（计算机应用技术专业论文）hfc网络监控系统的研究与实现.pdf

协5 3 6 9 5 5 西安建筑科技大学硕士论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e i ji ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! ! ! 自! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! h f c 网络监控系统的研究与实现 专业：计算机应用与技术 硕士生：程金勇 指导老师：马光思教授 摘要 我国有线电视正在向数字化、多功能化、产业化和全国联网的方向发展。随着其综 合功能、网络规模的扩大和网络信息量的增长，有线电视光纤同轴电缆混合网络( h f c ) 的管理问题日益突出，针对网络管理及监控系统的应用需求提出了新的研究课题。 论文以有线电视h f c 网络监控系统的实际研发课题为背景，对h f c 网络监控系统 涉及的技术、方法作了详细深入的研究和分析。 论文首先介绍了有线电视h f c 网络的特点、物理组成以及各个组成部分的功能和特 点，并介绍了与h f c 网络密切相关的技术，包括h f c 网络的双向传输技术、双工利用 技术、c a b l em o d e m 技术和h f c 网络噪声抑制技术。然后简要的论述了计算机监控系统 的基本含义、在现实生活中的重要作用及其发展现状。 论文重点讨论了监控系统软件的设计与和实现，包括监控系统的界面风格、通信协 议、串口通信、监视线程、监控卡操作等的设计步骤和方法，以及在开发过程中所遇到 的问题及解决方案。其中详细分析了串口通信及监视线程的设计。 结合具体监控系统的研发经历，分析了监控系统的主要特点和所用到的主要技术， 重点讨论了面向对象技术、软件复用技术、多线程技术和定时器技术。 最后在所做工作的基础上，对监控系统的功能设计和程序结构设计不足提出了的进 一步完善的意见，以及对未来工作的展望。 l 关键词l有线电视，光纤同轴电缆混合，电缆调制解调器，射频，信噪比，线程。 西安建筑科技人学硕士论文 ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! 自! ! ! 自! e ! r e s e a r c h & i m p l e m e n t a t i o no fh f cn e t w o r k m o n i t o r i n gs y s t e m s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y c b e n g j i ny o n g p r o l m a g u a n g s i a b s t r a c t c a t v t e c h n o l o g y i sd e v e l o p i n gi n t od i g i t a l ，m u l t i f u n c t i o n a li n d u s t r i a l i z a t i o n w i t h t h es y n t h e t i cf u n c t i o n 、n e t w o r ks c a l ee x t e n da n dn e t w o r ki n f o r m a t i o ni n c r e a s i n g ，t h e m a n a g e m e n tp r o b l e mo fh y b d df i b e rc o a x i a ln e t w o r ki sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t ，a l lt h i sd e m a n dt od om o r ed e e p l yr e s e a r c hi nm a n a g e m e n to fn e t w o r k a n d m o n i t o r i n gs y s t e m 、 t h ep a p e rd e e p l yd os o m er e s e a r c ha n da n a l y s i si nh f cn e t w o r km o n i t o r i n g s y s t e mb a s e d o nt h ep r a c t i c a lr e s e a r c ho fc a t vh f cn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es p e c i a l t ya n dc o m p o n e n to ft h eh f cn e t w o r k t h e n p r e s e n tt h em a i nt e c h n o l o g i e sa b o u tt h eh f c n e t w o r k w h c ni n c l u d et h et o ww a y s t r a n s f e rt e c h n o l o g ya n dt h ec a b l em o d e mt e c h n o l o g y a f t e rt h e n g i v e u ss o m e k n o w l e d g e a b o u tc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m 、 t h e p a p e r d i s c u s sd e s i g na n df u l f i l l m e n to ft h em o n i t o r i n gs y s t e mi nt h es o f t w a r e ， w i t c h i n c l u d i n gt h ei n t e r f a c es t y l ed e s i g n 、t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 、t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m 、t h em o n i t o rt h r e a da n dt h eh f c c a r dd e s i g n t h e na n a l y z e st h es p e c i a l t ya n dt h em a i nt e c h n o l o g yu s e di nt h em o n i t o n n g s y s t e m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n ds o f t w a r e r e u s e d t e c h n o l o g y i ne m p h a s i s a tl a s t c o m b i n e dw i t hd e v e l o p m e n te x p e r i e n c eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e m ，g i v e s o m ea d v i c et oa c c o m p l i s ht h es y s t e r nm o r ep e r f e c t k e y w o r d s ：c a t vh f c c a b l em o d e m ，f s n ，f rs n r ，t h r e a d 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 另l jj j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的酽究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 列本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文作者签名：；f = 公勇日期：e 0 0 3 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保鼠送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：黼靳签名易扬嗍乡胪 注：请将此页附在论文首页。 两安建筑科技大学硕士论文 第一章绪论 随着我国有线电视( c a t v ) 事业的飞速发展，传统的有线电视网络正逐渐改成了 光纤同轴电缆混合网( h f c ) 。h f c ( h y b r i df i b e r c o a x i a l ) 网是一种新型的宽带网络， 采用光纤到服务区，面在进入用户的“最后1 公里”采用同轴电缆。目前国内的城市有线 电视h f c 网，基本还不具备网络监控管理的功能。在这样的环境下，有线电视网多网合 一改造势在必行，而相应的网络管理、监控设施随之应运而生。有线电视网络中各个光 节点是直接和用户电缆相连的部分，通过对光节点各个运行参数的有效监测，可以知道 光节点下所在的用户有线电视信号是否正常。 由于是初次，千发有线电视h f c 监控系统( 在此之前，国内没有一家有线电视台对 有线电视h f c 网络的光节点进行监控) ，手头几乎没有任何技术资料，客户本身对许多 功能需求还不是很明确，所以程序的功能相对比较简单，还有些功能需要进一步完善 和改进，在2 0 0 3 年2 月离开单位之前，笔者已在此基础上制定了功能更为完善的监控系 统，并为此已经开始做了大量工作。 1 1 课题研究的背景和意义 中国的有线电视经历了3 0 多年的发展，已经成为世界第一大有线电视用户国。有 线电视以其频带宽的特点被世界各国专家公认为”信息高速公路的最后一公里”，具有巨 大的产业开发价值。当前，中国的有线电视正在向数字化、多功能化、产业化和全国联 网的方向发展。随着其综合功能、网络规模的扩大和网络信息量的增长，有线电视h f c 网络的管理问题日益突出，对网络管理及监控系统的要求提出了新的课题。 l _ _ j 前的有线电视网络( 主要是城市h f c 网络) 监控管理是相当滞后的。设备运转情 况、电视节f _ j 传输质量、故障点的奄找等诸多网络维护工作都是人工操作。这种低效率、 高工时、耗时间的维护方式显然与当今的工作节奏不相符，并且随着网络功能和规模的 扩大，就更需要信息化的智能管理。 国外如美国、加拿大、日本等发达国家的有线电视网已形成多功能双向网络，尤其 是日本，其有线电视网的通信网络化，视频点播及综合网络管理都已普及，但管理的方 式仍限于网络设备的运行状态、远端配置及告警指示等。 国内现有的有线电视网基本是如下现状：国家及省、市级的主干网( 以s d h 、a t m 等高速光纤网络为主) 都是数字化双向网络，且都具备较完善的网络管理系统。这级网 西安建筑科技大学硕士论文 络覆盖全国且基本构成了删状拓扑结构；各省、市级主干网也形成了环状或冗余树型结 构。各省及大城市还配备了大容量高端路由器用于连接各主要电信网络。即主干网络已 经具备多功能网络的基础条件，但如前所述，国内的城市有线f n 视h f c 网，除个别地区 试点外，基本还不具备网络监控管理的功能。综合分析，在这样的环境下，有线电视网 多网合一改造势在必行。而相应的网络管理、监控设施必将应运而生。 有线电视网络运行性能的监控系统，在网络中心任意选择显示所设置监控点电视节 日的拨出质量及指标参数，这在目前行业内的空白。系统要自成监控系统，也可与网络 管理系统配套使用。即可应用于目前的模拟传输，也可应用于将来的数字电视网络系统。 到目前为止，国内还没有一套完整的系统，对有线电视网运行过程中各个方面进行 有效的监控，涉足这方面开发的单位只有中国广播电视科学研究院和清华大学等很少的 几家，在开始项目开发之前，国内还没有对有线电视h f c 网络的各个分前端的各个光节 点机的运行情况进行过有效的监控管理，因此开发一套对各个光节点进行监控的系统， 成为一项紧迫的任务。清华大学信息处理研究所作为一家在清华以至全国都有很大的影 响，获得2 1 1 工程、9 8 5 工程、9 5 公关项目，清华大学骨干人才基金会等资助，拥有广 泛的国际技术背景，在信息研究领域方面具有很高的水平的科学研究机构，在中国科学 院李衍达院士的带领下，于2 0 0 2 年5 月承接了深圳有线电视台有线电视h f c 网络监控 系统，作者有幸在毕业实习期间参与了整个项目开发研究过程，论文选题就是以这个项 目的研制为背景展开的。该监控系统在2 0 0 2 年1 2 月下旬已交付试用，深圳有线电视台 对试用的效果较为满意。这套有线电视h f c 网络监控系统的开发，填补了我国在这方面 ( 对有线电视网络光节点进行监控) 的空白。清华大学信息处理所和清华永新同方电脑 公司合作，正在积极准备把这套监控系统向全国推广。这将对我国的有线电视事业的发 展起到很大的推动作用，具有很高的经济效益和市场前景。正是在这种背景下，开发了 这套有线电视h f c 网络监控系统。 1 2 作者在系统开发中所承担的工作 本课题主要研究和开发任务有： 1 1 现场采集光节点工作参数数据并将数据送到中心工作站； 2 1 通过串口接收采集的数据，并对采集的数据迸行处理： 3 、将处理的结果以图形形式生动的在画面上显示出来，并实时更新： 4 1 报警设置及处理； 5 、数据库存储实时运行配置和历史数据记录。 本系统由清华大学信息处理研究所硬件工程师安伟键老师和作者两人合作完成，作 2 两安建筑科技大学硕士论文 者负责整个监控系统的软件部分的所有工作。具体包括：程序需求分析、程序的总体结 构设计、程序代码的编写、程序的测试和技术文档的编写等。 1 3 本文的组织结构 第一章为绪论，给出了课题的研究背景和作者所承担的工作。 第二章是本监控系统的基础，介绍了有线电视h f c 网络的含义、特点、物理结构组 成以及与h f c 网络密切相连的三种技术：h f c 网络的双向传输问题、多工利用技术和 c a b l em o d e m 技术，最后还介绍了h f c 网络的噪声抑制问题。 第三章简单介绍了监控系统的基本知识，包括监控系统的含义、作用及发展。 第四章是本文的重点，详细介绍了监控系统的设计以及在设计的过程中所遇到的问 题和解决方案。主要包括通信协议、串口通信程序、监控线程、图形显示、监控卡操作 和报警范围设置等设计。 第五章主要阐述了监控系统的主要特点和所用到的主要技术，重点介绍了面向对象 技术、软件复用技术、多线程技术和定时器技术。 第六章重点介绍了对该有线电视h f c 网络监控系统的设计的进一步完善和扩充，以 及对未来工作的展望。 西安建筑科技大学硕士论文 第二章双向h f c 有线电视网络 2 1 h f c 有线电视网络的含义 h f c ( h y b r i d f i b e rc o a x i a l ) 网是一种新型的宽带网络，采用光纤到服务区，而在 进入用户的“最后1 公里”采用同轴电缆，它是一个能实现双向传输的交互式宽带网。它 可将高速数据、视频及语音通过一根线传输。i f c 网络是在当今的经济技术环境下，能 够为有线电视用户提供更好传输质量和更高可靠性的传输手段。光缆网起到高速连接的 作用，电缆网起到方便和价格低廉的高速连接的作用，两者的有机结合，构成了有线电 视网的基础。 2 2h f c 有线电视网络的特点及功能 在当前信息社会里，信息成为人类最重要的资源，它主要表现为图像、声音和文 本( 数据) 三种形式。可以看出，信息网络的发展方向是数字化、综合化、智能化、宽 带化和个人化。虽然全数字化网络具有明显的优势，但由于目前广泛使用的电视机、电 话机都是模拟的，不能直接利用数字方式服务。现在合理的方案应该是既能支持目前的 模拟和数字服务又能逐步过渡到今后的全数字化服务。h f c 网就是目前世界上公认的较 好方式，是解决信息高速公路最后1 公里宽带接入网的最佳方案。因特网无法面向基本 的社会群众的缺点决定了它不能成为未来网络媒体的主体。有线电视以其频带宽的特性 将解决因特网存在的若干方面的缺点。如用户的交换速率低，对文化的要求高，信息离 散性太大，使用费用太高等不利于普及的问题。今后在网络媒体中占主导地位的是经过 改造后的有线电视h f c 网络。 h f c 有线电视网络比较合理有效地利用了当前的先进成熟技术，融数字与模拟传输 为一体，集光电功能于一身，同时提供较高质量和较多频道的传统模拟广播电视节目、 较好性能价格比的电话服务、高速数据传输服务和多种信息增值服务，还可以逐步开展 交互式数字视频应用。数字压缩技术和高效数字调制技术在h f c 网上的应用，又大大拓 展了有线电视网络的频道容量和多功能服务的能力。 另外，由于有线电视网络在h f c 传输体制的基础上支持数字通信和计算机通信等 多种先进的传输体制，使得有线电视网络可以在开展有线广播和有线电视节目的基础上， 提供诸如视频点播、音乐点播、远程教育、远程医疗、家庭办公、网上商场、ni - _ 证券 交易、高速因特网接入、会议电视、物业管理等多种类型的宽带多媒体业务a 其中高速 4 西安建筑科技大学硕士论文 因特网接入、远程教育、数据广播等业务已经到了大规模商用的阶段。 近几年来，国外一些发达国家的有线电视基础网络设施建设在迅猛发展，有线电视 单向网被淘汰，有线电视网络经过了全面的双向网重建，注入了全新的组网理念，在智 能h f c 双向宽带网与用户的接入网方面取得了很大成功，反向汇聚噪声得到了很好的控 制，真正实现了有线电视网络智能化和可控管理，提高了有线电视网络商业运营的稳定 性、可靠性，保障了有线电视用户的服务质量品质，减少了用户故障维修服务时间。因 而，b l f c 宽带接入方式得到广泛应用，同时也使有线电视增值业务收益迅速上升，许多 国家甚至在互连网接入手段大部分都采用了h f c 接入方式。 h f c 网络是目前国内外研究很热的一门课题，众所周知，信息高速公路已经成为信 息社会的一种标志，通过它，人们可以充分享受到高科技给人类带来的便利，没有人怀 疑信息高速公路辉煌的前景。然而具体的技术实施方寨，经济上可行性的论证，特别是 对用户接入网部分，现在仍有许多不同意见。国际权威专家把宽带按入网称作信息高速 公路的”最后一公里”。现在用户接入网有多种，如高比特率数字用户线( h d s l ) 、不对 称数字用户线( a d s l ) 、光纤到路边( f t t c ) 和光纤混合同轴网( h f c ) 等。建设全光 纤用户接入网不仅需要投入大量的资金，而且完全建成尚需较长时间，而数字用户线技 术又不能适应未来的发展，因此h f c 技术正受到越来越多的青睐。h f c 网靠用户侧的 最末端是一个高品质的宽带网一同轴网。话音、高速数据可以通过频分复用方式调制到 不同的频段上传送至用户家中，h f c 网以其较低的价格和普通c a t v 兼容的特性逐渐成 为最佳的接入网方式之一。 由于h f c 具有经济地提供双向通讯业务的能力，因而不仅对住宅用户有吸引力，而 且对企事业用户也有吸引力，例如h f c 可以使得n t e m e t 接入速度和成本优于普通电话 线，可以提供家庭办公、远程教学、电视会议和v o d 等各种双向通信业务，甚至可以 提供商达4 0 1 0 m b i f f s 的双向数据业务和个人通信服务。 从长远来看，h f c 计划提供的是所谓全业务 n ( f s n ) ，即以单个网络提供各种类型 的模拟和数字通信业务，包括有线和无线、语音和数据，图像信息业务、多媒体和事务 处理业务等。这种全业务网络将连接c a t v 网前端、传统电话交换机、其它图像和信息 服务设旌( 如v o d 服务器) 、蜂窝移动交换机、个人通信交换杭等，许多信息和娱乐型业 务将通过网关来提供，今天的前端将发展成为用户接入开放的宽带信息高速公路的重要 网关。用户将能从多种服务器接入各种业务，共享昂贵的服务器资源，诸如v o d 中心 和a t m 交换资源等。简而言之，这种由h f c 所提供的全业务网将是一种新型的宽带业 务网，它提供了一条通向宽带通信的道路。由此可见，h f c 有线电视网将来前途不可限 量。 西安建筑科技大学硕士论文 2 。3h f c 有线电视网络的物理组成 典型的有线电视网络由以下四部分组成：接收信号源、前端设备、干线传输系统和 用户分配网络，如图2 1 所示。 接收信号源前端设备 卫星她面 吨函丑咂p 站 j p 一 卫星地面 吨画压叵卜 p 站p 圈卧 。 _ 棍 微波站一 恒五怄五悃 合 器 电视广播 接收天线一吐亟丑岖d 摄像机一 恒蒌压匾卜 录像机一岖玉丑岖廿 计算机一一导频信号发生 1 分配器保安器一 图2 - 1典型的有线电视网络物理结构图 2 3 1 信号源 接收信号源部分通常包括卫星地面站、微波站、电视广播接收天线、摄像机、录像 机、电视转播车、演播室、电缆电视网及计算机等。 为了接收无线电视台地面发射的广播电视节目，有线电视台需要安装较高质量的接 收天线。通常，有线电视台在接收v h f 频段的电视节目时采用单一频道天线。同时，天 线放大器也是单频道式的，可有效地避免其他频道信号的干扰；在接收调频广播和u h f 6 西安建筑科技大学硕士论文 频段的节目时，则采用频段天线，即由一副天线接收频率相差不大的几个频道的电视节 目：对于空中场强较弱的频道，可以使用有源天线，即在天线下面装加部天线放大器， 以实现高增益、高信噪比的接收。 为了接收电视台和广播电台通过卫星转发的广播电视信号，有线电视台需安装口径 为3 6 米的抛物面卫星接收天线以及相应的溃源、高频头和卫星接收机等。一般来说， 接收每一颗卫星的电视节目，需要一副抛物面天线和一个溃源，需要两个高频头，分别 接收垂直和水平极化方向的节目，以及若干卫星接收机。为了播出自办节目，还应有必 要的演播车、转播车、以及摄像机、录像机、字幕机、切换台、自动播出设备等。 2 3 2 前端设备 前端设备是指在有线电视系统中用来处理收到的和自办的、需要分配的节目信号的 一系列设备，它位于信号源和干线传输系统之间，其作用是将信号源送来的电视信号进 行必要地处理，然后把全部信号经混合网络送到干线传输分配系统。一般的信号处理都 采用带通滤波器、频率变换器、调制器、频道放大器、导频信号发生器及混合器等部件。 对于大型的有线电视系统，其前端可能不止一个，根据其作用可分为本地前端、远 程前端、及中心前端。其中直接与本地用户分配网相连的前端称之为本地前端；经过长 距离地面传输或卫星线路把信号送到本地的前端称为远地前端：设置于服务中心，其输 入来自开路无线电视信号、卫星电视信号以及其他可能信号源的前端称为中心前端。 2 3 3 干线传输系统 干线传输系统是一种传输网络，由一系列把前端接收处理混合后的电视信号送到用 户分配系统的设备组成。它包括各种类型的干线放大器、干线电缆、干线光缆、光发射 机、光接收机、多路微波分配系统和调频微波中继等。其任务是把前端输出的高频电视 信号高质量地传输给用户分配网，传输方式主要有同轴电缆、微波和光纤。 2 3 4 用户分配网络 用户分配系统是有线电视系统的最后部分，其任务是把来自传输干线的信号分配给 千家万户。它包括延长分配放大器、分配器、分支器、用户终端盒等等。延长放大器的 功能是补偿支线中的信号损失，放大信号功率以支持更多的用户；分配器和分支器是为 了把信号分配给各条支路和各个用户的某种无源器件，要求有较好的隔离和适当的输出 电平：用户分配网一般采用较细的同轴电缆，以降低成本和便于施工e 7 西安建筑科技大学硕士论文 2 4 h f c 网的双向传输问题 h f c 网的双向传输问题所涉及的即是网络的多工利用问题。众所周知，任何一种网 络都可用分配网和交互网来概括：所谓分配网是指用户无法单独控制其演示的网络也即 网内的信息只能由网络管理者单向提供给用户，用户却无法将自己的信息传送出去；而 交互型网则指用户能单独控制其演示的网络。 在分配网络中，信息的传送十分简洁明了，如图2 2 所示，只需要有信源，调制解调器， 传输( 发送) 设备和用户接收器等硬件即可完成网内的种种业务。如现在大多数有线电 视网，无线寻呼网，无线电视覆盖网等均属于分配型网络。 视频信号 _ - 其他信息 图2 - 2 分配型网络 电视机一 + + 信息接收机一 对于交互型网络来说，除需具有双向传输的硬件外还需要具有网络的管理软件，如 图2 3 所示。图中的网管单元根据不同的业务类型可以是交换机( 用于电话通信) ，路由 器( 用于计算机通信) ，也可以是会议电视系统中的多点控制设备；对于正在兴起的 b i s d n ( 宽带综合业务数字网) 来说，它可能是受人青眯的a t m ( 异步传输模式) 交换机。 交互型网络的管理软件就隐含在网管单元中。 图2 - 3 交互型网络 关于h f c 网的双向传输除需要在恰当的地点设置网管单元( 中心) 对网内设备，信 号及用户进行系统管理外，还需对传输系统的通频带做出合理安排。另一方面，电话网 西安建筑科技大学硕士论文 的通信是根据空间分割的原则用两根铜线来分别接收和发送信息的，而h f c 网的用户端 只有一根电缆，所以它的双向通信问题只能由自己来解决。h f c 网的解决办法是使用频 率分割法技术。 2 5 有线电视h f c 网多工利用的技术手段 许多网络专家都认为在用户环路上使用h f c 网是目前能使有线电视业务和通信业 务有机结合起来的一种有效途径。电视信号、话路信号和数据信号在网上将按照下两各 种方式传送。 ( 1 ) 分配型视频业务 目前广电系统在h f c 网上主要进行的是分配型视频业务传送，它首先用前端调制器 将是视频信号调制成射频信号，然后在光路中采用a mv s b ( 副载波残留边带调幅) 技 术将射频电信号转化为光信号后用电缆分配绘用户。从网络结构上说，这种方式称为 f t t f ( 光纤到节点) 方案，是新建c a t v 网的主要模式。其优越性在于：由于前端控制器 的频率变换符合有关国家标准，因此在光节点处接收下来的模拟电视信号即为带有线电 视信号的有线电视系统各频道的副载波信号，它可直接经过电缆传送到用户端，使用户 用电视机直接接收，面无须在传输过程中进行任何的频率变换：此外，这种网络结构的 另一优点是可根据网内用户的需求情况和技术经济水平的不断变化逐步向f t t c ( 光纤到 路边) 和f t t h ( 光纤到户) 过渡。 ( 2 ) 分配型信息传送 分配型信息目前在有线电视网内主要表现为交通信息，股票信息各种商业信息和 天气信息等的单向传送。其手段有两种：一是占用一个电视频道形成所谓图文信息，用 户可直接用电视机接收；另一种是在电视信号逆程加入各种信息信号，这榉用户需使用 专用接收卡进行接收。但无论哪一种，其在网中的信号传输过程与上述无异。 ( 3 ) 交互型视频业务 无论何种交互型业务，只要在网络容量允许的范围内，均无须对网络进行改动，只 是加上相应功能的上行设备即可。交互型视频业务目前所知的是视频点播和会议电视系 统。该项业务的完成需在网络前端设有媒体服务器以提供信息源：在网络的传输线路的 恰当地方( 如网络的光节点处) 设置路出器以进行信息的分配与交换：在用户端也不再 是一种简单的接收装置，而代之以一种类似于p c 但造价比p c 低得多且有能完成若干功 能的收发器件。这种器件人们称之为n c ，也有入把它州做简单交互式p c ，它能使用软 件完成从语音，数据乃至视频等信息的收发。 ( 4 ) 交互型语音业务 西安建筑科技大学硕士论文 交互型语音业务即专指电话而言。在双向h f c 网络上进行语音的传送，从理论上讲 是较为简单的事情，它只需要电话交换机和用户终端即可。用户终端可以使用电话也可 使用n c ；电话交换机可以是程控交换机、分组交换机，也可以是a t m 交换机。具体使 用何种交换机应根据业务类型，资金状况和将来发展统筹考虑：程控交换机较适合于单 一的语音传送：分组交换机则可兼顾数据；而a t m 交换机可进行处理的信息几乎是无 所不包。 ( 5 ) 交互型数据信号 交互型数据信号在双向h f c 网中的传送所需的技术手段可以说是交互型视频业务 和交互型语音业务所采用的技术手段的综合。它既需要媒体服务器，路由器，交换系统， 也需要较为有效的用户终端。也可以认为，无论视频，音频或其他信号，最终都可以用 数字技术转化为数据信号进行传送和交换。这一点在当前的技术水平上已能成为现实。 ( 6 ) 宽带综合业务数字网 以上谈了在具有广播电视特点的h f c 网上进行各种信息传送的有关问题，那么既然 也有许多人士认为h f c 网是一种较为合适的宽带网，怎样才能使之成为真正的b i s d n ， 进而成为国家基础信息产业的一个重要的组成部分昵? 从技术角度讲，一是搞好本地网 的建设，二是搞好全国联网的建设，三是积极采用各种先进的数字技术。只有这样，广 电系统的b i s d n 才能成为现实。 2 6c a b l em o d e m 技术介绍 h f c 网络大部分采用传统的高速局域网技术，但是最重要的组成部分也就是同轴 电缆到用户电脑这一段使用了另外的一种独立技术，这就是电缆调制解调器( c a b l e m o d e m ) 。 2 6 1c a b i em o d e m 的定义和基本功能 电缆调制解调器又名线缆调制解调器，英文名称为c a b l em o d e m ，是一种将数据 终端设备( 计算机) 连接到有线电视网( c a b l e t v ) ，以使用户能进行数据通信，访问 i n t e r n e t 等信息资源的设备。它是近几年随着网络应用的扩大而发展起来的，主要用于 有线电视网进行数据传输。它是专门为h f c 网的用户的多种信息需要而设计的，其实 质就是扩大常规调制解调器本身的通信带宽。 电缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 其主要功能是将数字信号调制到射频( f r ) 以 及将射频信号中的数字信息解调出来。 l t z # t - ，电缆调制解调器还提供标准的以太网 接口，部分地完成网桥、路由器、网卡和集线器的功能，因此，它比传统的电话拨号调 制解调器复杂得多。 西安建筑科技大学硕士论文 2 6 2c a b i em o d e m 的信道参数 c a b l e m o d e m 与以往的m o d e m 在原理上都是将数据进行调制后在c a b l e ( 电缆1 的 一个频率范围内传输，接收时进行解调，传输机理与普通m o d e m 相同，不同之处在于 它是通过有线电视c a t v 的某个传输频带进行调制解调的。而普通m o d e m 的传输介质 在用户与交换机之间是独立的，即用户独享通信介质。c a b l em o d e m 属于共享介质系统， 其它空闲频段仍然可用于有线电视信号的传输。电缆调制解调器提供双向信道：从计算 机终端到网络方向称为上游( u p s t r e a m ) 信道，从网络到计算机终端方向称为下游 ( d o w n s t r e a m ) 信道。 上游信道带宽一般在2 0 0 k b i t s 到2 m b i t s 之间，最高可达1 0 m b i t s 。上游信 道采用的载波频率范围在5 m h z 到4 0 m h z 之间，由于这一频段易受家用电器噪声的干 扰，信道环境较差，一般采用较可行的q p s k 调制方式。下游信道的带宽一般在3 m b i t s 至1 0 m b i t s 之间，最高可达3 6 m b i t s 。下游信道采用的载波频率范围在4 2 m h z 到7 5 0 m h z 之间，一般将数字信号调制到一个6 m h z 的电视载波上，典型的调制方式有 q p s k 和q a m 6 4 等，前者可提供1 0 m b i t s 带宽，后者可提供3 6 m b i t s 带宽。c a b l e m o d e m 本身不单纯是调制解调器，它集m o d e m 、调谐器、1 ) ! l 解密设备、桥接器、网 络接口卡、s n m p 代理和以太网集线器的功能于一身。它无须拨号上网，不占用电话线， 可永久连接。服务商的设备同用户的m o d e m 之间建立了一个v l a n ( 虚拟专网) 连接， 大多数的m o d e m 提供一个标准的1 0 b a s e t 以太网接口同用户的p c 设备或局域网集线 器相联。 c a b l e m o d e m 彻底解决了由于声音图像的传输而引起的阻塞，其速率已达1 0 m b p s 以上，下行速率则更高。而传统的m o d e m 虽然已经开发出了速率5 6 k b p s 的产品，但 其理论传输极限为6 4 k b p s ，再想提高已不大可能。可以看出c a b l em o d e m 是未来网络 发展的一个主流之一，但是，目前尚无c a b l em o d e m 的国际标准，各厂家的产品的传 输速率均不相同。 2 6 3c a b l em o d e m 的优缺点 c a b l em o d e m 在接入带宽方面有明显的优势于电话m o d e m 和i s d nm o d e m 。更重要 的是通过电话或i s d n 上网，用户除了要支付信息费外，还得包括电话费。而通过c a b l e m o d e m 七网就不需要支付电话费了。当然，用户上网的同时也能收看电视节目。而且通 过c a b l e m o d e m 上网是2 4 小时连线的。不需要什么拨号过程。 h f c 有线电视上网的优点就是可以充分利用现有的有线电视网络，不需要再单独 架设网络，并且速度比较快，但是它的缺点就是h f c 网络结构是树型的，c a b l e m o d e m 上行1 0 m 下行3 8 m 的信道带宽是整个社区用户共享的，一旦用户数增多，每个用户所 西安建筑科技大学硕士论文 詈皇皇! 鼍毫苎! 曼毫! ! ! ! 毫皇! 曼皇鼍皇! 皇邕毫曼! ! 皇寰舅! ! ! 喜鼍! 詈鼍! ! 曼! ! ! ! 曼鼻! 鼍 分配的带宽就会急剧下降，而且共享型网络拓扑致命的缺陷就是它的安全性( 整个社区 属于一个网段) ，数据传送基于广播机制，同个社区的所有用户都可以接收到他人的 数据包。 2 7 h f c 网络中的噪声抑制 h f c 网络监控系统的反向通道在5 - 5 0 m h z 频带上，这一频带容易受到各种噪声的 干扰。c a t v 网络中的上行路径对入侵的干扰信号非常敏感，这些干扰信号来自电缆所 经过的各个站点。如何可靠地实现电话和数据业务的数字化传输是一个主要的挑战。三 种干扰源为： 一来自h f c 网( 同轴和光纤) 的背景噪声和互调干扰 一侵入噪声 一脉冲噪声 为了降低背景噪声和互调干扰，应在s n r ( 信噪比) 和互调失真之间找到一个最 佳的折衷点。侵入噪声是一种窄带噪声，在频谱上表现为波峰形式。这通常是由于短波 发射器和可引发路径失真的坏连接器等因素导致的。由于c a i - v 网采用总线结构，噪声 将随客户数量的增长丽升高。研究表踢，超过9 0 的侵入噪声都来自于通过引入电缆接 入的c a t v 网的用户。 脉冲噪声是一种宽带噪声，在示波图上表现为杂散噪声。在大多数情况下，它是由 于电气设备的开关等动作引起的。 有几种方法可抑制噪声。首先，当对c a t v 设麓进行升级对，运营商就检查其网络 是否有损坏部件，比如：破裂或腐蚀的连接器、分支分配器、电缆等。在将在很大程度 上降低网络中的嗓声。如果这种检查不能令人满意，运营商可以考虑使用滤波器。 高通滤波器可显著降低来自没有订购双向业务的用户噪声，但更多订购了这种双向 业务的用户的效率将降低。返回路径降噪器拥有对上行路径进行降噪处理的周时，可对 回路衰减进行均衡的优点。这可导致所有的调制解调器以差不多相同的电平进行发射， 因此可提高总s n r 。它们还可在低频区大幅度减弱高侵入噪声，因此可保护放大器和激 光器被过激励并减低互调干扰。 砖安建筑科技大学硕士论文 第三章计算机监控系统 3 1 计算机监控系统的在现实生活中的重要作用和系统含义 以前，人们想知道设备的运行参数及运行状态，要依靠人一级级汇报，这些汇报需 要电信手段或工具，这样就延误了处理的时机，有可能造成不可弥补的损失，有了计算 机监控系统，就可以及时掌握设备的运行参数及状态，可以了解整个工程以至整个行业 或更大范围内所发生的一切并能快速做出反应等。 计算机监测控制系统( 简称计算机监控系统) ，是以监测计算机为主体，加上监测装 置、执行机构，与监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在这个系统中，计算 机直接参与被监控对象的监测( m o n i t o r ) 、监督( s u p e r v i s e ) 和控制( c o n t r 0 1 ) ，具体说 具有下述三方面的功能： ( 1 ) 采集与处理功能 主要是对被监控对象的参数进行监测、采样和必要的预处理，并以定的形式输出 ( 比如打印制表和c r t 屏幕显示) ，为用户提供详实的数据，以便分析、了解监控情况， 监视监控过程的进行。 ( 2 ) 监督功能 将监测的实时数据、人工输入的数据等信息进行分析、归纳、整理、计算等二次加 工，并制成实时和历史数据库加以存储，根据实际监控系统的需要及监控进程进行分析、 故障诊断、险情预测、并以图、文、声等多种形式及时做出报道，以进行操作指导、事 故报警。监督系统的输出一般都不直接作用于监控过程，而是经过用户的判断后再由操 作人员对监控过程进行干预。 ( 3 ) 控制功能 在监测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用 于监控过程。 完整的训算机监测控制系统是上述三种功能的综合集成，它利用计算机高速度、大 容量和智能化的特点，可以把一个复杂的监控( 生产) 过程组织管理成为一个综合、完 整、高效的自动化整体。在实际使用中，可以根据实际对象的需求情况，系统只具有上 述一项或两项功能；或是以一项为主，而辅以其他的功能，这样可以更针对应用的需要， 以降低成本，减少复杂性，增强可维护性。 西安建筑科技大学硕士论文 3 2 计算机监控系统的发展 计算机监控系统的发展是随着传感器、计算机、通信及网络技术等的发展而发展，其 中任何一种技术有了新的突破，必然带来监控系统的进步与革新。 ( 1 ) 传感器技术 监控系统是依靠传感器、专业摄像机等设备来监测信息的，监测的信息越多，监控 的范围和作用就越大。今后传感器仍朝着集成化、多功能智能化传感器发展。智能型仪 表和智能型控制器能方便联网，有利于组成开放的系统。 ( 2 ) 开放式综合网络监控管理系统 9 0 年代以后网络技术发展到了网络电脑和信息高速公路网络阶段，计算机网络系统 本身就是一个极其庞大又复杂的综合网络系统，本身就需要一个综合网络监控管理系统。 这种综合网络监控系统中很可能包括大范围的环境图像监控系统、设备监控系统、商业 金融服务监控系统等。这种新一代综合网络监控管理系统可以是几个监控系统组成，它 们可以连接到一个总线网、环行网或星型网，而且网上的节点可以增加或减少：也可以 是单独的一个庞大的监控系统。几个监控可以是平等的，也可以是分层的，采用什么样 拓扑结构，设计者根据具体情况决定。总之，随着迅速发展的智能传感器、执行器等设 备的发展，计算机监控系统朝着智能化、网络化、微型化的方向发展。 4 西安建筑科技大学硕士论文 第四章有线电视h f c 网络监控软件设计 4 , 1 监控系统的主要功能 h f c 有线电视网络的总体结构图和监控系统所处的位置如下图所示 前端 光纤系统 图4 - lh f c 有线电视网络的总体结构图 电缆 由图4 1 可见，总前端可以看成是由各个分前端组成的局域网，该监控系统是在分 前端监测各个光节点的运行情况，然后与总站通信，因此在总站可以看见各个分前端的 数据。一般一个分前端大约有1 0 0 多个光节点，它通过光纤连接各个光节点。h f c 网络 1 5 怎烹= 篙亨堡塑些奎塑圭堡：。 ，：， 监控系统可以分成两个部分：一是中心站( 或分中心站) ，包括p c 机，中心通信机，五一 控软件等；二是终端站，包括数据采集电路，单片机系统，终端( 光节点) 通信机等组 成。该监控系统的功能图参见图4 - 2 ： 图4 。2 豫c 有线电视网络监控系统功能图 h f c 监控系统主要是在分前端处采用轮循的方式查询各个分节点的运行情况，把各 个光节点的 ：作数据采集上来之后，进行大量的计算处理，然后将计算后的结果以图形、 仪表的方式实时显示出来，并动态刷新，一旦有哪一个光节点发生异常，立即以图形和 声音的形式给出报警信息，以便工作人员查询处理。该系统为h f c 监控卡建立了单独的 实时数据库，使得工作人员可以随时定位、增加、修改、存储h f c 监控卡，每一个光节 点采集单元( r t u ) 可和一个h f c 监控卡对应，这样就容易增加对某个光节点的监控。 为了便于以后对历史数据的查询，该系统可自动存储运行事件、参数到历史数据库。在 本地显示数据的同时，该系统还要实时与总站进行通信，将运行的结果送到总站，以便 于总站的工作人员可以查看该分前端的运行情况。 西安建筑科技大学硕士论文 4 2 监控系统的详细设计 在实验室和工业应用中，受信道成本限制，串口常常作为计算机与外部串行设备之 间的首选数据传输通道，而且由于串行通信方便易行，许多设各和计算机都可以通过串 口对外部设备进行控制、监测，串口通讯日益成为计算机和外部设备进行通讯、获取由 外部设备采集到的监测数据的一个非常重要的手段。本文所描述的程序实例运行于 w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下，可以在后台运行、实时接收、处理从端口传来的数据，