすい。１つよりも多いケーブルモデムを同一の受動素子（たとえばセットトップボックスまたはＶｏｉＰボックス）に接続すると、発生される相互変調生成物はＣＡＴＶダウンストリームスペクトル内のみではなくアップストリームスペクトル内にも存在することになる。発生される相互変調生成物はアップストリーム流合としてみなされ、スプリッタ技術による流合レベルの改良を一見低減させることになる。

防止回路を信号スプリッタおよび位相シフト装置と組合せることにより、その結果得られる信号スプリッタ回路は、１つよりも多いケーブルモデムを使用する場合により効果的となる。なぜなら位相シフト変圧器が電圧パルスに起因する相互変調劣化に対して効果的に保護されるためである。

防止回路は、公知の通信システムにおけるデータ信号の比較的低い信号対ノイズ比が、（特に双方向の）ケーブル送信ネットワークに組込まれた信号処理手段または構成部品に部分的に起因するという先見性に基づいている。用いられるケーブルモデムは、当該構成部品内（特に受動構成部品内）で高調波または相互変調生成物を発生可能な強力なＲＦ信号を発生させる。これらの望ましくない生成物は通常のデータ信号に干渉して、これらの通常のデータ信号の信号対ノイズ比に悪影響を及ぼす。信号処理手段に、信号処理手段内での相互変調生成物の発生を少なくとも部分的に防止するための防止回路を設けることにより、高調波または相互変調生成物の発生を全体または一部で防止することができて、データ信号の信号対ノイズ比に良い影響を及ぼす。

防止回路は以下の先見性にさらに基づく：すなわち、高調波または相互変調生成物の劣化に関する最も大きな問題は、フェライト変圧器および／またはコネクタを備える受動構成部品について起こる。当該フェライト素子は通常、フェライトの飽和に起因する非線形の伝達関数を有する。当該飽和は、フェライトが磁界の影響を受けていると比較的低レベ
ルの入力信号によってすでに起こり得る。当該磁界は外部磁界、または変圧器巻線を通って流れる電流によって発生された磁界であり得る。電圧ピークはそのような電流を変圧器に導入可能であり、フェライトを、どの高調波または相互変調生成物がより早く発生され得るかの結果として、より低い送信レベルまたは信号レベルですでに飽和させる。これは、電圧ピークに含まれるエネルギを反射する、信号処理手段の入力におけるフィルタによって、電圧ピークの出現を防止することにより防止され得る。

一般的に、ケーブル送信ネットワーク、たとえばケーブルテレビ（ＣＡＴＶ）ネットワークにおける電圧ピークは主要な問題の原因となり得るといえる。当該ピークは落雷またはネットワークに接続された機器に起因し得る。他方、接続機器によって発生される電圧ピークの電圧レベルは比較的低い。

電圧レベルが高い電圧ピークに対する保護手段としてガス放電管および非常に高速のバリスタが使用され得ることは公知の事実である。公知の当該保護手段には以下の欠点がある。第１に、公知の当該保護手段は、電圧レベルが低い電圧ピークの有害な影響に対する保護を全く提供しない。第２に、公知の当該保護手段は、１０００アンペアまたはそれより高い非常に高い短絡電流が保護手段の中を流れる可能性がある短絡によって電圧ピークを中和するため強力な磁界を発生させるが、保護手段が受動構成部品に組込まれている場合、そのような受動構成部品の相互変調挙動に磁界が悪影響を及ぼし得る。それに加えて、負荷が誘導的および／または容量性の挙動を示す場合（これは一般的に当てはまることになる）、短絡によって、電圧レベルが高くエネルギレベルが低い電圧ピーク（静電気放電（ＥＳＤ）パルスに匹敵する）の発生がもたらされ得る。ある一定の状況下では、電圧レベルが高くエネルギレベルが低いこれらの新たに発生される電圧ピークは、ケーブル送信ネットワーク内のある一定の構成部品に恒久的な損傷をもたらしさえし得る。

本発明に係る通信システムにおいて用いられるような防止回路はガス放電管またはバリスタを利用するのではなく、電圧ピークが構成部品に入ることをエネルギを反射することによって防止するためのフィルタを用いる。この構成では短絡およびそれに付随する非常に高い短絡電流の問題がない（電圧ピークのエネルギが反射されて電流の流れがない）ため、（高い）磁界が発生される問題もない。その結果、電圧レベルが高くエネルギレベルが低い上述の電圧ピークは発生されないことになる。

フィルタのハイパスの挙動の結果、電圧レベルが高い電圧ピークおよび電圧レベルが低い電圧ピークの両方に対する保護が得られる。

本発明に係る通信システムの１つの実施例は、ハイパスフィルタが、少なくとも１つのコイルおよび少なくとも１つのキャパシタを含むＬＣフィルタを備えるという点を特徴とする。有利な実施例では、接続前フィルタは、コイルおよびキャパシタで構成されるＬＣフィルタであり得、キャパシタは好ましくは低温度係数を有する高圧キャパシタであることが明らかになった。

好ましくは位相シフト装置は、信号が合成される際に交互の出力のノイズ成分が逆位相となりほぼ完全に互いを相殺するように、１８０°の位相シフトを導入する。

各位相シフト装置は位相シフト変圧器を備え得る。
スプリッタが偶数Ｎ個の出力を有する場合、Ｎ／２個の位相シフト装置が必要となり、Ｎ／２は整数である。スプリッタが奇数Ｘ個の出力を有する場合は、用いられる位相シフト装置の数はＸ／２より上または下の最も近い整数となる。

必要に応じて、位相シフト装置はそれぞれの出力に恒久的に接続され得、共通のハウジ
ング内で出力に固定され得、したがってスプリッタに内蔵されている。

代替的に、位相シフト装置はそれぞれの出力から分離可能であり得る。
本発明の他の局面に従って、複数の信号スプリッタ回路を組込んだケーブルテレビネットワークが設けられ、位相シフト装置は使用時に、アップストリーム信号、すなわち顧客から生じる信号内の、ネットワーク内に侵入するノイズ流合が確実に実質的に低減するように作用する。

本発明を例示的な例によって、および添付の図面を参照して説明する。
説明
図１および図２の先行技術の信号スプリッタ１０は入力１２および多数の出力を備えており、このうち理解しやすいように第１の出力１４および第２の出力１６のみが示される。使用時にはこれらの受動信号分配器１０がローカルセンターまたはノードと多数の顧客との間のインターフェイスとして作用し、各顧客はスプリッタ１０の１つの出力に接続され、スプリッタ入力１２はノードに接続される。矢印１８はサービスプロバイダからスプリッタの入力へのテレビ信号（ダウンストリーム信号）の送信を表わしており、信号はその先の顧客への送信のために分配または分岐され、矢印１８ａおよび１８ｂはスプリッタ１０の第１および第２の出力１４、１６からの分岐テレビ信号の送信を表わす。

点線矢印２０ａおよび２０ｂは、第１および第２の加入者からスプリッタの第１および第２の出力へのデータ信号（アップストリーム信号）の戻り送信を表わす。スプリッタは、接続先の全加入者からのデータ信号を合成し、それらをスプリッタの入力に印加する。点線矢印２０ｃは、スプリッタの入力からサービスプロバイダへのすべての合成データ信号の送信を表わす。

図２を参照して、短い点線矢印２２ａおよび２２ｂは、加入者からスプリッタの第１および第２の入力に送信されるデータ信号内に存在するノイズ成分を表わす。スプリッタ１０は好ましいデータ信号を合成するだけでなく、ノイズ成分も合成してそれらをスプリッタの入力１２に印加する。長い点線矢印２２ｃは、スプリッタの入力からサービスプロバイダへの合成ノイズ信号の送信を表わす。

出力が多数あれば、スプリッタの入力に印加される（およびしたがってスプリッタの入力からサービスプロバイダに送信される）合成ノイズ成分はデータ信号と比較して大きくなり、したがってスプリッタとサービスプロバイダとの間のアップストリームチャネルの信号送信容量を低減させる。一例として、単一のローカルセンターまたは光ノードに１０００人の顧客が接続されていると仮定する。全顧客が同量の流合を生成した場合、ローカルセンターまたは光ポイントにおける全信号対ノイズ比はファクタ１０００で、または３０ｄＢだけ劣化することになる。

この発明に従ったスプリッタ回路が図３に示され、入力２６と、理解しやすいように第１の出力２８および第２の出力３０のみが示される複数の出力と、第１の出力２８に接続された変圧器３２のみが示される、交互の出力に接続された複数の位相シフト変圧器とを有するスプリッタ２４を備える。各変圧器は１つの出力にのみ接続される。位相シフト変圧器はスプリッタに内蔵されてそれぞれの出力に恒久的に関連付けられ得る。代替的に、変圧器は外部から既存の出力に接続され得る。

位相シフト変圧器３２は、その中を通過する信号に１８０°位相シフトを導入する。したがって、第１の出力２８に印加される分岐テレビ信号は位相が１８０°だけシフトされた後に加入者に送信され、第１の出力２８に接続された加入者の機器によって送信される
データ信号は位相が１８０°だけシフトされた後に第１の出力２８に印加される。

上記で説明したように、加入者によってスプリッタの出力に送信されるデータ信号はノイズ成分を含む。ノイズ成分はさまざまなソースを有するが、その中で最も大きなものは、加入者の機器およびスプリッタの出力を加入者の機器に接続しているケーブルによって捕らえられ得る無線周波数電磁放射である。ほとんどの場合、１つのそのようなケーブルまたは加入者の機器によって捕らえられる無線周波数電磁放射のソースは、多数の他のそのようなケーブルまたは加入者の機器によって捕らえられることになる。

ノイズ成分の信号特性は、大部分が同一のソースから生まれるため非常に類似することになる。ノイズ成分は殆ど同一の周波数、振幅および位相を有することになる。スプリッタの交互の出力に接続された位相シフト変圧器は２つの群のノイズ成分を生じさせる。両群のノイズ成分は殆ど同一の周波数および振幅を有するが、第１の群のノイズ成分は第２の群のノイズ成分とは逆位相である。両群のノイズ成分が合成される際に、それらは互いを相殺し、このためスプリッタの入力に印加される合成信号のノイズ成分が大幅に低減する。

異なる顧客からのデータ成分は異なる加入者機器から生じるため振幅、位相、および周波数が関連していないので、顧客から生じる好ましいデータ信号は影響を受けない。それらはしたがって位相シフト後も合成によって低減しない。ダウンストリーム信号も位相シフトによって影響を受けず、したがってスプリッタ出力とネットワークの接続岐路との間に装着された位相シフト変圧器を用いることによって、流合は減衰されるが好ましいダウンストリームおよびアップストリーム信号は影響を受けない。

もちろん、加入者の家の中の器具内の電気モータなどの、一人の加入者の機器または１つのケーブルによってのみ捕らえられる無線周波数電磁放射の局所化されたソースもいくつかある。位相シフトを導入してもそのようなノイズ成分は低減させることができない。

多くの家屋はスプリッタの２つの出力への接続を有しており、一方の接続はケーブルテレビ用に、他方は電話またはインターネットサービス用に用いられる。一方の接続が位相シフト変圧器を有するスプリッタの出力へのものであり他方の接続がそのような変圧器を有しない出力へのものであるとすると、無線周波数電磁放射の局所化されたソースにさえ起因するノイズ成分も低減させることができる。

防止回路４０が入力２６および各出力２８、３０に接続される。各出力２８の場合、変圧器３２はスプリッタ２４と対応する防止回路４０との間に接続される。

図４および図５は、接続前フィルタ（防止手段）として信号処理手段または構成部品の中または前に配置され得る、ハイパスフィルタ４０の形態の防止回路の２つの実施例を示す。図中に示されるハイパスフィルタ４０は各々が入力４２と、出力４４と、当該入力と当該出力との間に配置され、１つまたはそれ以上のコイル４６および多数のキャパシタ４８で構成されるＬＣフィルタとを備える。好ましくは、しかし必須ではないが、キャパシタ４８はすべて比較的低い温度係数を有する高圧キャパシタである。他のフィルタ構成も可能である：すなわち、同一原理に基づいたより高次のフィルタ（チェビシェフ）または他の原理に基づいたフィルタ（カウアフィルタもしくは楕円フィルタ）が使用され得る。

図４および図５に示されるハイパスフィルタ４０内のコイル４６およびキャパシタ４８は好ましくは以下の値を有する：すなわち、コイル４６は３．３μＨ、キャパシタ４８はｌｎＦ／２ｋＶ／Ｙ５Ｅ、キャパシタ４８′は好ましくは４７０である。

図５に示されるハイパスフィルタ４０は、図４に示されるハイパスフィルタよりも電圧ピークに対するより十分な保護を提供する。しかし、図５に示されるフィルタは図４に示されるフィルタよりも複雑で、高額でありスペースを多くとる。特に、フィルタをＣＡＴＶ構成部品に内蔵する際には後者の局面が重要となる。

図４に示されるフィルタの挙動を評価するため、当該フィルタを標準的なＣＡＴＶ絶縁体に内蔵した。そのような絶縁体は一般的にＣＡＴＶネットワークと家屋内設備との間の端末接続ポイントとして用いられ、したがって落雷防護手段における構築に好適なポイントを形成する。家屋内設備はたとえば増幅器、ケーブルモデム、セットトップボックス、ビデオレコーダおよびテレビを備え得る。

第１の実験では、図４に示されるフィルタを有するおよび有しないそのような標準的なＣＡＴＶ絶縁体の入力に、標準化されたＩＥＣ １０００−４−５ レベル２パルス（１ｋＶ、１．２μｓ／５０μｓ）が送り込まれた。保護されていないＣＡＴＶ絶縁体（すなわち接続前フィルタを有しない）の場合、ＣＡＴＶ絶縁体による減衰が実際的になしで（１８０μｓで１ｋＶピークが０Ｖに低下）電圧ピークが家屋内設備に送信されたと思われ、これは設備内の構成部品および機器に深刻な損傷をもたらし得る。一方、保護されたＣＡＴＶ絶縁体（すなわち接続前フィルタを有する）は、電圧ピークを、電圧レベルが低くエネルギレベルが低い電圧ピークに減衰させた（僅か０．２μｓで４０Ｖピークが０Ｖに低下）。非常に感度のある構成部品または機器でさえも、この減衰された電圧ピークによって損傷することはない。

受動ＣＡＴＶ構成部品（この場合は標準的なＣＡＴＶスプリッタ）の相互変調挙動の減少は、受動ＣＡＴＶ構成部品のすべてのゲートが２５Ｖ ＤＣ／５００μｓ電圧ピークを受けた後に４０ＭＨｚ、１１８ｄＢμＶ（７５オーム）入力信号の第２高調波を供給することによって第２の実験で実験的に判断された。図４に示されるような接続前フィルタによって保護されたＣＡＴＶスプリッタは、事前に電圧ピークが送り込まれなかったＣＡＴＶスプリッタと比較して相互変調挙動の減少を全く示さないことが明らかになった。他方、保護されていないＣＡＴＶスプリッタは１０ｄＢの相互変調挙動の劣化を示す。

一連の５つの連続したＩＥＣ １０００−４−５ レベル２電圧ピークを保護されたＣＡＴＶスプリッタに事前に与える場合でさえも、相互変調挙動の減少は観察できない。保護されていないＣＡＴＶスプリッタの場合、この状況は相互変調挙動の少なくとも２５ｄＢの劣化に繋がる。

さらなる実験により、図４に示されるようなフィルタは０．５ｄＢから１０００ＭＨｚより小さい極端に低い挿入損を有し、また同時に２０ｄＢより大きい非常に良好な反射減衰を有することが分かった。

本発明の信号スプリッタ回路の動作の成功は、スプリッタの出力に印加されるデータ信号のノイズ成分間の類似性に依存している。ノイズ成分が異なる振幅であったり、加入者の機器からスプリッタの出力への送信中に異なる位相シフトを経験したりすると、合成データ信号内のノイズ成分の低減はそれほど顕著ではなくなる。しかしそれでも、ノイズ成分が３ｄＢだけでも低減すれば、アップストリーム信号チャネルのデータ送信容量の倍増が生じ得る。

スプリッタの出力が奇数であれば、ノイズ成分の低減は若干それほど顕著ではなくなる。この場合、出力に取付けられる位相シフタの数は出力の数の半分にできる限り近いべきであり、たとえば５個の出力を有するスプリッタに対して位相シフタが２つまたは３つであるべきである。もちろん、より大きい奇数個の出力を有するスプリッタについては、ス
プリッタの出力の半分より若干少ないまたは多い出力に取付けられた位相シフタを有する効果は、出力の数が増えるにつれて低下する。

先行技術の信号スプリッタの概略図である。 先行技術の信号スプリッタの概略図である。 本発明に従った信号スプリッタ回路の概略図である。 図３の信号スプリッタ回路内で用いられる防止回路の回路図である。 図３の信号スプリッタ回路内で用いられる防止回路の回路部である。

符号の説明

２４ スプリッタ、２６ 入力、２８ 第１の出力、３０ 第２の出力、３２ 変圧器、４０ 防止回路。

Claims (11)

1. ケーブルネットワークに接続可能な入力および複数の出力を有する信号スプリッタを備える、ケーブルテレビネットワークにおいて用いるための信号スプリッタ回路であって、
   前記複数の出力の交互に配置される出力が、位相シフト装置および前記位相シフト装置内の相互変調生成物の発生を低減するための防止回路に接続され、
   各前記位相シフト装置は、対応の交互出力と前記防止回路との間に、該位相シフト装置および前記防止回路が該出力のダウンストリームとなるように接続され、
   前記防止回路には、アップストリームへ移動する電圧ピークを停止させるためのハイパスフィルタを備える接続前フィルタが設けられる、信号スプリッタ回路。
2. 前記防止回路は前記複数の出力全ての各々のダウンストリームに接続される、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
3. 前記信号スプリッタの入力のアップストリームに接続されて、ダウンストリームに移動する電圧ピークを停止させる更なる防止回路をさらに備える、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
4. 前記ハイパスフィルタは、少なくとも１つのコイルおよび少なくとも１つのキャパシタを含むＬＣフィルタを備える、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
5. 前記キャパシタは高圧キャパシタである、請求項４に記載の信号スプリッタ回路。
6. 前記高圧キャパシタは比較的低い温度係数を有する、請求項５に記載の信号スプリッタ回路。
7. 各前記位相シフト装置は、信号が合成される際に交互の出力のノイズ成分が逆位相となり実質的に互いを相殺するように、１８０°の位相シフトを導入する、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
8. 各前記位相シフト装置は位相シフト変圧器を備える、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
9. 前記位相シフト装置はそれぞれの対応の出力に恒久的に接続され、共通のハウジング内で前記対応の出力に固定され、前記信号スプリッタ回路に内蔵されている、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
10. 前記位相シフト装置はそれぞれの対応の出力から分離可能である、請求項１に記載の信号スプリッタ回路。
11. 各々が請求項１に係る複数の信号スプリッタ回路を組込んだケーブルテレビネットワーク。