对CableModem双向传输技术探讨

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　　本文主要介绍了 HFC双向传输系统中的 CM和CMTS数据传输设备的执行标准、工作原理、接入方式、电平调整和设备的选型。并对它们在网络中的应用及传输过程做了简要介绍，还对CM在传输中的技术问题进行了探讨。

　　1 综 述

　　广播电视新技术的不断更新和发展，加速了我国有线电视系统网络的建设，HFC光纤电缆混合网的传输技术目前已成为世界各国的主流，如何把HFC建成高速宽带多媒体双向传输网络是各大有线台正在实施和考虑的问题。因为HFC光纤电缆混合网采用的是模拟技术来传送有线电视，要想达到传输数字信号的目的，就要进行宽带调制，也就是要采用 Cable Modem电缆调制解调器的传输技术来实现数字信号的传递工作。而双向传输中的数据传输设备CMTS和Cable Modem在网络中占主导作用，对它们的熟悉和了解以及在网络中如何应用好数据传输设备非常重要，因此对 Cable Modem和CMTS所执行的技术标准、工作原理、接入方式、设备选型以及在网络运行中电平的调整等方面问题做了介绍，并对传输中的技术问题进行了讨论。

　　2　Cable Modem的传输标准和频率配置

　　2．1 传输标准

　　国际电联电信标准部1999年3 月通过了J．112建议（DOCSIS：交互式有线电视业务传输系统），基于 DOCSIS VI. 0、DOCSIS Vl.l标准的Cable Modem（以下简称CM）系统，下行采用 64QAM或 256QAM调制方式；上行采用 QPSK／16QAM调制方式。CM在一个6MHz（NTSC）或8MHz（PAL－D）的宽带中，若采用64QAM调制，其下行传输速率能达到 40Mbps；在1.8MHz的带宽时，当采用 QPSK／16QAM调制技术时，它的下行传输速率大约为10Mbps；上行速率可达到5.12Mbps，但是它的上、下行带宽均为用户共享。

　　CM提供的速率是非对称的。下行信道是连续的，数据流以信元或者打包的方式来进行信息的传输，它可根据数据流信元或者数据包信息中的地址信息来认可某个终端来接收数据，而上行数据和信通需一个媒体接入控制，用于形成和控制用户数据包或信元进入公用信道。

　　以上调制方式采用RS编码技术进行前向到错，上行信号的传输采用 QPSK／16QAM调制技术，能大幅度提高系统的抗干扰能力，而且能有效的使脉冲干扰的持续时间较短，一般情况下只能造成一段码流的误码率增高。 　　2．2 频率配置

　　根据GY／T106广播电视技术规范行业标准规定，5～65MHz为上行频率配置；65～87MHz为过渡频率带；87～108MHz为调频广播范围；108～1000MHz为模拟、数字、数据业务下行带宽。根据IEEE802．14F规定，5～45MHz为CM的上行频率配置，50～450MHz用于传输下行模拟信号，450～750MHz用于数字传输。

　　由此可见CM有丰富的频率带宽资源，当信息量的需求越来越大时，它将显示自己独特的优势，是电信网无法比拟的。

　　3 CMTS和 Cable Medem在双向传输中的作用

　　3．1　CMTS

　　CMTS是电缆调制解调器的头端设备，它能对终端设备CM进行认证、配置和管理，它还能为CM提供连接IP骨干网和Internet的通道，而且CM能在客户端和HFC网络之间提供透明的IP传输通道。HFC多媒体宽带可利用CM来进行IP传输，它的基本传输模式是：发送下行和接收上行数据信号，能给用户提供高速因特网和PC网，能完成有线电视网络的路由连接。CMTS能提供100Mbps的端口与计算机局域网的交换机相连，把HFC宽带网、省网、国家光纤干线网联接。

　　CMTS和CM有两种标准网络接口，CMTS设备设置的网络用于连接以大网的交换机、10／100Mbps以太网接口或 ATM的OC－3接口、路由器或者ATM交换机。CMTS还没有RF接口，RF又分为上行RF和下行RF通道，一般情况下它的下行通道的速率分别为10Mbps和37Mbps。

　　3．2　CM

　　CM是用户终端数字接收设备，称电缆调制解调器，它能承载5～16个用户，也可为单独用户使用，它负责接收CMTS送来的下行数据信息，并把接收的信息调制成用户所需的信号，CM还具备路由器和网桥功能。与CM相联的终端设备就是PC机，CM分内置和外置式两种，内置式CM通过PCI接口与PC机相连，外置式CM可通过串行接口或以太网接口与PC机相连。

　　CM的网络接口分别为 RF 和 CPE（Customer Premise Equipment）接口，传输上行数据时都要通过这两个接口，如果采用电话回传，CM就只有下行数据通过RF接口；而 CPE网络接口主要是连接用户PC机和本地以太网的USB标准接口，其速率可达10Mbps，CPE是终端用户的前提设备，它由PC机，网络计算机等组成，除此之外为适合更多的功能，CM还应具备 IP、Telephone的电话接口，这样用户可通过HFC网络开展电话通话业务。

　　3．3　CMTS 和 CM 的应用

　　CMTS 和 CM 配合在一起可在 HFC 网络中展开音、视频会议、网上炒股，打 IP（IP Telephone）电话、远程教育、网上双向游戏；还能提供快速Internet的接入、浏览、发电子邮件和开展网上购物；由 CMTS 和 CM 构成的有线数据系统能开展和提供多项目的服务功能，如 IP 过滤器、防欺诈特性、服务级别、HFC静态路径服务；除此之外还能开展工商、行政、税务、银行、教育、证券等项目的服务工作。

　　由于 CMTS 为头端设备，它可覆盖整个网络，可设在前端机房，也可设在分中心或者片区光节点，这要根据网络拥有用户的多少来考虑，CMTS能在有线电视网和数据网之间起到网关的作用。

　　每台 CM都拥有一个48位的物理地址外，还有一个 14 位的服务标识（Service ID），并由 CMTS 分配，每个服务标识对应一种服务类型，通过服务标识在 CM 与 CMTS 之间建立一个映射，CMTS根据这个映射为每台CM分配带宽，实现QoS管理。

　　CMTS一般情况下需配一台 CM 来对应一个光节点所承载的用户端的 CM，CM 在系统中每个6～8MHz 频率可供高达30Mbps～40Mbps 的传输速率，为上百个终端用户共享。如果是500人同时上网，每人分得的传输速率为64～128kbps。由于CM 的连接，实际占用的带宽不是固定的，它只是在发送和接收数据的瞬间才占用网络的带宽，而其它的时间不占用网络的资源，正是由于带宽的共享，在实际传输中可实现带宽的动态分配管理，在规定的频段内若上网的人数很少，此时每个上网的用户所分配的带宽就远超过64～128kbps的传输速率，而上网高峰期就会出现网上拥塞现象。超过的用户越多，传输速率就会大幅度下降，这对网络上就应考虑是否增加光节点，以增加光路数量来维持用户的上网和发送数据的速率。如果各片区上网的用户急剧增加，为了确保上网用户的传输速率，可把CMTS推向各分中心或者光节点，因此HFC双向高速多媒体网络的设计，应具备极强的弹性，可根据用户发展情况，随时增加光路数量来满足用户需求。

　　CMTS 数据系统是头端的控制器，它是 CM 的核心部分，CMTS用来控制和管理CM及进行上、下行数据之间的传输频率转换，HFC系统功能是否完善，完全取决了CMTS的性能质量，它还能为以太网和CATV网络的连接，并进行数据频率分配。

　　4 CMTS和CM的工作原理

　　在HFC传输网络中进行数字信号交换，由于计算机之间的数字脉冲信号的交换速度很高，信息载体的脉冲宽度仅≤0.1μs，非常窄，如果把计算机上运行的基带数字信号直接像电视机信号一样的进行射频幅度的调制，无论从技术上，还是在抗干扰等方面都是难以实施的。为了实现以上传输，在HFC双向网络中采用了 QPSK四相相移健控和QAM正交振幅调制两种数字信号载波调制方式。QAM具有较高频带利用率，而QPSK技术有抗干扰性强的显著特点，把它们两种技术结合在一起，融入双向传输的网络中，在频道干扰严重，信噪比严重恶化的条件下，都能使所传输的信号和信息正常运行，起到了非同小可的作用。

　　CM在HFC网络中运行的基本过程是，当Internet信息通过CMTS（Cable Modem Termination System）网络接口连接到CMTS，CMTS再通过CMTS的RF接口将信号通过光发射机变成光信号后再送入HFC网络中，光信号到达远端的光接收机变成RF信号后通过CM的RF接口连接到CM电缆调制解调制器中，然后CM经CM的CPE接口连接到用户终端的PC机上，这一过程就是CM在HFC网络中进行IP传输的基本过程。

　　用户设备CM从接入用户数量上看有两种类型，一类是单用户即一块电脑上的接口卡，另一类是可支持16个用户的外置CM，用户连接一个HUB（计算机集线器）可接16台带10M网卡的用户（不能用交换机和100／10切换式HUB，因为交换机是第二层设备，CM无法识别这些MAC是PC还是其它设备，它只能识别PC），从功能上讲如果要在有线电视网上打电话，应提供电话接口，当然前端也相应的增加支持电话工作的其它配套设备。

　　Cable Modem由调谐器、解调器、脉冲调制器、处理器和接口组成。

　　信号从CM进入调谐器后，它把输入的RF信号下变频为IF（6～40MHz范围内）信号，由设置的双工器来完成上、下行信号的分离；解调器对输入的IF信号进行64／256QAM解调，并采用RS技术（Peed－Solomon）进行误码纠错和MPEG同频操作；而脉冲调制器的工作主要是对上行信号进行处理，包括RS编码，16QAM／QPS调制、频率转换等；而对信号的串／并转换、帧标志符的识别或插入、MPEG中数据信号的换取，非本机数字信号的过滤等工作都由CM中的处理器承担这项工作。

　　CM是通过有线电视宽带网络进行数据高速传输的通信设备，它不仅是具备调制解调的功能，还能提供集线器、路由器、加解密器等设备的功能。使用CM不仅解决了在Internet上进行高速访问，还能提供音视频服务、访问CD－ROM服务器及其它一些增值业务的服务内容。

　　CM能够将收到的下行信号进行分离，把数据信号送到终端PC机，而模拟信号则送到用户的电视接收机。要回传的数据信号由用户计算机发出后先到终端设备CM，CM将收到的计算机信号调制成射频信号，经同轴电缆、双向分支分配器、双向放大器、送入光接收机的回传光发射机的入口，并将射频信号转换成光信号送入回传通道，光信号回到前端的光接收机后，转换成电信号，并与其它回传的信号混合后送回CMTS数据传输设备。用户就能通过CMTS设备与因特网和其它网络连接进行数据交换，使HFC网络的双向用户实现真正的交互式传输。CM在HFC网络中的数据传送要占用频带为5～6MHz、65～750MHz中的上、下行两个频道才能完成双向传输工作。

　　5　Cable Modem 终端设备的选择

　　Cable Modem是终端用户进行双向传输的重要设备，对它的选型也就显得尤为重要。所选设备应适合本网络结构的特点，用户消费水平，并要保证所选设备能向上兼容，也要考虑网络升级后不会被淘汰。由于网络中传输的节目不断增加，对设备的各项技术指标也有新的要求，特别是设备的稳定度、带外抑制要求也就更高，而且造型产品必须是国际标准的 Cable Modem 产品，它才能满足向上兼容性。

　　目前使用的 CM 由 TDMA （时分多址）和 S－CDMA（同步码分多址）两种方式，由于回传汇聚噪声比较大，TDMA时分多址方式因对噪声的抑制能力差而被逐渐淘汰。而采用同步码分多址接入的 CM 因有很强的抗噪声能力，已成为理想的网络连接方式。由于CM采用了先进的S－CDMA技术，它能在信噪比为15dB的环境下均能正常工作，即使信噪比在-13dB时也能确保数据信息不中断，但在速率上有所下降，在选择CM设备时应当注意。除此之外基于S－CDMA的电缆调制解调器在运作灵活、升级、可靠性等方面都有一定优势。

　　从我国目前各大台网发展的情况看，大多数均以单向为主，真正实现双向传输的不太多，很多厂家生产的 Cable Modem仅能提供电缆回传业务，这样的产品对今后网络的发展会产生局限性，在今后的发展中，高速数据传输网需要的产品应是既能为用户提供电缆回传业务，又能用最普及的电话实现回传，才能满足今后网络和个人发展的需要。Cable Modem 它能通过 HFC 网络进行高速数据接入 Internet 和其它信息的用户终端设备，一般设两个接口，一个接CATV端口，另一个与 PC机相联。由于 Cable Modem 的价位较高，普通用户不易接受，难得普及。现阶段只有采用CM带l～16个终端来扩大用户群。

　　Cable Modem是现阶段传递信息高速数据的主要形式之一，目前全球面临信息膨胀、数据通信量爆炸的挑战。由于它有使用方便、资源共享、资费低、集视频电话数据于一身的特点，引起了各国信息产业部门越来越多的重视，因此在今后的发展中会随价格的不断下降，能得到更广泛的应用。

　　对CM的选择，除应符合 DOCSIS 1.0 以上的标准外，应具有易用性和很强的适应性，价格应适当，性能和指标应达到要求；另外对Cable Modem中产生的电气噪声，信号通过设备时产生的离散偏移，相位偏移等问题都不能忽视。因此应选择低噪声的CM设备，而且相位和频率的稳定度要高，不易产生漂移。所选择配套的无源分支分配器的屏蔽性能要好、隔离度指标高、宽通频带的器件。

　　产品优质的CM应具备在设定的频段内能自动寻找干扰最小的频率点来进行信号的回传，并且可根据线路的状况来适应调整后的信号的发送速率，也就是好的CM应具备自动跳频的功能；另一方面要能调整上行输出信号的电平，来确保传输中最佳的信噪比。与所连的PC机空闲时，能及时关断上行信号的载波，这样可以降低系统噪声的汇聚。

　　6　Cable Modem的接入方式

　　宽带网今后发展的目标是广播电视数字化、网络传输光纤化，电视节目与数字信息一同传输到户。随着Internet在全球的快速发展，各大台网终端用户对CM的接入方式和接入带宽的需求是逐步增强的，传输速度太低的 Intemet 已完全不能满足高速信息服务的需要。为适应高速信息公路发展的需要，网络的改造和升级也就显得非常重要。HFC 光纤同轴电缆混合网越趋于靠近宽带调整网的条件，加之近几年PC机普及率在快速增长，因此通过有线电视网络开展网上浏览、冲浪、发E－mail、下载资料的兴趣越来越浓。由于有线电视网覆盖范围广、费用低，而且技术起点高，带宽资源又非常丰富，并能和Internet上／下行速率相符合，不用电话拨号就能在线等待，它已成为人们迫切追求的现代生活方式。

　　6．1　多用户共用一台 Cable Modem

　　为解决CM费用高，入网人数少，目前可采用一个 Cable Modem 支持 l～16个IP地址，根据各网的实际情况，可在一幢楼或者几幢楼设置一个CM，也可在一个单元或几个单元中设置，CM，这样8～16个用户之间可通过 HUB（计算机集线器）连成 10Base-T的局域网作为最基本的单元。该接入方式即降低了投入费用，又吸引了一批用户入网，采用这种方式还能有效地隔离用户产生的各种噪声，降低了系统的汇聚噪声。

　　有线电视系统开始从单向传输向交互式双向综合业务发展，由窄带向宽带过渡，过去均采用传统的电话上网接入方式，如 33．6K modem、56K modem 公用电话，它们仅适应于信息量少，数据流量有限的慢速跑道上运行，在信息流量大速度快的现代快节奏生活中，原网无法满足新技术发展的需要，即使采用ISDN方式（即一线通）也同样不能满足人们对信息的需求。为了提供高速、宽带、可靠的交互式数据服务，其下行速率可达100Mbps，上行速率在 QPSK调制方式下也能达到5.12Mbps。它比电信网的速率要快得多。

　　由多用户共用一台 CM，可采用有线电视集线器方式，用户 PC 机可通过集线器接口与 CM 相连，但从集线器到用户 IC 机之间需重新铺设五类线，用户投入的成本低，下行模拟信号用户仍然使用原同轴电缆接收，一般情况下一台CM可承载5～16个用户，该方式大幅度提高了上行数据的传输质量，由于电视和数据信息是分开传输的，不仅限制了终端用户的噪声，而且也降低了上行通道的噪声。

　　6．2　一个用户单独使用一台 CM

　　它的投入成本大，因用户端的噪声非常容易侵入上行通道，使网络的反向噪声增大，因此要求线路的材料质量高，施工质量好才能抑制增大的反向噪声。

　　6．3　一台CM采用混合器方式接多个用户

　　该接入方式在楼幢单元内安装一台能把电视与数据信号相混合的合成器，在用户终端设一台电视信号和数据信号分离的分离器，它由高低通滤波器组成，高通传电视信号，低通加分割转换器来传数据信号，该方式不需对网络进行大的改造，也不用重新敷设五类线，仍然利用原有同轴电缆来传送电视信号和以太网基带信号。它的不足之处是合成器的安装位置取决于用户分配网的分支分配结构，因此要受到一定限制。

　　7　CMTS与 Cable Modem之间的电平调整

　　CM使用时，先要搜索一下自己要传输的数据频道通路，并将频道锁定，完成前向纠错（FEC）后，就能收到前端数据传输设备CMTS按周期性送来的VCD（Vpstream Channel Descriptor）信息，便于和系统同步。 CM收到VCD给出的信息后，开始扫描上行的空时隙，并利用空时隙向CMTS提出宽带申请。如果CM得到了CMTS的授权，即可在授权的频道指定的时隙中发送数据。这是CM初始化的过程，它是由设备自动完成的，无需由人来操作。HFC宽带网双向数据业务的传输工作就是在CM和CMTS之间完成的，它们是按通信规则和协议来运行的。

　　CM和CMTS要想正常的工作，上行电平是否符合CMTS的要求至关重要，若CM到达CMTS的电平过高、过低都会造成CMTS收不到CM送来的信号。由于各个CM的位置、距离长短都有一定的差异，返回到CMTH的电平就会出现明显的差别，为了克服电平差异过大，CMTS都设计了一个标准接收电平，回传电平在调试时，应根据各部位的CM向CMTS送去一个参考电平，若送去的电平较低，它将电平的差值返回给CM，CM根据CMTS确定的标准电平要求再送一个CMTS需要的标准接收电平，并保持发送电平的幅度，保证数据传输正常无误，尽量避免超规范的误码率而影响信息的传递工作。

　　一般情况下 Cable Modem的正向输入电平标准值为 60±15sdBμV，一般控制在60±dBμV。输出电平应控制在68～118dBμV范围之间。进行反向系统电平调试时，一般取106dBμV左右作为反向调制器的输出电平，这是参考数据，各台网可根据本网的实际情况和所选择 Cable Modem的不同来确定CM的输入和输出电平。

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