（电路与系统专业论文）混合光纤同轴电缆hfc接入网的应用研究.pdf

摘要 本文研究了混合光纤n 轴电缆( 正c ) 接入网的组成及其基本原 理，综合运用无线通信技术、大规模可编程逻辑电路技术和数字信 号处理技术，设计了基于心c 网络的网络用户接口单元m u 。重点 - _ - - _ - 讨论了n i u 系统的硬件设计、软件设计、i - i f c 网络上行通道的噪声、 q p s k 调制的性能及其解决方法 、_ _ - - _ - - - - 一 a bs t r a c t t h e p a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l ea n d c o n s t r u c t i o no fi - i f ca c c e s s n e t , d e s i g n s n e ti n t e r f a c eu n i tb a s e do nr a d i oc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , l a r g e s c a l ep l d t e c h n o l o g ya n dd s pt e c h n o l o g y t h e s i sp u t se m p h a s i s o nt h ed e s i g no ft h en i uh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a n a l y s e st h en o i s ei n h f c u p s t r e m n c h a n n e l sa n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f q p s k m o d e r ni n r f c u p s t r e a mc h a n n e l s ，a n dp u t sf o r w a r d t h es o l u t i o n s 第一章绪论 近年来，随着i n t e m e t 网络技术的发展成熟以及用户对电信新业务需求的 不断增长，高速接入技术已成为通信、信息、高技术领域研究的前沿和热点。 传统的接入网主要以铜缆的形式为用户提供电话等一般电信业务口o t s ) 和低速 数据业务，难以满足人们对各种新业务，特别是宽带综合业务的需求。因此。 突破传统的信息传递模式和行业界限，构筑一个宽频带、高速率的公用信息用 户接入网络，把通信、广播电视、计算机、多媒体等各种信息服务业务纳入 统一的网络中，高速度、高效益地满足社会对信息的需求，成为目前和未来发 展的重要方向。 1 1 接入网的现状及发展动向 1 用户接入网的现状 按照g9 0 2 的定义1 1 j ，接入网( a c e s sn e t ) 是由业务节点接n ( s n d 和相关用户 网络接口( i j l m ) 之间的一系列传送实体( 线路设施和传输设施) 所组成的为传送 电信业务提供所需传送承载能力的实施系统。通常可将接入网看作市话端局或 远端交换模块( r s u ) 与用户之间的部分，主要完成交叉连接、复用和传输功能。 接入网在电信网中的组成如图1 1 所示： c p n ：用户驻地网u n i ：用户网络接口s n h 业务节点接口 图i1 电信网的组成示意图 目前，接入网仍然由以双绞线为主的铜缆网所主宰，所谓用户接入多是通 过专门的一对双绞线将用户与端局本地交换机相连。承载的主要业务仍然是电 话，约占总业务量的7 0 至9 0 ，其次是2 m b i t s 以下速率的数据业务，如n 6 4 k b i t s 数据租用业务，i s d n 基本接入和一次群接入等吲。这种双绞线铜缆 接入方式的主要特点是： ( 1 ) 业务量密度和速率低。一条处于住宅用户和本地交换机之间的用户接 入电路可能每天只需要传送几次呼叫而己，绝大部分时间是闲置不用，业务量 密度极低。统计结果显示 3 1 核心网中继电路的占用率通常达5 0 以上，而住宅 用户接入电路的占用率仅1 以下，且为低速率业务。 ( 2 ) 分散独立，运行环境恶劣。用户接入线往往由个别用户专用，对成本 十分敏感，难以由很多用户共享。这种分散、专用和重复的特性使经济性难以 驾驭，改进很慢。接入网设备常常必须安装在室外不可控环境下，要遭受风吹、 雨淋、日晒、雷击，以及人为破坏在技术和机械保护上，需要很多特殊措施。 ( 3 ) 技术变化慢。在核心网中，无论是交换设备还是中继传输设备都经历 了几代的更新。然而，传统的接入网技术己稳定地使用了一个世纪，保持双绞 线铜缆技术为主的局面。 2 接入网的发展动向 ( 1 ) 接入网的业务需求 不同的业务信号可能需要不同的网络结构来支持，确定接入网近期和远期 所要支持的业务类型和特性是十分重要的是接入网规划设计所要考虑的首要 因素。 除了传统电话和2 m b i t s 以下的窄带业务外，接入网需要在将来能够支持 各种宽带业务。据美国贝尔通信研究所的调查结果显示【4 】，对于企事业单位和 居民用户，近期的主要宽带业务需求主要有下面5 类： 点播电视( v o d ) 或准点播电视( n v o d ) ，尤其是点播电影节目。 i n t e m e t 接入和高速数据业务 交互式图像游戏和图像业务 远程教育 事务业务允许用户参与交互式事务，诸如银行、购物、预订机票、 旅馆等 中长期的宽带业务需求有下面几类： 企业高速数据业务 会议电视业务 多媒体库 目标型广告 图像信箱业务 ( 2 ) 接入网的技术动向 近年来，现代数字传输技术使接入网的面貌出现了根本改观的契机，光纤 化接入、有线传输新技术以及无线接入技术相继出现。当前接入网市场是多种 新旧技术、多种传输手段、多种传输体制共存竞争的领域，其主要的技术选择 归纳为下面5 类：纯双绞线铜缆接入网，混合光纤t 双绞线铜缆网，混合光纤t 同轴电缆网，无线接入网和纯光纤网。 纯双绞线铜缆接入网 双绞线铜缆接入网是电话运营公司花费巨资建立起来的庞大网络资源，绝 不会轻易放弃。新的铜缆用户线技术( 如用户线对增容技术、h d s l 、a d s l 和 v d s l ) 的出现和应用在一定程度上延缓双绞线铜缆网技术寿命。 混合光纤f 双绞线铜缆网 这种混合方案结合应用铜缆和光纤，发挥各自特长，如光纤到路边( f r r c ) 和光纤到远端( f t t r ) ，是铜缆网向未来的纯光纤网过渡的理想方案之一。 混合光纤同轴电缆网 这种混合方案是由c a t v 嗣演变而来，是一种新型的接入网技术，不仅能 提供窄带电话业务，也能提供宽带图像业务，其经济性较好，是目前最有希望 的接入网技术方案之一。 无线接入网 无线接入网在低密度的分散小用户群领域，急需电话用户线的地区以及 有地理障碍的地区占有日益重要的地位。 纯光纤网 纯光纤网是指光纤直接连到用户，中间没有其它传输媒质的应用场合，又 可划分为光纤到办公室f f r t o ) 和光纤到户f i r t h ) 。这种方案短期内经济性欠 佳，但却是长远的发展方向和最终的接入网解决方案。 1 2i - i f c 网络的出现及其优势 混合光纤同轴电缆f f w c ) 接入方案是由a t & t 公司于1 9 9 3 年底提出的最新 环路方案。适用于已经敷设大量同轴电缆用户的地区，且能兼顾现有市场的发 展，并有利于电信与有线电视事业的竞争和相互渗透。 我国现有4 8 0 0 万有线电视用户，每年以3 0 的速度增长，而且到目前为 止，已有5 0 的地级市、2 0 0 一3 0 的县级市所在地完成了主干线的光缆改造。 h f c 综合了光纤带宽宽，电缆价格便宜的优点可在现有c a t v 网的基础上建 设，充分利用现有线路以节省投资。h f c 还具有以下优势： 足够的带宽：电缆的传输带宽上限可达1 g h z ，模拟电视节目占用频带 5 0 5 0 0 m h z ，剩下的频带可用于用户接入。h f c 具有双绞线无法比拟的传输带 宽，并具有f t t h 和f t r c 的共同点。 扩展能力强，可灵活地提供多种服务，i - i f c 可根据用户的需求提供c a t v 业务、数据通信和电话业务。 因此，h f c 接入网技术是建立我国宽带综合业务接入网的最具竞争力的技 术，是f t t h 较为现实的过渡方案。 4 第二章h f c 接入网络的基本原理 混合光纤同轴电缆( i - w c ) 网是以现有c a t v 网为基础开发的一种新型的接 入网，可以提供除c a t v 业务以外的语音、数据和其它交互型业务，也可以称 之为全业务n ( f s r o 。与传统的c a t v 网相比，h f c 网络结构无论从物理上还 是拓朴上都有重要变化。 2 1h f c 网络的体系结构 现代h f c 网基本上是星形总线结构，典型结构如图2 1 所示，由三部分组 成，即馈线网、配线网和用户引入线，其结构类似于电话网中d l c ，其服务区 类似于电话网中的配线区，区别在于h f c 网络服务区内仍基本保留着传统c a t v 网的树形一分枝型同轴电缆网( 实际为总线式) ，而不是星形的双绞线铜镌网。h f c 网中光纤节点和分支器位置大致相应电话网中的远端节点和路边的分线盒。 图2 1h f c 接入网典型结构 2l1 馈线网 h f c 的馈线网指前端到服务区( s a ) 的光纤节点之间的部分，大致对应c a t v 网的干线段。区别在于从前端到每一服务区的光纤节点都有一专用的直接的无 源光纤连接，即用一根单模光纤代替了传统的粗大的干线电缆和一连串有源干 线放大器。从结构上则相当于用星形结构代替了树形一分支结构。 一个典型的服务区的用户数为5 0 0 户，将来可进一步降至1 2 5 户甚至更少。 由于取消了传统c a t v 网干线段的一系列放大器，使得由于放大器失效所影响 的用户数减少至5 0 0 户，也无需电源供给，因而印_ c 网可使每一用户的年平均不 可用时间减少至1 7 0 分钟，使网络可用性提高到9 9 9 7 ，可以与电话网相比阁。此 外，由于采用高质量的光纤传输，使得传输质量获得了改进，维护成本得以降低。 2 12 配线网 在h f c 网中，配线网指服务区光纤节点与分支点之间的部分，大致相当电 话网中远端节点与分线盒之间的部分。配线网采用与传统c 加网基本相同的 树形一分支同轴电缆网，很多情况常为简单的总线结构，覆盖范围可达5 至1 0 k i n 左右。因而仍需保留几个干线桥接放大器。 在一般光纤网络中，服务区越小，各个用户可用的双向通信带宽越大，通 信质量也越好。然而，随着光纤逐渐靠近用户，成本会迅速上升。h f c 采用了 光纤和同轴电缆的混合结构，从而妥善地解决了这一矛盾，既保证了足够小的 服务区( 约5 0 0 户) 又避免了成本上升。 采用服务区的概念可以灵活地构成与电话网类似的拓朴从而提供低成本 的双向通信业务。可以将一个大网分解为一个个物理上独立的基本相同的子 网，每一个子网为较少的用户服务，允许采用价格较低的上行通道设备。同时 每一子网允许采用同一套频谱安排而不相互影响，与蜂窝通信网和个人通信网 十分类似，具有最大的频谱再用性。此时每一独立服务区可以接入全部上行 通道带宽，若假设每一电话占据5 0 k h z 带宽，则总共只需要2 5 m - i z 上行通道 带宽即可同时处理5 0 0 个电话呼叫，多余的上行通道带宽还可以用来提供个人 通信业务和其它各种交互式业务。 服务区是h f c 网得以提供c a t v 业务以外的双向通信业务和其它各种信 息和娱乐业务的基础。当服务区的用户数少于1 0 0 户时，有可能省掉线路延伸 放大器，而成为无源线路网，不仅可以减少故障率和维护工作量，而且可简化 更新升级至更高带宽的程序。 6 2 1 3 用户引入线 用户引入线是指分支点到用户之间的部分。引入线将射频信号从分支器经 无源引入线送给用户传输距离仅几十米而己。与配线网使用的同轴电缆不同， 引入线电缆可采用灵活的软电缆，阻便适应住宅用户的线缆敷设条件。 2 2 传输媒质 2 2 1 光纤 光纤和光缆是接入网中最重要的传输媒质，其性能和价格在很大程度上决 定了接入网的发展。h f c 网采用光纤的主要原因之一是利用其低损耗特性。与 同轴电缆相比，光纤将信号传输7 - 1 0 k m 时信号功率损失一半，而同轴电缆将 信号传输1 8 0 m 时射频电压信号就损失一半【6 1 ，因而采用光纤可以代替大部分乃 至全部干线，消除了影响信号质量和可靠性的最大隐患，干线放大器和电源供 给。h f c 光纤系统中高动态范围的光收发机和无源元器件均比同轴电缆系统贵 很多，在中短期内，光纤将主要用于干线段。 光纤是一种高度透明的玻璃丝，经复杂工艺拉制而成，其全称为光导纤维。 一根光纤从横截剖面看由三部分组成，即折射率高的芯区、折射率低的包层以 及表面的涂层，如图22 所示。 儒翕 心移? 、m ， 一“ l i 图2 , 2 光纤剖面结构 7 公用电信网中的主导光纤类型为单模光纤，其主要参数有： 1 模场直径 2 截止波长 3 衰减率 4 色度及色散 5 弯曲损耗 目前常用的光纤为1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 波长区的单模光纤。i t u t 建议g 6 5 2 规定这两种光纤的衰减系数分另t j d , 于o 5 d b k m 和o 4 d b k m 。事实上，多数国 际商用光纤在这两个窗口的典型衰减水平都己低达o 3 4 d b k m 和 ol 卜02 5 d b k m 。 222 同轴电缆 电信网的接入网中占主导地位的传输媒质是双绞线，其带宽很窄，信号有 辐射，对噪声和环境很敏感，电磁场不能控制，高频电性能很差。而同轴电缆 则提供了固有的高带宽特性，工作频率可达1 q z ，可传3 0 0 6 0 0 m 的距离。同 轴电缆是封闭性导体，电磁场能量泄漏很少，不受干扰，也不干扰其它系统且 也易于接续和重新配置，损耗不大。 适于i - - i f c 网络的同轴电缆主要有两类，即配线电缆和引入线电缆，典型结 构如图23 所示，典型损耗、回损和屏蔽效率如图2 4 所示。 b ) 喇a , c l g l 醇l t 图2 3 典型同轴电缆结构 l i i i i l l ji f f 岳孑。 图2 , 4 典型的衰减、回损和屏蔽效率 引入线电缆采用在同轴电缆外护层上附加一双绞线的复合电缆结构，可用 于供电目的，为业务发展提供了较大的灵活性。 2 3 频谱分配 h f c 网络是频分复用网络，不同的业务分配不同的频带，各种业务之间有 一隔离保护带宽。目前，h f c 网络主要采用低频率分割的双向复用方式，而且 与现有电视制式相兼容。某频谱资源安排如图25 所示。 054 24 8 55 5 07 5 01 0 0 0 f ( m i - l z ) 图2 5 h f c 频谱资源分配 我国在接入网总技术规范中定义的频段划分如表2 1 所示。 9 表21i i y c 系统的频段划分 波段频带( m h z )业务 r50 0 - 3 00上行电话及非广播业务 r j3 0 0 - - - 4 20上行非广播业务 i4 8 5 9 20模拟广播电视 f m8 7 0 10 8 0调频广播 a j1 1 1 o 1 6 7 0模拟广播电视 f f l 。 1 6 7o 2 2 30模拟广播电视 a 22 2 30 - - 2 9 50模拟广播电视 b2 9 5 0 - - 4 4 7 0模拟广播电视 i v4 5 0 5 5 0 0数字或模拟广播电视 v5 5 0 0 - , - 7 1 0 0数字鬯视和v 0 d 等 7 1 0o 7 5 0 0非广播业务 v 7 5 0o 1 0 0 0个人通信等 由上述分布可见，4 8 5 m h z - 5 5 0 m h z 为普通广播电视业务由于我国采用 p a l - d 制，每频道信号带宽为8 m h z ，该频段除调频广播业务外，还可安排大 约5 6 个频道的模拟电视节目。 5 5 0 - - - 7 5 0 m h z 为下行数字通信信道，一般用来传输数字广播电视：v o d 数 字视频以及数字电话下行信号和数据。该频段可将多路信号时分复用后经q a m 调制，通过一个8 m h z 带宽的滤波器形成为模拟电视同样带宽的信号，送入射 频混合器与模拟电视信号一道进入h f c 网络进行传输。 7 5 0 1 0 0 0 m h z 的高端频率用于各种双向通信业务，如个人通信，并可用于 将来可能出现的其它新业务。 5 - - 4 2 m h z 传播上行非广播业务，并在该上行通道与下行通道间保留一定的 间隙。其中5 - 3 0 m h z 可用于上行电话信号，3 0 - - 4 2 m i - i z 用于传输其它上行数据 业务。当每个光节点服务5 0 0 个用户时，每户电话的回传上行信道容量约为 5 0 k h z ，可满足用户对上行通道传输能力的要求。 1 0 2 4 双向通信 h f c 网络回传通道的可用频带仅为3 7 m h z ，因而必须具有灵活的、易管 理的频率规划，载频必须完全由前端控制并由网络运营者分配。一种解决方案 是将整个回传通道频带划分为一个个较小的子频带单位，例如2 m h z 、3 m h z 或3 5 m h z 等，使网络运营者可以针对任何业务最有效地使用可用频谱。同时 采用动态频率分配方式，使小块电话业务可以灵活地放置在最有利的地方，多 个2 z 可以结合起来置入6 8 z 通路内。 对于回传通道，由于没有通路分配标准，采用接需分配带宽的方式最适合 于动态分配带宽，避免受噪声和其它业务的影响。在空闲状态，用户接口单元 不占用回传通道带宽，仅在呼叫状态下才从回传通道频带中分配一小段带宽。 为了传输电话和双向通信业务，前端必须有一个与现有电话网交换机接口 的网关，有时称为局用数字终端( h x ) t ) 。这是一个智能网络设备，可通过一次 群接口与交换机相连。趋势是采用开放的综合接口，如v 5 接口，可以消去至 配线架并具有网管功能。用户则需要一用户接口单元，称为网络接口单元( n i u ) 。 n i u 有微处理器、存储器和控制逻辑，是一个智能的射频调制解调器。它不仅 允许用户接入网络而且可以建立为h d t 的信令和通道，处理呼叫甚至监视 本身的好坏，与h d t 一起还可以进行实时指配和维护。这种以软件为基础的 接口单元可以方便地接受网管系统的信息下载，改变功能和业务指配，具有很 大的灵活性。可见在 c 上双向通信的关键是增加h d t 和n i u ，网络的其它 部分基本不变。 2 5 调制与纠错技术 h f c 网是一种上下行频谱非对称的共享媒体网络，尤其适合于许多交互式 通讯量不平衡的业务，如v o d 、交互式游戏、i n t e m e t 接入等为提高传输效率， 需要进行数字调制的场合。在上行信道采用抗干扰能力强的q p s k ，在下行信 道采用调制效率高的6 4 q a m ，高速传输数据。q p s k 和6 4 q a m 的星座图如图 2 6 、2 7 所示。 q oo ， oo 图2 6 q p s k 星座 图2 76 4 q a m 星座 数字信息在h f c 网络媒体中传输时，由于存在噪声和干扰，需要利用纠错 和检测技术。r e e ds o l o m o n 编码和码位交织是经常采用的f e c 技术。 隐ds o l o m o n 编码是大量功能强大的循环纠错码中的一部分，如b o s e 、 c h d h 嘣和b c h 编码，是非二进制b c h 编码的一个子类，r e e ds o l o m o n 奇 偶校验是在前数据字段吖字节) 上进行计算的。r e e ds o l o m o n 码中用于奇偶校 验计算的码是r s ( n ，n + 2 t 码，这是通过使用8 b t 码元大小( m ) 和本原多项 式p 气，+ l 什1 来实现的。为产生2 5 6 阶的g a l o i s 域( g f ) ，编码的生成多 1 2 项式是： 积x ) = f i ( x - - o r ) i = 1 2 0 这里t = r e e d s o l o m o n 编码的纠错能力。 r e e d - s o l o m o n 编码纠错能力( t ) 在h f c 配置中可为：t = 8 ，r s o s 8 ，2 0 4 ) 编码。 码位交织与r e e d - s o l o m o n 编码结合使用是为防止突发性错误而提供的保 护。为完成码位交织功能，考虑分组队列a ( n + 2 t 】i 】： p l ( 1 ) ，p i ( 2 ) ，p l ( 3 ) ，p t ( 4 ) ，p l ( n + 2 t - 1 ) ，p l ( n + 2 t ) p 2 ( 1 ) ，p 2 ( 2 ) ，p 2 ( 3 ) ，p 2 ( 4 ) ，p 2 ( n + 2 t - 1 ) ，p 2 ( n - _ 2 t ) ： ： ： ： p ( 1 ) ，p 2 ) ，p 。( 3 ) ，p ( 4 ) ，p 。( n + 2 t - 1 ) ，p ( n + 2 0 这里p ，( 1 ) = 分组p 。( n + 2 t ) 的第一个字节， p ( n 十2 t ) = 总长度为n + 2 t 的第i 个分组 i = 交织深度 在a 【】上实现交织深度为i 的双字节码位交织的结果为b 2 2 x ( n - f 2 t ) 2 ， b 】有如下形式： p t ( 1 ) ，p 一( 2 ) ，p z ( 1 ) ，p 2 ( 2 ) ，p ( 1 ) ，p ，( 2 ) p ( 3 ) ，p ( 4 ) ，p ：( 3 ) ，p ：( 4 ) ，p 。( 3 ) ，p ，( 4 ) ： ： ： ： p 1 ( n + 2 t 1 ) ，p i ( n + 2 0 ，p i ( n + 2 t - 1 ) p t ( n + 2 t ) 2 6 基于衄m 技术的h f c 接入网络 现今的全球性电信网络中，s t m 交换技术已经很发达，在7 0 年代就已采 用。这种交换数据仅仅是为处理语音业务而优化的。网络是同步的，因此称为 同步传递模式( s t m ) 。用户之间的连接一直被维持以确保实时话音通信。 数据业务的行为特征是突发性，且是非对称的。s t m 网上采用对称的固定 时隙显然不是一种有效的通信手段。一个数据用户在很短的时间内可能需要 1 m b i t s 带宽，而在另一个时间段可能不需要任何带宽。现在，人们通过调制解 调器接入i n t e r n c t 时，经常经历这种情况。另外，s t m 依赖于终端用户，网络 在等待用户的输入，显然，这段空载时间让给网上的其它用户是最理想的。a t m 采用异步传输模式解决了上述问题。a t m 具有以下优点。 ( 1 ) 业务综合 业务综合是a t m 的一项重要特征。a t m 以信元的方式传送音频、数据或 视频信息。 ( 2 ) 业务透明性 当进行业务综合时，业务透明性是a t m 的一个主要优点。在常规的网络 中，每当用户要求新的业务时，网络运营者必须在局端提供硬件设备接口。利 用a t m ，用户只需要与网络协商所需的带宽和服务质量，就可获得附加业务， 不需要附加硬件。 ( 3 ) 多路复用增益 a t m 本身具有多路复用的能力，与电路交换技术相比，a t m 不具有预先 确定的结构，而且传送信息的时间可以依靠时域，这就意味着无论数据速率如 何，信息可以被多路复用。 图2 8 给出以a t m 交换为核心的h f c 网络结构模型 悦姨 语音 盎掂 模 苴电 o n ：光节点。厄：光电变换n 叮。舟络接口元 图2 8 基于a t m 技术的h f c 网络结构 图示h f c 网是由一个宽带数字双向传输系统和单向模拟电视传输系统组成， a t m 作为h f c 接入网中统一的交换平台，实现多媒体信息的交换、复用和传输。 1 4 2 7h f c 网络宽带接入方案 h f c 网络宽带接入方案如图2 , 9 所示。 图2 9 h f c 宽带解决方案 图2 9 所示的宽带网络系统是在h f c 网络上进行电话、数据传输的综合性 多功能平台。它使得话音信号、数据和传统有线电视在同一个网上进行传输。 系统采用模块化设计，允许网络运营者根据用户的增长扩展网络咀有效运营。 第三章h f c 网络接口单元n i u 的研究 h f c 网络宽带接入系统中主要有三个关键设备，即局用数字终端口r ) 。 网络接口单元( n i u ) 和光纤接点。n i u 是f i f c 网络中极为重要的部分，主要完 成h f c 系统和用户之间的接口功能，直接关系到网络的服务质量q o s 。 3 1n i u 的功能 1 接入h d t 可用通路中的一个信道。 2 从下行信号中恢复同步并产生所有必要的时钟信号。 3 传送话音、数据和视频信号，提供业务的通路单元电路。 4 提供必要的呼叫处理功能，检测用户线路的占用和空闲状况，并将结果 送给h d t 。 5 提供上行干扰信号的滤波功能。 3 _ 2 n 的结构模型 根据3 1 所述基本功能，图3 1 是n i u 的硬件结构模型图。 图31n i u 的硬件模型 1 6 工作流程如下：从同轴电缆来的射频信号经滤波，a d 转换、q a m 解调 及前向纠错后，由数据处理单元进行数据包的解复用，分为音频流和数据流。 音频数据流经s d l 接口完成语音信号的传送，数据流经数据链路艰$ 2 3 2 , 以太 网接口等) 与计算机相连，n i u 还可控制c a t v 视频信号的通断。 3 _ 3 町的硬件设计 h f c 网络接口单元由射频调制解调器、网络适配器组成。 3 3 1 射频调制解调器 射频部分是n i u 的关键部分，所采用的调制解调方案是一个系统综合的反 映，要做到低成本，易于调试，并对网络协议透明。h f c 网络是一个多点突发 的通信系统，射频调制解调器必须快速解调信号，而且要进行信道前向纠错， 以降低误码率。n i u 采用6 4 q a m 下行调制，载波提取同步解调，r e e d s o l o m o n 和v i t e r b if e c 和q p s k 上行调制，r e e d - s o l o m o nf e c 方案，并利用超大规模 a s i c 实现。其基本的原理框图如图32 。 图3 2 射频部分原理 其中6 4 q a m 解调r s 、x , q t o r b i 解码、q p s k 调制、r s 编码等功能由s t a n f o r d t e l e c o m 公司出品的s t d2 1 7 6 完成。s t e l2 1 7 6 是一个完整的电缆调制解调 a s i c 。可实现的功能如下： 16 6 4 2 5 6 q a m 高速接收 q p s k 1 6 q a m 直接数字合成调制，输出5 - 6 5 m - i z 射频 集成1 0 b i t 1 6 5 m h zd a c 和1 0 b i ta d c 集成r e e d s o l o m o n 、t e r b if e c 兼容i e e e 8 0 21 4 、m c n s 标准 其接收与发送部分框图如图3 3 、3 4 。 图3 3 发送部分框图 b w = 6 ，8 z 图34 接收部分框图 射频放大和下变频功能由m a x 2 4 2 0 完成，其内部框图如图3 5 。 图3 5 m a x 2 4 2 0 功能框图 r x o u t p r eo l i t ( t o p u 。1 m c m o d ( f r o m p l l 、 t x g a q m a x i m 公司最新推出的m a x 2 4 2 0 是专为低成本无线电设备而设计的。在 m , k x 2 4 2 0 芯片上集成与发送接收有关的许多功能电路，包括程控增益的低噪 声放大器l n a 、镜频抑制的下变频器d o c 、发射a l c ( 自动电平控制) 放大 器r p a 、功放r e a 、压控振荡器v c o 和除6 4 6 5 预分频器。 该电路低噪声放大器的噪声系数为1 8 d b ，且为线性可调增益，它可直接 驱动一对平衡混频器：接收器镜频抑制达3 5 d b ；发送器是具有3 0 d b 控制范围 的a l c 放大器；功放p e a 提供大于2 0 d b m 输出功率( 对于7 5 q 负载输出功率 大于1 0 0 m w ) 的a b 类功率放大器；内部的v c o 给出低相位噪声的本振信号， 且几乎不要外部元件；集成的双模6 4 6 5 预分频器可用于把v c o 锁定至本地基 准频率；允许使用低的第一中频频率，进一步降低整个的成本。 可见，使用m 匕4 2 0 构成r f 发送接收设备只需外部变换和低成本的 c m o sp l l 合成器便可实现。 为了充分利用h f c 的频率资源，减小可能出现的同频干扰，实现捷变频功 能，提高n i u 抗干扰能力，采用频率合成器。其功能框图如图3 6 所示。 n i u 采用m o t o r o l a 公司的带有双模预分频器接口的m c l 4 5 1 4 6p l l 与 m a x 2 4 2 0 内部的预分频器构成频率合成器。它可用c p u 进行控制和操作，并 配有选通信号和地址线。在片内集成了参考振荡电路、数字相位检测器、1 2 b i t 可编程+ r 参考分频器、1 0 b i t 可编程+ m 计数器。双模预分频器( p = 6 4 ) 及频率合 成器所需的v c o 由a x 2 4 2 0 提供。因此设计频率合成器的主要工作就是确定 分频比n 、鉴相器增益k d 、v c o 的灵敏度l 【0 和环路滤波器。 o s c i i io s c o u t d o d 1a o a 2 图3 6 频率合成器 1 ) 分频比n 由图3 6 可知，参考频率k 经r 次分频得到e 而e 。经n 次分频得到， 它与e 在鉴相器中进行相位比较，产生的误差经低通滤波器滤波后控制v c o 振 荡频率0 。的产生。其中n 次分频是由m 、a 、p + l 和p 次分频器在模数控制 电平m c 的作用下经以下过程产生：在计数器循环开始时m c 为低电平，l 。先 p + 1 次分频，同时+ a 计数器从其编程值递减计数到零。在这一时刻m c 变为高 电平，0 。先p 次分频，同时+ m 计数器从当前值( 另外的m a 次) 将尚未计 数的次数递减到零，然后m c 电平又变为低电平，上述过程重新开始。 ， 可见：，= ! 詈，z2 等 n = a 口+ 1 ) + ( m - a ) p 砘口+ a ，m = n p ，a = n r o o dp且m a 当环路锁定时，e = f i ，可以得到： 。= 夏n 、 由此按照h f c 网络的频谱规划及2 0 0 k h z 的载频步进，可求出系统的射频 频点及对应的分频比，如表3 1 所示。 nma射频( m i - i z ) 2 7 5 0 04 2 9 4 45 5 0 2 7 5 1 04 2 95 45 5 0 2 2 7 5 2 04 3 005 5 0 4 2 7 5 3 04 3 01 05 5 0 6 3 7 5 0 05 8 56 07 5 0 2 ) 鉴相器增益k 根据m o t o r o l a 技术手册，m c l 4 5 1 4 6 内部鉴相器增益为比= v c c 4 n ，现 v c c = 5 v ，所以k 。= 0 3 9 8 v r a d 3 ) v c o 灵敏度k m a x 2 4 2 0 工程资料给出的v c o 的输入电压对输出频率曲线，曲线的斜率 就是v c o 的灵敏度，其灵敏度为1 12 1 0 6r a d s v 。 4 ) 环路滤波器 如果采用如图3 7 所示的无源比例积分器作为环路滤器，其传递函数为： f 佑、：! ：! 坌 l + t ，s 其中t ：= r c= ( s + r ) c 图37 无源比例积分 2 1 锁相环的开环传递函数 战( 研= 冬导舞 可见，由无源比例积分器构成的锁相环路是二阶i 型环。根据资料，当采 用无源比例积分器为环路滤波器时，系统的自然频率。和阻尼因子e 分别为： 瓜 q 2 v i 掌= 三辱c t + 舯七= 竽，铲专，铲筹一i 1 根据一定的过冲度，与终值的稳态误差及锁定时间可以确定。和。为 计算这两个参数，给出h c 网络n i u 的有关技术指标： 信道的锁定时间 1 m s 过冲 。 小于2 0 误差小于1 0 那么可由环路的阶跃响应图来确定满足技术指标的亏和。当e = 0 6 则输出 过冲小于2 0 输出误差小于1 ，此时对应的。t = 8 左右，由于信道锁定时间要 求小于l m s ，可得c = 8 0 0 0 r a d s 。根据以上数据求得：k = 2 5 5 x 1 0 3 ，t 。= 39 x 1 0 。， l = l5 x 1 0 4 ，若取c = i1 tf ，可得心= 1 5 k nr ，- - 24 k q 。 3 3 2 网络适配器 网络适配器完成用户与n i u 之间接口的数据传输与转换，最重要的，它要 完成网络通信中数据链路层和m a c 层的各种功能。 网络适配器包括以太网接口、语音接口、a t m 信元适配、m a c 层控制、 收发处理器等主要功能部分。它们的连接关系如图3 8 所示。 三懑昏罾匦埯 如图所示，以太网接口和计算机以太网接口之间执行以太协议。对于连接 到以太网接口的计算机通过n i u 和h f c 网络，以太协议实现端到端的数据通 信，构成同以太网兼容的计算机网络。语音接口使用户电话可通过h f c 网络传 输。 网络适配器的系统结构如图3 9 所示。其中d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 2 完成n i u 网络适配器软硬件的主要功能。 图3 9 网络适配器的组成 从功能上划分，可以分为四大软件模块： 1 ) n i u 接入控制模块a c m ( a c c e s s c o n t r o lm o d u l e ) a c m 是h f c 网络m a c 层接入的实现模块，主要用于n i u 的通道申请、 分配及传输。m a c 层的接入协议采用m m 公司提出的i v i l a p ( m a cl a y e ra c c e s s p r o t o c 0 1 ) 协议。 h f c 网络的各接口单元需要通信时，必须通过竞争接入总线，才能发送数 据。m a c ( m e d i a la e _ 七s sc o n t r 0 1 ) 层的责任是仲裁接入，解决竞争及控制业务流， 保证网络前端与各接口单元的正常通信。 下面提出的基于消息的m a c 层接入协议可有效地支持带宽请求允许机 制、冲突解决、同步和带宽分配等功能，是一种共享媒体的m a c 层协议。 上行和下行通路的固定的时间块来限定。各块又分为可变长度的时隙，如 图3 1 0 所示。 图3 1 0 块和时隙的组织结构 每一时隙包含一个消息，其中下行消息为： d ss y n c 使每个站点与下行帧的起始保持同步 d s a l l o c上行时隙分配 一 d sa c k竞争模式传输尝试的结果 d s f r a m e净荷( 数据或m a c 管理) 上行消息为： u s r e q带宽请求 u s f r a m e净荷( 数据或m a c 管理) 和带宽请求 4 4l 下行消息的描述 d s s y n cs y n c 消息在下行方向发送，用来提供同步计时，使其下行 和上行帧的边界和前端控制器对齐。s y n c 消息是8 b i t 的“l1 0 110 0 0 b ”。 2 4 d sa l l o c a l l o c 消息如图3 1 l 所示，在下行方向发送，用来规定在 下一上行帧中的一个时隙。消息中包含了下面的信息： 日b i t1 6b i t1 0b i t 2b i t8b h1 2b j t1 6b i t 图31 1 下行的a l l o c 消息 源地址源地址字段规定了接口单元( n m ) 或接口单元站，它们可以接入 指定的时隙。如果为某一个站点保持此时隙，该字段包含那个站点的单独的地 址。如果时隙是一个竞争时隙，宇段将包含广播地址。 偏移偏移字段规定了以上行消息长度的1 1 0 2 4 作为单位的时隙起始 点。值为0 表示此时隙在上行帧的起始点开始。 概率概率字段规定了任意概率，所有新参与竞争的n i u 都可以在竞争 时隙中按如下比例传输：0 、2 5 、5 0 、1 0 0 。已经加入竞争时隙冲突己解 决的所有n i u 不使用此字段。 频率频率字段规定了传输的频率。频率字段为8 b i t ，以2 0 0 k h z 为步进 频率。上行方向范围从5 到4 2 m h z 下行方向从5 5 0 m h z 到7 5 0 瑚。 p h y 控制p h y 控制宇段规定调制速率、调制类型和前缀类型。两个3 b i t 的子字段分别用来规定调制速率和调制类型，剩下的2 b i t 规定在上行时隙中所 用的前缀类型。 允许允许字段规定了可在时隙中发送的净荷数目以及服务等级。其中 4 b i t 规定时隙中可包含0 至1 5 个5 3 字节的a t m 信元。值为0 表示时隙只包含 带宽请求消息( u s r e q ) 。服务等级立争d 子字段是8 b i t 。如果分配的时隙是 一个预留时隙，则该子字段规定了所允许的服务等级。如果时隙是竞争时隙， 则该子字段表明一个与d s a c k 消息相关的竞争d 数目，d s a c k 消息用 来指示冲突状态。 c r cc r c 多项式是x 1 6 + x ”+ x 斗1 ，其包含完整的消息各字段。 d s a c ka c k 消息如图3 1 2 在下行方向发送，用来指示竞争时隙的状态。 a c k 包含竞争n 1 u 的信息，从而可确定在哪个特定的时隙发生了冲突。每个 a c k 都以“d a h ，的形式开始，且消息都有一个1 6 b i t 的c r c 字段进行保护。 如果c r c 错误，n i u 将忽略该消息。 图3 1 2 下行a c k 消息 下面是消息的格式： 源地址源地址字段规定了所确认的n i u 。 频率频率字段规定了运载竞争时隙的频率。频率字段为8 b i t 并规定 以1 5 0 k h z 为步进频率。 d d 字段规定了正在被确认的时隙。竞争m 字段为8 b i t ，规定了竞 争d 的数目。该数目由前端控制器在a l l o c ( 消息中进行分配) 。 时隙状态时隙状态字段包含2 b i t ，规定竞争时隙的状态，如下所示： 0 0空 0 1无冲突 1 0保留 l l冲突 c r cc r c 多项式是x l q x ”+ x 斗l d s f r a m ed s f r a m e 消息如图31 3 所示。所有的下行f r a m e 大 小相同，可运载两种净荷类型： 管理净荷 数据( a a m 信元) 净荷 每个d s f r a m e 消息咀“d b ”的形式开始，并由一个1 6 b i t 的c r c 字段 作为保护。如果c r c 不正确，n i u 将忽略该消息。 2 6 图3 1 3d s f r a m e 消息 终点地址终点地址字段规定所要确认的n i u 。 帧控制f f c ) f c 字段规定净荷的信息。f c 字段的第一个比特指示的净荷 类型如下： 0 数据( a t m 信元) 1 管理 f c 的第二个比特规定净荷的加密情况如下： 0 未加密 l 加密 净荷净荷字段包含5 3 个字节的a t m 信元 c r cc r c 多项式是x 叶x 1 2 + x 斗1 4 42 上行消息的描述 u s f r a m eu s f r a m e 消息如图31 4 所示 图3 1 4u s f r a m e 消息 u s f r a m e 运载两种数据类型： 管理数据 a t m 信元数据 源地址源地址字段规定所要确认的站 帧控韦啦c ) f c 字段规定数据类型，f c 字段的第一比特指示下面的数据类型： 0a n 讧信元数据 l管理数据 f c 字段的第二比特指示加密情况如下： 0未加密 l加密 r e该字段为前端提供描述该n i u 的带宽请求所需的信息。请求带宽字 段为8 b i t ，可指示高达2 5 5 个5 3 字节的值。值为0 表示未请求带宽。服务等级 字段是8 b i t ，规定所提出的请求的服务等级。 净荷净荷字段包含n 5 3 字节的数据，可以是a t m 信元数据或管理数据。 净荷数目由在下行方向上发送的相应d s a l l o c 消息的允许字段进行规定。5 3 个字节a t m 信元的数目是从1 到1 5 。允许字段的值为0 表示时隙内为u s r e q 。 u s r e qp e q 消息如图3 1 5 所示，在上行方向发送，表示预留模式时 隙的请求。 图31 5 上行r e q 消息 源地址源地址表示发送该消息的n i u r e该字段所表示的信息同u sf r a m e 的r e 4 4 3 业务传输的建立过程 m a c 协议的工作过程如图3 1 6 嚣嚣妙固 瑟搭 占站一0 1 i 詈瘤i益，。、= 一。 空用 - _ 一 f i ， 麻中柠肇 图3 t 6m l a p 协议的工作过程 奄 ，= 1 ) 基于竞争方式的业务传输 基于竞争方式的业务传输对应图3 1 6 中的过程( 1 ) ( 2 ) 。当某用户n i u 由