（通信与信息系统专业论文）hfc终端设备中的asic芯片体系结构研究及协议实现.pdf

重庆大学硕士论文中文摘要 摘要 电话、电视、计算机网络三网合一是现代有线通信技术的发展趋势。三网合 一融合的不仅仅是几种通信方式和媒体传播方式的融合，它实现了模拟与数字通 信、通信硬件与通信协议的融合。当前，用户对信息需求量的激增，为h f c 宽带 网络的发展提供了良好的机遇。同时，经过一段时间的发展，i - t f c 宽带网络技术 也日趋成熟。 i - i f c 宽带接入网设备主要包括头端( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ，简称 c m t s ) 和用户终端电缆调制解调器( c a b l e m o d e m ，简称c m ) 。本文作者参 与了重庆市的重点科研项目c a b l em o d e m 及其前端系统c m t s 的研制工作，主要 从事的是c m 的研究，可以说对c m 相当熟悉。在c m 中处于最重要地位的就是实现 调制解调和协议处理的专用集成芯片。作者在c m 研究过程中积累了相当的经验， 熟悉h f c 网络和d o c s i s 协议的射频接口规范。这些经验都为本文的研究内容的 开展提供了良好的开端。目前，电缆调制解调器a s i c 使用的都是国外的产品，国 内对它的研究还出于空白阶段。 本文从h f c 网络理论和d o c s i s 协议入手，分析了h f c 数据通信的调制解 调过程，对q a m 调制、奈奎斯特均方根滤波器、前向纠错( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ， 简称f e c ) 、m a p 通信等进行了阐述；还从中探讨了电缆调制解调器需要用到的 另一个国际标准r r uj 8 3a n n e xa b 所设计的m p e g 信号的数字传输。然后针对 得到的a s i c 的体系结构，讨论了它的主要模块是如何实现d o c s i s 协议中的功能。 在得到a s i c 的体系结构，分析了对协议的实现情况后，利用数学工具 m a t l a b 对部分信号和器件进行了仿真。最后的结果表明，电缆调制解调器的 a s i c 的结构和功能分析正确。针对仿真和实际应用中的问题，探讨了对a s i c 的 结构的一些改进意见，对今后的电缆调制解调器a s i c 的研制和电缆调制解调器的 性能改进都有积极的意义。本文的研究内容无疑有着显而易见的现实意义。 关键词：电缆调制解调器，体系结构，d o c s i s ，m a p ，a s i c 重庆大学硕士论文 英文摘要 a b s t r a c t t e l e p h o n e t e l e v i s i o na n dc o m p u t e rn e t w o r km e r g i n gi no n e i sai n e v i t a b l et r e n da s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g i ti s n o t o n l y t h e m e r g e o fs e v e r a l c o m m u n i c a t i o n sa n dm e d i at r a n s m i s s i o nm e t h o d s b u ta l s ot h er e a l i z a t i o no ft h e i n t e g r a t i o no fa n a l o ga n dd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s ，h a r d w a r e sa n dp o r o t o c o t s a tt h e p r e s e n tt i m e , a l ls h a r pi n c r e a s i n gi n f o r m a t i o nd e m a n di se m e r g i n g al o to f c h a n c e sa r e s u p p l i e df o rt h eb r o a d b a n dn e t w o r ko v e rh f c ( h y b r i d - f i b e rc o a x ) m e a n w h i l e ，t h e t e c h n o l o g yo fb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ko v e rh f ci sg o i n g t om a t u r a t i o nb ys o m e t i m e s d e v e l o p m e n t t h ee q u i p m e n t so fh f cm a i n l yi n c l u d ec m t s ( c a b l em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m ) a n d c m ( c a b l em o d e m ) ，t h ea u t h o ri so n eo ft h em e m b e r so ft h er e s e a r c hp r o j e c to f c h o n g q i n gc i t y ，c ma n dc m t s ，a n di sf a m i l i a rw i t hc m t h ea s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) i sp l a c e di nc o r e i ti m p l e m e n t sm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n a n dd o c s i s ( d a t a - o v e r c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) p r o t o c 0 1 t h ea u t h o r a c c u m u l a t e sa b u n d a n te x p e r i e n c ef o rt h eh f cn e t w o r ka n dt h er f i ( r a d i of r e q u e n c y i n t e r f a c e ) s p e c i f i c a t i o n b u ta l la s i c sa r ef o r e i g np r o d u c t sa n dn o b o d yr e s e a r c hi t a l l a b o v es u p p l yag o o db e g i n n i n gf o rt h i st h e s i s t h i st h e s i sb e g i n sw i t hh f cn e t w o r kt h e o r ya n d d o c s i s ，a n a l y s e sm o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o np r o c e s so f d a t ac o m m u n i c a t i o ni nh f c t h e n ，s e v e r a lt h e o r i e sa r e a n a l y s e di n c l u d i n gq a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，n y q u i s tr o o ts q u a r e f i l t e r ，f e e ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) ，m a p ( b a n d w i d t ha l l o c a t i o nm a p ) a n dd i g i t a l s i g n a lt r a n s m i s s i o ni n v o l v e dt h eo t h e ri m p o r t a n ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 一u tj 8 3 a n n e xa b ，i sd i s c u s s e d i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h et h e s i sd i s c u s s e sh o wt o i m p l e m e n td o c s i ss p e c i f i c a t i o n a tl a s t , t h ea u t h o rt a k e sa d v a n t a g eo fm a t l a bt os i m u l a t ep a no fs i g n a l sa n d c o m p o n e n t s t h ef i n a lr e s u l ti n d i c a t e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h ea s i ca n di t sf u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l ta n dq u e s t i o ne x p o s u r e di na p p l i c a t i o n , t h ea u t h o rp u t sf o r w a r d i d e a so nt h ea r c h i t e c t u r ei m p r o v i n go f t h ea s i c k e y w o r d s ：c a b l em o d e m ，a r c h i t e c t u r e ，d o c s i s ，m a p ，a s i c i i 重庆大学硕士论文1 绪论 1绪论 1 1 课题背景 当今社会的信息化趋势愈演愈烈，特别是在i n t e m e t 计算机互联网兴起以后， 使得人们可直接得到的信息资源范围成几何级数的扩大，信息的传递也更加迅速。 现在，人们可以通过互联网络获取自己所需的各种信息资源，极大地方便了人们的 工作、学习和生活，提高了效率。同时也使得与互联网相关的一系列产业得以产生 和发展壮大，从而推动世界新经济发展。 i n t e m e t 互联网的发展进步主要体现在网络本身硬件上的变化，在网络骨干线路 的容量和传输速度上的技术发展突飞猛进，a t m ( 异步传输模式) 、第三层交换、 d w d m ( 密集波分复用) 等新技术和大容量光纤、宽带高性能路由器、高速接入服 务器等新设备的使用为信息在互联网上的迅速传递提供了必要的物质保证；与此同 时，不断有新的多媒体技术在互联网上使用，互联网为人们提供丰富多彩的音、视 频的多媒体内容，使人们可访问和可获得的信息内容极大地丰富；再加上电子商务 兴起，为商业经营模式另辟蹊径。 互联网改变了世界的运行轨迹，也改变了人们的生活方式。互联网出现了空前 的繁荣。因此，对宽带网络的研究势在必行。 1 2 宽带网络技术综述 目前，我国已经建成了一个以光缆为主、数字微波和卫星通信为辅的格状型传 输骨干网络，传输网中采用2 5 g b i t s 和1 0 g b i f f ss d h 传输技术，形成一个宽带、高 速、可靠的全国性宽带传输网络。 但是与此同时接入网络仍旧处于双绞铜线时代，接入环路中传送的仍是3 4 k h z 的话音信号。所以，大多数的数据通信用户环路网络都是在现有p s t n 网上的增值 业务，也就是说大多数i n t e m e t 用户都使用的拨号调制解调器，即用户线仍是利用 普通电话线，在p s t n 上发展的业务均属增值业务。由于受到电话线路及距离何两 端调制解调设备以及交换机等因素的限制，数据用户的传输速率是有限的，话音调 制解调器已从6 0 年代的3 0 0 b p s 速率发展到现在的5 6 k b p s ，速度提高了1 8 0 多倍。 从话音调制解调器的发展我们不难看到用户网络终端设备飞速发展的历程。 但是，使用过i n t e m e t 的用户都知道，即使是使用5 6 k b p s 的调制解调器在收发 电子邮件、浏览i n t e r n e t 信息、传送文件时都会感觉速度很慢，有时速度会慢得让 人无法忍受。有时如果传输文件比较大，由于传输时间较长及线路质量问题，一个 茎墨查堂堡主逢壅 ! 鳖笙 大文件，只传了一部分会中断传输，就更让人懊恼了。特别是现在有大量基于w 曲 的多媒体服务，网上汇集了大量的音频、视频文件，访问者就更需要高速的接入速 度和足够的网络带宽来传输数据。那么，如图1 1 所示，现有的接入方式和接入设 备就成了实现高速互联网访问的桎梏，阻碍了信息化的发展。 、f 骺咄里| 。篙勰燃，暮照熟 、_、一 图1 1 接入网产生的瓶颈 采用更先进的接入方式和更高速的接入设备成为现有的i n t e m e t 接入所必须面 对和解决的首要问题，即如何解决最后一公里的问题。 1 3 宽带接入的概念及特点 i t u t 第1 3 工作组给出了接入网络的定义和功能结构。接入网位于交换端局和 用户终端之间，可以支持各种交换型和非交换型业务，并将这些业务流经组合后沿 着公共的传输通道送往业务节点s n ，其中包括将用户接口u n i 信令转换为适宜业 务节点接口s n i 的信令形式，但接入网本身并不解释和处理信令的内容。接入网可 以完成的基本功能有：传送功能、u n i 承载体和s n i 承载体至公共载体的适配功能、 用户端口接入功能、s n i 特定要求至公共载体的适配业务端1 3 功能以及系统管理功 能。 宽带接入网就是将新技术用在接入网上，使接入网能够拥有更高的带宽，能够 以高速率进行数据传输，包括话音、数字音频、数字视频等信号。 根据接入网络侧重点以及实施方针的不同，宽带接入技术分成电信部门和广电 部门两种类型。无论是哪种类型的宽带接入技术，都具备如下特点： 1 、高速率、高带宽； 2 、一网多用，支持多种业务； 3 、大量利用光传输技术。 1 4 宽带接入技术方案比较 1 4 1f t t h f 1 1 h ( f i b e rt ot h eh o u s e ) 光纤到户理所当然是最佳的宽带接入方案，高稳定 性、高速率是它的优势。在该项技术中使用较多的是p o n ( 无源光纤接入技术) 。 它的传输部分采用空分复用技术( s d m ) ，即采用对光纤分别传输下行和上行信 号实现全双工通信。相应的无源分光器也需要用一对，分别传送上行和下行信号， 给每个o n u 分配固定的时隙。采用双纤单向传输的优点是光反射影响小，可用光 重庆大学硕士论文1 绪论 功率大。无源光网络的下行信号传输采用时分复用( t d m ) 方式，即从局端接口单 元发送的信号按时分复用依次送到各个用户单元。上行信号传输采用时分多址技术 ( t d m a ) 。在此基础上可以传送a t m 信元信号，构成a p o n ，实现高速数据交换。 但是，目前光设备价格昂贵，限制了f 1 的应用，人们只能寻找个现对性能较 低，但价格便宜的折中方案。 1 4 2a d s l a d s l 技术最初是为了向家庭用户提供v o d ( 视频点播) 服务而开发的，它可 在一对双绞线中下行传送6 m b i t s 、上行传输6 4 0 k b i f f s 的码流( 符合a n s it 1 4 1 3 i s s u e 2 标准) 。由于v o d 系统的复杂性、较高的成本及市场驱动力的不足，使v o d 并没有获得广泛的应用。而i n t e r n e t 的迅猛发展却为a d s l 提供了舞台。 a n s i 标准的a d s l 采用d m t ( 离散多音频) 技术，为用户提供了三个信息通 道，模拟电话和话音调制解调器占据0 4 k h z 的频段，双工的低速信道占据2 0 1 3 0 k h z 的频段，速率范围是3 2 6 4 0 k b i f f s ，速率变化步长为3 2 k b i t s ，分成l s 0 l s 2 三个信息通道。下行的高速信道占据1 4 0 1 1 0 4 k h z 的频段，速率范围是3 2 6 1 4 4 k h z ，速率变化步长是3 2 k h z ，分成a s 0 a s 3 四个信息通道。话带信号与数 据信号用滤波器分隔。a d s l 为用户提供了两类传输通道，一类是不对数据进行交 织( i n t e r l e a v i n g ) 处理的信道，称为“快速”信道，它的特点是处理延时比较短； 另一类是对数据进行交织处理的信道，称为“交织”信道，它的特点是传输的可靠 性较高，但引入一定的处理延时。用户可以根据不同的需要来选择使用这两种传输 方式。 目前的a d s l 接入网按照传输的数据格式可以分为基于分组的和基于a t m 的 接入网。网络的一般结构如图1 2 所示。 现存的用户环路主要由u t p ( 非屏蔽双绞线) 组成。u r p 对信号的衰减主要 图1 2a d s l 接入网一般网络结构 与传输距离和信号的频率有关，如果信号传输超过一定距离，信号的传输质量将难 以保证。此外，线路上的桥接抽头也将增加对信号的衰减。因此，线路衰减是影响 a d s l 性能的主要因素。a d s l 通过不对称传输，利用频分复用技术( 或回波抵消 重庆大学硕士论文 1 绪论 技术) 使上、下行信道分开来减小串音的影响，才能实现信号的高速传送。从表1 1 中我们可以看到a d s l 的传输速率和传输距离的关系。由此可见，a d s l 的传输距 离有限，而且对传输设备和线路质量的要求也比较高。 表1 1a d s l 速率与距离的关系 1 曲l e1 1r e l a t i o n b e t w e e nr a t e a n d d i s t a n c e0 f a d s l 下行传输速率( m h z )有效传输距离( k m ) 1 55 5 2 04 9 6 03 7 9 0 2 7 在调制技术方面，a d s l 可采用q a m ( q u a d r a t u r e a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) 、c a p ( c a r r i e r l e a sa m p l i t u d e - p h a s em o d u l a t i o n ) 、d m t ( d i s c r e t em u l t i t o n e ) 方式进行调 制。但是由于q a m 对l 厂r p 的适应性较差，c a p 又难以克服近端串音干扰，在工程 实践中的使用效果并不理想。而d m t 技术复杂，设备昂贵，在实际应用中受到很 大的限制。 1 4 3 光纤+ 局域网方式 e t h e m e t ( 以太网) 方式并不是一个新技术，而且也很成熟、简单。目前在e t h e m e t 接入方面主要是利用1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e - t 技术，就用户而言，这样的速室早 已经够用了。在e t h e m e t 中，站点可以检测到其他站点在干什么，从而相应地调整 自己的动作，网络站点侦听载波是否存在( 即有无传输) 并相应动作。目前主要采 用载波侦听多路存取访问控制方法，它是带冲突检测的载波监听协议( c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s 晰mc o u i s i o nd e t e c t i o n ，简称c s m a c d ) 。s c m a c d 协议本身是 对a l o b a 协议( 一种基于地面无线广播通信而创建、适用于无协调关系的多用户 竞争单信道使用权的系统) 的改进，它保证在侦听到信道忙时无新站开始发送，站 点检测到冲突就取消传送。 1 4 4h f c h f c ( h 如耐一f i b e rc o a x ) 光纤同轴混合接入网基于模拟传输方式，综合接入 多重业务信息，可以实现的主要业务有：电话、模拟广播电视、数字广播电视、点 播电视、数字交互业务等。将电话网、计算机网和有线电视网合并在一起构成的h f c 网，可以提供原来三个网的各种业务，即“三网合一”。如图1 3 所示。 i - i f c 网络的终端设备使用c m t s ( 电缆调制解调器头端系统) 和c a b l em o d e m ( 电缆调制解调器) ，以数字方式传送数据及音视频信号。c a t v 在我国的普及率 非常高，根据我国地域辽阔，人口众多，大部份国民收入较低的国情，h f c 宽 4 重庆大学硕士论文1 绪论 带综合业务网具有优异的性能价格比，是一种最适合我国目前国情的宽带接入 网，是解决信息高速公路“最后一公里”的最佳方案，也是逐渐向f 1 v r h ( f i b e r t ot h eh o m e ) 过渡的最佳途径。其主要优点在于： 图1 3“三网合一”框图 f i g u r e1 3b l o c kd i a g r a mo f m e r g m g1 no f l e 1 、速度快。c a b l em o d e m 的下行速率最高可达3 0 m 4 0 m b p s ，上行速率在 3 2 0 k - 1 0 m b p s 之间：即使1 0 m b p sc a b l em o d e m 的速度也要比5 6 k b p sm o d e m 快1 2 0 倍，比1 5 m b p s 的t 1 快6 5 倍。 2 、收费低廉。c m 技术利用已有的c a t v 网，无须更换全部网络设备，在美国 用户段的c a b l em o d e m 售价在$ 2 5 0 $ 5 0 0 ，m s o 提供的c m 服务每月收费$ 4 0 一$ 6 0 ， 目前国内的c m 售价也已经降到人民币1 0 0 0 元以下，性价比相当高。 4 、永久连接。由于c a t v 网是2 4 小时开通的，每月只要缴纳一定租费，对上 网时间毫无限制，也不会发生象拨号用户那样占线无法上网的情况。 1 5 本课题的意义 当然，绝对完美的事物是没有的，在h f c 上使用c a b l em o d e m 进行宽带接入 还是有它自身的不足，例如由带宽共享带来的网路安全问题、上行回传的噪声问题 等等。但这些问题现在通过相应的技术手段都能得到一定的解决，已经不会影响用 户的正常使用了。相信在“三网合一”和信息访问高速化的趋势下，h f c 网络宽带 接入必能大展拳脚，充分发挥自身的优势，为国民经济建设作出应有的贡献。 本课题正是针对h f c 网络宽带接入方式的不足，从内部分析、了解h f c 的理 论意义，为以后解决上述问题做好准备。 1 6 本课题所做的工作 在本课题中，课题承担者所完成的工作主要反映在以下几方面： 重庆大学硕士论文 1 绪论 l 、研究c a b l e m o d e m 中核心a s i c 芯片的体系结构； 2 、研究d o c s i s 协议在该芯片中的实现方法，对其科学性和正确性进行分析 3 、建立c a b l em o d e m 中核心a s i c 芯片信号流程的模型，并进行仿真分析； 4 、对c a b l em o d e m 的性能优化进行探讨； 1 7 论文安排 在本论文中，作者首先阐述了h f c 宽带网络基本原理，包括网络拓扑、接口规 范等。接着，介绍了d o c s i s 协议的实现过程及由此建立起来的a s i c 芯片的体系 结构和数学模型，分析了信号调制解调的流程。最后，就实际使用中c a b l em o d e r n 对环境适应能力不强的弱点，对其性能优化进行了探讨。 1 8 本章小结 本章对课题的背景作了介绍，阐述了网络宽带化的发展趋势，将几种宽带接入 网解决方案作了一个对比，指出了几种宽带接入网各自的优势和缺点所在。同时， 针对h f c 方式的宽带接入网说明了本课题的意义。 6 重庆大学硕士论文 2h f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 2 h f g 宽带接入网理论基础及其接口规范 2 1 h f c 宽带接入网 光纤同轴混合接入网h f c 是a t & t 公司与1 9 9 4 年提出的宽带接入方式，其背 景是电信市场即将开放，电信公司和广播公司试图向对方行业渗透，电信部门开始 涉足闭路电视c a t v 业务，广播公司则希望在传统的c a t v 网络上提供传输数据、 话音以及视频点播业务等等使得人们开始讨论改造c a t v 以便提供宽带业务的可能 性e l l 。 2 1 1h f c 网络拓扑 h f c 网络中，光纤是整个网络的主干部分，一般是从网络中心到社区或街道， 再往下则沿用同轴电缆传输信号。这样，整个h f c 网络分成两个部分，即光缆部分 和电缆部分，中间相接部分是光纤节点o n ( o p t i c a ln o d e ) ，完成光信号和电信号 的转换。 整个h f c 在结构上呈现明显的树状分叉结构，光纤传输系统作为树干部分，而 相应的同轴电缆及其连接的用户是网络拓扑的分支部分。如图2 1 所示。 最终用户 引线( 电缆) 图2 ih f c 网络拓扑图 f i g u r e2 i t h et o p o l o g i cg r a p ho f t h eh f cn e t w o r k 在h f c 网络中，所有的节点都必须是双向的，保证上、下行信号的传输，并保 证信号电平及信号质量在局端和用户端设备的容许范围内。 2 1 2h f c 运行机制 h f c 宽带接入网是将数字信号经过模拟调制后在同轴电缆上迸行传输。由于 h f c 网络中有源器件数量( 例如电信号的放大器件) 大量减少，从而使得网络故障 平均间隔时间( m e a n t r i n e b e t w e e n f a i l u r e ) 变大，保证系统具有良好的可靠性：另 重庆大学硕士论文2h f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 外，i - i f c 网络提高了网络信号传输质量，以往同轴电缆c a t v 网络中认为无法传送 数字信息在h f c 网络中传送成为可能。 由此，如图2 2 所示，在h f c 网络上可以承载多种业务，从模拟电视信号到数 字电视信号、数据、实时点播的多媒体信号，以及话音信号和信息交互的信令等。 图2 2 电缆数据传输系统参考结构 f i g u r e2 2 d a t a - o v e a - - c a b l er e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e 在h f c 的下行方向，在严格带宽分配的基础上，兼顾传输速率和抗于扰能力， c m t s 普遍采用了正交幅度调制q a m 6 4 2 5 6 ，甚至使用同步码分多址s - c d m a 来 重庆大学硕士论文 2h f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 调制下行信号。c m t s 下行调制器直接输出的是中频信号，经过变频器上变频后送 入h f c 网络的下行通路中。相应的在用户端，使用c a b l em o d e r n 针对不同的下行 调制方式来解调接收到的下行信号。己解调的信号通过c m c i 接口( c a b l em o d e m 与用户驻地设备c p e 之间的接口) 送到用户终端设备上，这些接口视具体设备而定， 可以是以太网接口、u s b 接口或p c i 接口。 在h f c 的上行方向，上行频带被限制在5 - - 4 2 m i - i z ( 根据r r u tj 8 3a t l n e x a ， 上行频带可以在5 6 5 m h z ) 的范围内。但是该频带上噪声影响严重，被称为射频 恶劣区( h o s t i l er a d i of r e q u e n c ye n v i r o n m e n t ) ，就首先要求考虑上行信号调制方式 的抗干扰能力问题，必然要降低对信道容量的要求。所以，普遍采用了抗干扰能力 较强，但传输速率相对较低的q p s k 调制方式。同时，在每个上行信道内，利用t d m a 方式使多用户共享上行信道。c a b l e m o d e m 发送的上行信号通过h f c 网络的反向回 传通路( 部分媒质可与下行通路共享) 进行传输，被c m t s 的上行接收器接收后解 调，然后根据具体情况，数据可以分别向c m t s 的射频接口或以太网接口转发。 2 2 射频接口规范 现在的有线电视电缆经营商，希望在有线电视电缆系统上，建造出一种高速数 据通信系统，该通信系统基于分组交换、能支持各种各样的综合服务的开展。有线 电视电缆系统经营商们希望能在这种电缆通信系统上开展的服务，包括分组( 包) 交换服务、视频会议服务、帧中继等相关服务。基于以上的商业需求，为了使各大 厂家生产的系统设备相互兼容，国际几大有线电视运营商，包括t t m e w a r n e r 、t c i 、 c o x 以及c o m c a s t 联合成立了c a b l e l 丑b r 电缆实验室，专门研究指定了一系列的 在c 曲i e 网上建设高速分组交换通信系统的技术规范，这便是d o c s i s 协议 d a t a o v e r - c 曲l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 。，它得到了c i s c o 、3 c o m 、i n t e l 、 m o t o r o l a 、n e c 等诸多厂商的支持。1 9 9 8 年3 月，d o c s i s 规范被国际电信联盟删 所采纳，成为h f c 网络内进行高速数据通信的国际标准。 其中，射频接口规范( r a d i of r e q u e n e yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，简称r f i ) 是 d o c s i s 的最重要组成部分。在d o c s i s 的射频接口规范中，主要阐述了h f c 宽带 接入对有线电视网络的要求、通信协议层、业务质量保证、头端系统与用户端设各 的交互作用及软件的升级。在本论文中主要涉及了通信协议栈、物理媒体子层、传 输汇聚子层、媒体接入控制层( m a c ) 的规范。 2 2 1 通信协议栈 在h f c 传输网络中，c m 和c m t s 既作为转发代理在工作，与此同时也作为 终端设备( 主机) 在工作。正如前面所讲到的，c a b l em o d e m 系统的主要功能是在 重庆大学硕士论文 2 h f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 头端( 电缆运营商) 和用户之间透明地传输p 数据报。此外，一些诸如带宽管理、 软件下载之类的管理功能等，也是建立在p 协议上的，管理功能的存在并没有限制 头端与用户端之间作为数据转发代理时的透明性。因此，在h f c 网络中( c m 和c m t s 之间) 具有如图2 3 所示的协议栈。 c m 作为主机 从c m 和c m t s 通过电缆通信的角度来看，它们是作为主机( h o s t ) 工作的， c m 和c m t s 将遵循用于电缆网络通信的i e e e8 0 2 标准，在电缆网上完成主机 和l l c 主机的功能，即c m 要能够完成口协议层和l l c 层的功能。作为主机 工作，就能够在链路层上支持i p 、a r p ( 地址解析协议) 。 c m 作为p 主机，也能支持u d p 协议。在u d p 之上，能运行d h c p 协议来实 现c m 的p 地址动态配置，能运行t f t p 来实现c m 从c m t s 下载文件，能运行 s n m p 协议来支持对c m 的信息统计与简单管理等。 图2 3r f 接口协议栈 f i g u r e2 3 p r o t o c o ls t a c ko nt h er fi n t e r f a c e c m 作为数据转发代理 从用户角度看，无法看到c m 与c m t s 之间的通信细节。这时，c m 和c m t s 均是数据转发代理。c m 、c m t s 以及h f c 物理网络构成的电缆数据传输系统实际 上相当于一个工作在以太网m a c 层的透明以太网网桥。该网桥有多个端口，其作 用只是扩展以太网的物理范围而已。接到这些端口的c p e 可以是单独的p c 机，也 可以是多台p c 的以太网。如图2 4 所示。 作为数据转发代理对，c p e 之间除了能进行透明的口通信外，c m 还能支持用 1 0 重庆大学硕士论文 2h f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 户采用其它网络层协议进行通信。 2 2 2m a c 转发器 图2 4 通过c m 和c m t s 进行数据转发 f i g u r e2 4 d a t af o r w a r d i n gt h r o u g hc ma n dc m t s 图2 5m a c 转发器 f i g u r e2 5m a cf o r w a r d e r m a c 转发器是一个m a c 子层，该子层位于c m t s 的m a c 业务接入点( m s a p ) 的下面。m a c 转发器负责把上行的帧发送到一个( 或多个) 上行通道、m s a p 接 口。如图2 5 所示，电缆网络的上行和下行l l c 子层和链路安全子层终止于m a c 转发器。m s a p 接口的使用者可以是n s i - r f i 转发进程或c m t s 主机协议栈。 帧的传输可以基于数据链路层( 桥接) 语义、网络层( 选路) 语义，或者是两 重庆大学硕士论文2f i f c 宽带接入网理论基础及其接口规范 者的结合，也有可能运用高层协议，例如u d p 端口号的过滤器。c m t s 必须提供主 机与c m 的口连接，并且必须符合用户设备的以太网标准。 2 2 3 网络层及网络层以上 在电缆上传输数据系统的目的是在系统中透明地传输口流量，用户将能够使用 透明的口性能作为高层服务的载体。这些服务的使用对c a b l em o d e m 来说是透明 的。 除了传输用户数据之外，还有几种依赖于网络层的网络管理和操作性能。它们 包括：对s n m p ( 简单网络管理协议) 的支持、对t f t p ( 简单文件传送协议) 的 支持、对d h c p ( 动态主机配置协议) 的支持、对日期时间服务协议的支持。 2 2 4 数据链路层 按照i e e e8 0 2 ，数据链路层被分割成予层；按照d o c s i s ，添加了链路安全子 层。这些子层从上到下是：逻辑链路控制子层( l l c ) 、逻辑链路安全子层、媒体访 问控制子层( m a c ) 。 2 3 本章小结 本章介绍了h f c 宽带接入网在网络拓扑图上是树状分叉结构，在下行、上行方 向都共享介质，根据对带宽、速率以及抗干扰能力的不同要求，采用不同的调制方 式。其中普遍的方案是下行采用用q a m - 6 4 调制方式，上行采用q p s k 调制方式。 在f i f c 宽带接入网领域，国际标准d o c s i s 处于举足轻重地位，而射频接口 规范又是d o c s i s 最核心的部分。它主要阐述了h f c 宽带接入对有线电视网络的 要求、通信协议层、业务质量保证、头端系统与用户端设各的交互作用及软件的升 级。本章对通信协议栈、物理媒体子层、传输汇聚子层、媒体接入控制层作了简要 的介绍。 重庆大学硕士论文 3a s i c 芯片的体系结构 3a s l c 芯片的体系结构 3 1 总体结构 c a b l em o d e r n 电缆调制解调器作为h f c 接入网中的用户端设备，承担在头端和 用户之间透明传输m 数据报的功能。 从硬件上来看，电缆调制解调器主要包括射频( r f ) 和信号处理( 通信协议处 理) 两大模块，如图3 1 所示。射频模块的功能由数字高频头( d i g i t a lt u n e r ) 来实 现，在下行方向从同轴电缆上接收调制信号，在下行方向变频成中频信号送到a s i c 进行处理。信号处理模块的功能主要由c p u 和a s i c 共同来完成。 图3 1c a b l em o d e m 硬件结构 f i g u r e3 i h a r d w a r eb l o c ko f c a b l em o d e m 其中，c p u 运行c a b l em o d e m 上嵌入的实时操作系统、驱动程序和应用程序， 完成基本数据处理、i o 管理、存储管理、周边设备控制管理。在周边设备控制管 理功能中，对r s 2 3 2 、e t h e m e t 、u s b 接口的控制、管理来实现与计算机( p c ) 之 间的相应通信协议处理。 c a b l em o d e m a s i c 包含四个主要模块：下行接收器、上行发送器、媒体访问控 制器( m a c ) 、杂项控制。如图3 2 所示。 图3 2a s i c 框图 f i g u r e3 2 a s i cb l o c kd i a g r a m c p ui n t e l f a l c e c l o c k 重庆大学硕士论文 3a s i c 芯片的体系结构 在实际运行过程中，下行接收器和上行发送器分别完成解调和调制功能。高频 头( t u n c r ) 把射频信号变频到中频信号后送到下行接收器，下行接收器在经过载波 同步和位同步，并经过一系列的纠错后，从q a m 信号恢复出比特流。上行发送器 把m a c 递交过来的m a c 帧进行q p s k 或q a m 调制后送到高频头，然后高频头把 信号调制到设定的信道，发送到电缆上。m a c 模块处理诸如同步消息、带宽分配 ( m a p ) 消息，并把其它m a c 消息递交到软件模块。 3 2 下行接收器 如图3 2 所示，下行接收器包含一个可编程增益放大器、一个a d 转换器、一 个数字解调器、一个匹配均衡器、同步环路和一个f e c 解码器。 图3 3 下行接收器 f i g u r e3 3 d o w n s t r e a mr e c e i v e r d d s ：d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ，直接数字合成器 d f e ：d e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z a t i o n ，判决反馈均衡 f e c ：f o r w a r de r r o rc o r r e c f i o n ，前向纠错 下行接收器要能够接收不同的信号电平( 以指令规定的功率电平为中心) ，执行 码元定时、载波恢复及跟踪、突发信号的捕捉与解调。同时，下行接收器还要提供 相对于参考边缘的突发定时估计、接收电平的估计、信噪比的估计，还需要自适应 均衡来减轻电缆网络回波、窄带侵入干扰、群延时的影响。 下行信号的流向如图3 4 所示。其中，在码元映射到字节数据流之前的信号一 直是以多字节的码元形式出现的，通过映射之后，数据被转换为以字节为单位的数 据流。 1 4 重庆大学硕士论文3a s i c 芯片的体系结构 图3 4 下行信号流 f i g u r e3 4 d o w n s t r e a ms i g n a lf l o w 3 2 1 模拟前端 下行接收器的模拟前端包含一个可编程增益放大器( p g a ) 和一个模数( a d ) 转换器。 可编程增益放大器受一个可实现自动增益控制( a g c ) 功能的片载增益校正环 路控制，放大从高频头下变频输出的i f 信号( 6 m h z 或8 m h z ) ，再送入a d 转换 器进行转换。虽然在模数转换后的信号是数字的，但仍然只是“信号”，而不是“数 据比特位”。压控振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，简称v c o ) 提供a d 转换 器的时钟，而该压控振荡器直接被锁定到a s i c 片外晶体振荡器的频率。这个稳定 的参考时钟可以对球信号进行亚抽样( s u b s a m p l e ) 来产生一个位于更低中频的数 字数据流。 压控振荡器是一个电压一频率变换装景，在锁相环路( p l l ) 中作为被控振荡 器，它的振荡频率应随输入控制电压“t ) 线性变化： ，( t ) = ( ) 。+ k 批( t ) ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中。m ) 是压控振荡器的瞬时角频率，是控制灵敏度( 或称增益系 数) 。 压控振荡器的控制特性只有有限的线性控制范围，超出这个范围之后控制灵敏 度将会下降。如图3 5 所示，实线是实际压控振荡器的控制特性，虚线为符合式( 3 1 ) 的线性控制特性。 重庆大学硕士论文 3a s i c 芯片的体系结构 。v ， 厂。 o u 图3 5 压控振荡器的控制特性 f i g u r e3 5 c o n t r o lf e a t u r eo f v c o 压控振荡器是p l l 环路的一部分，本身要求频率稳定度好、控制灵敏度高、控 制特性的曲线好、线性区域宽，对a d 转换器的时钟稳定产生