（通信与信息系统专业论文）基于hfc网的双向业务传输系统中心modem的设计与实现.pdf

摘要 利用有线电视网同时开展电话、电视和数据三大信息业务是解决用户接入网 “瓶颈”问题的现实途径。本论文的目的是基于混合光纤同轴网( h f c ) 提出一 种高速、廉价、技术成熟、性能好的新型双向业务传输系统方案。本文主要论述 了基于h f c 网的双向业务传输系统的控制中心端的具体设计与实现。首先简要介 绍了国际上相关的标准以及我国有线电视网的发展现状、结构特点及实现高速 i n t e m e t 接入和综合业务的优势，并对该系统进行了性能分析，提出了抑制上行噪 声的措施和一种解决冲突的办法。然后重点论述了基于h f c 网的双向传输系统的 p c i 插卡式中心m o d e m 的设计原理、关键技术、实现过程及系统调试过程中获 得的测试结果。本文提出的这种方案对于有线电视网上双向业务传输的进一步研 究与推广以及促进实现“三网合一”具有一定的参考价值。 乙一7 关键词：有线电视网 控制中心 v o 混合光纤同轴网 线缆调制解调器 、 a b s t r a c t i ti sap r a c t i c a lw a yt od e a l 埘t l it h e b o m en e c k ”p r o b l e mo fu s e ra c c e s sn e t w o r k t h a tu s i n gc a t vn e t w o r kt od e p l o yt h r e ei n f o r m a t i o ns e r v i c e s - - t e l e p h o n e 、t e l e v i s i o n a n dd a t as i m u l t a n e o u s l yt h i sp a p e ra i m st o p r o v i d ean e ws c h e m eo fh i g h s p e e d b i d i r e c t i o n a ls e r v i c e st r a n s m i s s i o ns y s t e mw i ml o w e r c o s t p e r f e c tt e c h n i q u ea n dg o o d p e r f o r m a n c eb a s e do nh f c n e t w o r k t h er e s e a r c hw o r ki s m a i n l yo nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n o ft h ec o n t r o lc e n t e rf o rt h eb i d i r e c t i o n a ls e r v i c e st r a n s m i s s i o ns y s t e m o nc a t v n e t w o r k f i r s t l y ，t h er e l a t e di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ，t h ed e v e l o p m e n t s t a t u sa n d s t r u c t u r eo ft h ec a t vn e t w o r ki nc h i n aa l o n gw i t ht h es u p e r i o r i t yt oa c h i e v ei n t e r a c t a c c e s sa n dv a r i o u si n t e g r a t e ds e r v i c e sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，t h e f e a t u r eo ft h i ss y s t e mi sa n a l y z e da n dt h em e t h o d sa r ep r o v i d e dt od e c r e u s et h en o i s e a n ds o l v et h ec o l l i s i o ni nr e t u r np a t h t h e n , i tm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g np r i n c i p l e ，k e y t e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o fp c ia d d e d c a r dc e n t e rm o d e mo ft h e b i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n s y s t e m f i n a l l y , t h et e s t i n g r e s u l t so b t a i n e df r o m e x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e dt ov e r i f yt h ei d e a t h es c h e m ep r e s e n t e di n t h i sp a p e ri s b e n e f i c i a lt od om o r es t u d yo na n d s p r e a d i n gt h eb i d i r e c t i o n a ls e r v i c e st r a n s m i s s i o no n c a t vn e t w o r ka n da d v a n c e st h ec o m b i n a t i o no f t h et h r e en e t w o r k s k e y w o r d ：c a t v n e t w o r k c o n t r o lc e n t e r h f cn e t w o r k c a b l em o d e m 第一章有线电桃网的发展状况 第一章绪论 1 1 有线电视网络的发展状况 在即将全面跨入信息社会的世纪之交i n t e r n e t 的出现和迅猛发展，为人类带 来了一场以数字化生存和知识经济为特征的信息化革命。“i n t e m e t 时空和社会”成 为当今最热门的话题；以“i n t e r n e t t oh o m e ”为目标的信息高速公路建设，成为最 具有发展潜力的市场热点，网络通信倍受广大相关厂商和投资机构的青睐，它蕴 藏着无限的商机。 网络的发展为我们提供了更大的发展空间和机会，但网络的传输速度也越来 越成为利用网络自身发展的障碍。一系列新的i n t e r n e t 服务，包括提供音视频、本 地信息服务及其它大量的网上服务，都受制于网络速度而得不到广泛应用，甚至 w w w ( w o r l d w i d ew e b ) 得了一个无奈的外号：“w o r l dw i d ew a i t ”，一字之差却反 映出人们的需要与期盼。于是，业界的研发重点走向了基于以下两点的发展方向， 并由此提出高速传输信息的解决方案： 速率尽可能高，如像以太网的1 0 m b p s 。 尽可能在现有的通信基础设施上传输数据信号。 有线电视( c a t v ) 网是我国名副其实的“百姓网”，电视机是我国家庭入户率 最高的信息工具。经过十几年的发展，有线电视网己迅速成长为拥有8 0 0 0 万用户 的全国最大的接入网络。有线电视与电话线相比，同样是延伸到千家万户，但它 的普及率已超过传统电话的普及率，因而市场潜力大；有线电视网属于共享介质 一类，布线简单，一条光缆或同轴电缆延伸到一个街道里弄甚至居住社区就可以 了；频带宽，造价低，目前有线电视网的线缆媒介正在向支持1 g h z 的带宽发展： 有线电视网进行混合光纤同轴( h f c ) 网改造之后，在网络质量和发展潜力上比传 统的有线电视网有了更大的提高。除了模拟电视广播这种基本业务外，h f c 网络 还提供数字视频和数据，特别是高速t n t e m e t 接入等业务。所有这些基本满足了人 们低成本、可升级和弹性过渡的要求所以有线电视网作为网络入户的“最后一 公里”，十分令人瞩目；在有线电视网上传输数据信号，实现高速i n t e m e t 接入并 最终实现综合业务，也就成为数据通信工业新一代的发展方向。 c a b l em o d e m 是利用h f c 网络开展i n t e r n e t 业务的产品。从字面意义上理解， 它是一个m o d e m ，即调制解调器；在功能上它要比传统的电话m o d e m 复杂的多。 c a b l em o d e m 集m o d e m 、调谐器、加密解密装置、桥接器、路由器、网络接口卡、 s n m p 代理及以太网h u b 功能于一体。这种接入方式的优点是： 有线电视网与电信网在干线上都采用光纤，区别在于入户的“最后一公里”。 基于h f c 网的双向业务传输系统中心m o d e m 的设计与实现 2 有线电视网入户的同轴电缆带宽远大于电信网入户的双绞线带宽在“最后 一公里”上更有优势。 除了传输速率高( 下行可达3 0 4 0 m b p s ，上行最高1 0 m b p s ) ，它还不占用电 话线，上网时不影响正常的电话业务，无须拨号上网，永久连接。 c a b l em o d e m 使用共享平台访问，其用户可以和从事其它活动的用户共享网 络，仅当他们以突发方式传送或接收数据时才访问资源。即使出现带宽不够 用的情况，也可以灵活分配附加带宽来解决。 有线电视网具有广播式传输、有条件接收的特征。特别是为少数用户和多数 用户提供服务的成本差不多，网络规模越大，用户数量越多，越能体现效益。 当然，与c a b l em o d e m 并存的接入技术还有很多，如电话m o d e m 、i s d n 和 a d s l 等。传统的电话m o d e m 速率太低，极限速率才6 4 k b p s ：i s d n 虽然是全数 字网，能迅速传输各种消息，但其极限速率只有1 2 8 k b p s ，限于国情，目前仅一些 太城市开通。从发展的趋势来看，i s d n 频带较窄，只是一个过渡性提速方案；a d s l 虽然也不需改造信号传输线路，完全可以利用普通铜质电话线作为传输介质，速 率比i s d n 大大提高，但a d s l 接入线易受外界干扰以及受传输距离、速率的限 制，所以这种提供点到点的宽带传输质量较差，而且a d s l 技术作为i n t e r n e t 高速 冲浪、视频点播、远程局域网访问等理想的接入方式，目前发展技术还不很成熟。 所以有的专家认为，中国有可能从现在的5 6 k b p sm o d e m 、i s d n 绕过a d s l 而直 奔c a t v 网，可见，基于h f c 网络开展双向传输业务的前景极为广嗣。 1 2 作者所完成的论文工作 本课题采用校企合作的形式，系统方案与最新的国际标准d o c s i s 接轨，目 的是开发出基于p c i 总线的p c i 插卡式c a b l em o d e m 。论文的主要内容为：基于 h f c 网络的双向业务传输系统网络侧中心m o d e m 的设计开发与具体实现。 论文的具体工作安排如下： 第一章：简要介绍了c a t v 网的发展概况，以及作者在这方面所做的工作。 第二章：阐述有线电视网的结构及特点，介绍了国际上的相关标准：分析了 h f c 网络上传输双向业务的信道性能，主要讨论了上行信道的噪声和冲突问题。 第三章：详细论述了有线电视网上双向业务传输系统的总体设计及实现中心 m o d e m 的主要功能模块，包括硬件结构及所采用器件的介绍。 第四章：介绍了一种先进的硬件设计技术x i l i n x 可编程逻辑器件设计技术 在本课题开发中的应用。 第五章：汇总了系统硬件调试过程中的数据测试以及频谱测试的结果，并对 它们进行了具体分析，最后得出实验结论。 结束语是对论文工作的小结。 第二章基于h f c 嗣的双向业务传输系统概述 第二章基于h f c 网的双向业务传输系统概述 2 1c a t v 升级为双向全业务接入网 2 1 1c a t v 网的基本结构 我国有线电视网规模大、技术先进、发展速度快，仅有线电视台就超过干家， 各地c a t v 网之间通过卫星信道、微波信道或光纤信道实现互联，形成覆盖范围 更大的c a t v 网。但是，这些c a t v 网大多是树枝型的、以单向传输为主的宽带 同轴电缆分配网络。 9 0 年代以来的光纤技术的发展及应用，对有线电视网络的拓扑结构产生了重 大的影响。1 9 9 4 年，美国a t & t 公司基于原有的c a t v 网络，提出最新的混合光 纤同轴网( h f c ) 方案，即将主干线部分的电缆用光纤代替，其网络结构如图21 所 示。在该系统中，前端接收来自卫星天线的电视模拟信号，通过光缆进入相邻光 节点( f n ) ，再经过各放大器，以同轴电缆进入用户。图中的单向放大器用于弥补 同轴电缆传输的损失。为了确保所有用户都能收到质量好的信号每个光节点下 一般有2 0 0 5 0 0 个用户，最多5 0 0 2 0 0 0 个用户：受h f c 服务的用户距离h e 不 能超过1 0 0 k m 。 光缆同轴电缆 雀毋絮一、 图2 1 早期的h f c 网络结构 早期的h f c 网络也是单向的，只有从h e 到用户的信号。为了传输图像、数 据及多媒体综合业务，h f c 网络必须改造为双向网络。首先，必须为从用户到h e 的上行信号分配光纤束。h e 还需要回传放大器和分离电视信号与i n t e r n e t 和语音 信号的带宽分离器。其次，沿着同轴电缆的单向放大器必须用双向器件代替。在 用户端，由于单个同轴电缆携带了双向信号，则需要将来自用户的上行数据流和 到用户的下行数据流用频率分离器分离。具有双向传输功能的h f c 网络结构如图 2 2 所示。由图可见，h f c 网络的结构是广播式的。f n 完成的主要功能是光电转 基于h e c 同的双向业务传输系统中心m o d e m 的设计与实现4 换，它与各用户之间是以同轴电缆传输的树状结构，与h e 之间传输光信号；光纤 常用波分复用法，即上下行以不同的光波长在一根光纤上传送。同轴电缆常采用 额分复用法，使上下行信道工作于不同的频段，一般低频段用于上行信道，高频 段用于下行信道。 前端 光纤干线 同轴电缆网t 目j 户终端 电话信号。 光接 队 孵络 音视频信号收机 下行光纤光洲 数字 计算机数据 节 双向放大器 终端 信号。 发射上行光纤 占 。呦 接口 加 圈2 2具有双向传输功能的h f c 网络结构 2 1 2i i f c 网络频谱资源的分配 h f c 接入网为多媒体交互式业务提供了充分的下行带宽。考虑到有些业务如 电话业务，其上下行数据量一样，则上下行信道需要同样的频带；有些业务如 i n t e m e t 接入业务，其上行回传数据是突发式短数据，占用上行频带很窄；有些业 务如数字数据通信业务和电字邮件是突发式业务，占用上行频带很宽，所以必须 综合地考虑各种多媒体业务对频带的需求，合理分配频分复用的h f c 接入网的频 谱资源。宽带业务网上下行频率分割有三种方法，如表2 1 所示，不同的分割确定 了上下行业务的不同界限。一个双向系统要依据实际业务量选择分割方式，如果 上行业务量极少，采用低分割就能完成，则不必采用中高分割而浪费频率资源。 分割方式上行频段( m h z )过渡段( m h z )下行频段( m h z ) 低分割 5 3 03 0 4 74 7 7 5 0 中分割 5 - - 6 5 6 5 8 7 8 7 7 5 0 高分割 5 2 0 02 0 0 2 2 32 2 3 7 5 0 2 2 有线电视网上传输双向业务的相关标准 有线电视业界致力于h f c 网上双向数据传输技术的开发，最重要的标志是从 2 0 世纪9 0 年代中期开始陆续制订的一系列相关的标准，最常见的是北美多媒体电 缆网络系统有限公司( m c n s ) 制订的d o c s i s 协议，为大约美国8 5 的用户和加拿 大7 0 0 的用户提供业务。其次是欧洲流行的d a v l c d v b 标准。与此同时，欧美地 区兴起了大规模的h f c 网络升级改造工程，以美国尤盛。据资料反映，目前北美 地区h f c 网络的改造己大体就绪，其网上的c a n em o d e m 用户已逾5 5 0 万，约占北 第二章 基于h f c 网的职向业务传输系统概述 美地区宽带接入用户的7 0 。 2 2 1m c n sd o c s i s 标准 1 9 9 6 年，m s o sc o m c a s t ，c o x ，t c i ( 现为a t & t ) 和t i m ew a r n e r t 等组成北美多 媒体电缆网络系统有限公司( m c n s ) ，来制订自己的c a b l em o d e m 规范。1 9 9 7 年， m c n s 向生产商发布了标准草案，即电缆上数据业务接口规范( d o c s l s ) 。销售商 立即根据此标准构建样机并于当年1 2 月首次公开举行d o c s i s 标准设备的互操 作性演示。1 9 9 8 年，电缆实验室( c a b l e l a b s ) 开始了d o c s i s 设备的正式认证过程， 以确保由不同厂家生产的产品能够相互兼容。同年3 月，i t u 接纳d o c s i s 为c a b l e m o d e m 标准，已为i t u tj1 1 2 。 d o c s i s 从调制方案到网络协议，都有特定的功能，这些功能之间的关系体现 在如图2 3 所示的与o s i 七层模型对应的协议堆栈中。图中的低四层是多系统运营 商( m s o ) 电缆数据网络特定的，因为它们只存在于h f c 网络的c a b l em o d e m ( 简 记c m ) 和c m t s ( c a b l em o d e m 终端系统) 之间。i p 层及其以上各层用于与i n t e m e t 通信，由d o c s i s 协议层携带通过电缆网络。 图2 3d o c s i s 协议堆栈 c m 完成图中的低四层功能，它从主机客户房屋设备( 如以太网卡) 接收i p 分 组并进行链路加密，再将数据调制到h f c 网络的上行信道。在下行方向，c m t s 增加了m p e g 2 成帧层。d o c s i s 协议层之上是i p 层，该协议如同胶合剂，将当 前i n t e m e t 服务连接起来。协议堆栈顶层是标准的i n t e r n e t 服务协议( 如m a i l 、n e w s 、 w e b 等) ，而d o c s i s 协议则是为了与这些i n t e r n e t 协议一起使用而制订的，因此， 随着i n t e r n e t 的发展，d o c s i s 协议也需要发展。d o c s i s 协议的低四层是： 物理层 该层的目的是得到在射频( r f ) 信道最差时的d o c s i s 系统的正、反向信道模 基于h f c 网的双向业务传输系统中心m o d e m 的设计与实现 6 型。下行方向的通带的下界为5 0 m h z ，上界依具体情况在3 0 0 8 6 0 m h z 范围内选 择，此通带内传输6 m h z 信道的n t s c 模拟电视信号及其它窄带和宽带数据信号。 下行物理层依据i t u tj 8 3 b 选择6 4 2 5 6 q a m 调制方式。在一个6 m h z 信道 内，发送端使m p e g 2 数据流经过了r s ( 1 2 8 ，1 2 2 ) 编码、可变深度的交织、数据随 机化、格形编码模式( t c m ) 的卷积编码等层层前向纠错编码( f e c ) 。对于6 4 q a m 调制，卷积编码比例为1 4 1 5 ，调制的滚降系数为0 ，1 8 ，则频谱的效率为： 1 8 1 彳5 彳1 8 l o g ：4 = 4 5 2 b p s ，舷； 最高净信息速率为：4 5 2 b p s h z x6m h z = 2 7 m b p s ： 对于2 5 6 。q a m 调制，卷积编码比例为1 9 2 0 ，调制的滚降系数为0 1 2 ，则频 谱的效率与最高净信息速率分别是6 4 7 b p s h z 和3 8 8 m b p s 。 若存在上述各种f e c ，则下行信道设计为：在载波噪声比c n = 2 3 5 d b 时进行 6 4 一q a m 调制和在c n = 3 0 d b 时进行2 5 6 q a m 调制的误比特率都小于1 0 一，相当 于每秒3 5 个误码。r s 编码和t c m 编码的级联不但具有很强的纠错能力，还允 许下行数字信道的载波幅度比模拟视频低1 0 d b ，有助于在提供可靠的数据业务的 同时，减轻系统负荷和减少对模拟信号的干扰。交织器在减小干扰的同时又增加 了下行信道的时延，交织的深度与所引起的时延存在固有的关系。可变深度交织 使系统工程师在需要的突发错误保护时间与业务所能容忍的时延之间折衷选择。 交织深度由c m t s 根据r f 信道条件动态控制。 上行方向的通带为5 4 2 m h z ，调制方式为d q p s k 或1 6 q a m 。d o c s i s 灵 活的上行f e c 编码使系统运营商自己规定数据包的长度，每个包内能纠正0 - - 1 0 字节误码。当干扰造成一个信道有太多的误码时，只要动态地调节该信道的纠错 能力，就可以继续使用这个频率，而不必切换到另一频率。d o c s i s 为上行信道提 供了多种可用的符号速率及对应带宽如表2 2 所示。开始时，系统根据调制方式 设置为最高符号速率，再根据所检测到的噪声电平调整到合适的速率。由于上行 是突发数据，为了保持同步在数据之前引入前导码，其长度可编程，但必须是 整数个调制符号且最长为5 1 2 2 5 6 个q p s k 1 6 一q a m 符号。上行信道多个用户使 用频分多址( f d m a ) 或时分多址( t d m a ) 接入。f d m a 方式使不同的c m 以不同 的上行信道同时接入。t d m a 方式使不同的c m 受c m t s 控制接入到不同的时隙。 上行符号速率( k s p s ) 1 6 03 2 06 4 01 2 8 02 5 6 0 d q p s k 数据速率( k b p s ) 3 2 06 4 01 2 8 0 2 5 6 0 5 1 2 0 1 6 一q a m 数据速率( k b p s ) 6 4 01 2 8 02 5 6 05 1 2 01 0 2 4 0 所用带宽( k h z ) 2 0 04 0 08 0 01 6 0 03 2 0 0 第二章 基于h f c 问的双向业务传输系统概述 传输会聚子层( t c ) 该层协议允许多种类型的业务共享同一r f 载波。d o c s i s 的t c 层为m p e g 2 ， 即将语音和视频等其它类型的消息封装成m p e g 2 包，作为d o c s i sc m 的数据 在同一r f 载波上发送。m p e g 2 还提供了一个公共标识符( p i d ) ，c m 通过检测 数据流中的p i d 来确定自己应该解码哪个包。另外，m p e g - 2 具有一种便于同步 的帧结构，1 8 8 字节的m p e g 2 帧起始于一个同步字节，搜索这个以一定的时间间 隔重复出现的同步字节就能容易地完成该信道的帧同步。 媒质接入层( m a c ) 该层为c m t s 提供一种指示哪个c m 可以发送、何时发送咀及传输多长时间 的方法。c m t s 使用请求应答方式给c m 分配上行信道带宽。上行信道由微时隙 流构成，c m 采用竞争与预留时隙流动态混合的接入方法，支持可变长数据包的传 输。一开始，c m t s 周期性地分配一部分时隙流用于c m 发送请求，c m t s 收到 请求之后为c m 预留一定的时隙流发送数据，具体步骤如下： 信道获取 c m 首先扫描下行信道获得同步，寻找具有p i d 的m p e g 2 分组，当c m 开始 对这种分组解码时，就达到了信道获取的目的。 获得上行信道参数 c m t s 在所有d o c s i s 下行信道重复发送3 个m a c 消息：初始同步( s y n c ) ， 为所有c m 提供一个公共参考时间；上行信道描述符( u c d ) ，描述上行信道的符 号速率、频率范围、调制方式等；上行带宽分配映射( m a p ) ，包含了c m 何时发 送和发送持续时间的消息，s y n c 为这些时间提供基准。 测距 包括c m 必须完成的3 个过程：时间参考、发送频率和发送功率的精确调整。 因为每个c m 到c m t s 的距离是确定的，则这些参数的设置也是唯一的。开始时， c m 在时隙边沿给c m t s 发送一个测距请求消息。c m t s 收到后应获得以下信 息：收到测距请求消息与实际初始维护发送机会开始的时间差、c m 发送的确切频 率和接收到的功率电平。根据这些消息，c m t s 得出校正数据，并在测距响应中 发送给c m ，c m 随之调整自己的参数设置，并再次向c m t s 发出测距请求，如此 反复。最终的定时误差小于lus ，频率误差小于1 0 h z ，功率误差小于0 2 5 d b 。c m 刚接入网络时，测距过程发生在初始维护过程中。启动之后，在c m t s 安排的周 期性维护阶段c m 还需反复测距。 i p 层的建立 c m 通过动态主机配置协议( d h c p ) 得到一个i p 地址。c m 有效时，就拥有一 个i p 地址。当它无效之后，i p 地址被回收并让给其它有效的c m 使用。 注册 基于h f c 网的双向业务传输系统中一i i , m o d e m 的设计与实现 在给c m 的d h c p 响应中，包含了配置文件服务器的i p 地址和c m 必须下载 的配置文件名。注册过程开始于c m 使用简单文件传输协议( t f t p ) 从服务器下载 配置文件。接着，c m 向c m t s 发送注册消息，以证实它已收到配置文件。c m t s 也从服务器搜索一个同样的配置文件，与来自c m 的数据相比较，就能确保c m 仅使用被授权业务。之后，c m 才被允许发送真正的用户数据。 数据链路加密子层 d o c s i s 提供了c m 和c m t s 之间最低级别的数据链路加密，称为基本保密 接口( b p i ) 规范，但所采用的密钥管理协议并未对c m 实施认证所以不能防止末 授权用户使用“克隆”的c m 伪装为合法用户。 1 9 9 4 年4 月，c a b l e l a b s 发布d o c s i s 第二代标准d o c s i s l 1 。与版本1 o n 比，d o c s i s l 1 扩展了以下几个方面：q o s 、i p 多播、安全和操作支持等。 q o s 在版本1 0 中，所有c m 的所有数据具有相同的优先级，不同的业务具有相同 的带宽、速率限制。版本1 1 引入以下几个新概念来保证同一c m 或同一r f 信道上 的不同业务的q o s ：包分类，即根据数据源、目的和类型，将包分类并分配到业 务流中；业务流，规定了对特定的q o s 保证和业务类型的限制，定义了最大和最 小吞吐量、时延和抖动等；动态业务分配，允许c m 可以区别对待不同的i n t e m e t 业务，对特定的业务流根据其类型、源、目的等给予相应的优先级。 m a c 层分段 由于上行信道被许多用户共享，当网上负载很重时c m t s 为了保证给具有 服务优先级的所有c m 发送数据的机会，对于上行数据量较大的用户，必须限制 数据包的大小。m a c 层分段机理允许c m t s 向c m 发送指令，指导它把大的上行 数据包分解成许多小的数据包。每个小数据包有自己的传输时间，这样，c m t s 就能更灵活地安排其它c m 的上行数据。 增强了1 p 多播 d o c s i s l 1 规定了用户如何根据i n t e m e t 组管理协议( i g m p ) 访问i p 多播业务， 如音视频、般票自动收报、新闻和天气预报等。1 g m p 是控制接入i p 多播业务的 协议。多播分组只发一次，就可以被多个用户接收。而只发一次占用的带宽资源 比分别发送到每个用户要小得多。 b p i + 增加了基于认证的授权过程，是针对d o c s i sl1 中规定的新业务提出的b p i 规范的增强版本。b p i + 描述了当c m 处理不同业务时，怎样进行数据加密包括 上行分组分段和i p 多播业务的安全性。 为了便于欧洲电缆运营商采用d o c s i s 规范，1 9 9 8 年，d o c s s 标准稍做修改， 主要是下行支持8m h z 带宽，支持i t u tj 8 3 a 规定的调制方式和前向纠错，上行 第二章基于h f c 网的取向业务传输系统概述 9 频谱为5 6 5 m h z ，修改后的标准称为“e u r o d o c s i s ”。 除了d o c s i s l 1 ，c a b l e l a b s 还制订出第三代d o c s i s 标准d o c s i s l 2 。 它对规范核心增加了一个高级p h y ，并采用b m a d c o m 公司提供的频活时分多址 ( f a t d m a ) 技术和由t e r a y o n 通信系统开发的同步码分多址( s - c d m a ) 技术。 2 2 2d v b ，d a v i c 数字视频广播( d v b ) 和数字视频委员会( d a v i c ) 负责制订欧洲数字机顶盒标 准，同时为了支持本地产品，d v b d a v i c 在欧洲比d o c s i s 更有竞争力。欧洲电 缆实验室( e c l ) 在欧洲电缆通信协会( e c c a ) 的领导下，一直支持基于d v b d a v i c 的“e u r o m o d e m ”代替d o c s i s 。 d v b d a v i c 根据上下行业务不同，分为带外信令( o o b ) 和带内信令( i b ) ，使 用7 0 1 3 0 m h z 或3 0 0 8 6 2 m h z 中的6 m h z 或8 m h z 信道为下行交互式通道，5 6 5 m h z 为上行交互式通道。上行频率范围的上端6 5 m h z 最好不要与下行的下端频 率7 0 m h z 同时使用。对于o o b 方式，上下行都采用q p s k 调制、a t m 方式传输。对 于i b 方式，下行采用6 4 2 5 6 q a m 调制、m p e g 一2t s 包传送方式，上行采用d q p s k 调制、a t m 传送方式。d v b d a v i c 依据i t u tj 8 3 af e c 纠错，在8 m h z 带宽内6 4 2 5 6 一q a m 调制的最高速率分别为3 8m b p s 平d 5 2m b p s 。 d a v i c 自1 9 9 6 年发布版本1 0 之后，又连续推出了1 1 、1 2 、1 3 、l4 和1 5 等版本。随着版本的不断升级，支持的功能也不断增加。1 0 、1 1 和1 2 主要支持 音视频应用和数据业务，l _ 3 、1 4 和1 5 主要支持交互式数字广播和通信业务。d v b 2 0 规范描述了交互式机顶盒和c a b l em o d e m 采用的传输方法，被欧洲电信标准协 会( e t s i ) 接纳为e t s 3 0 0 8 0 0 ，并被d a v i c 用做c a b l em o d e m 的版本1 5 标准。 2 2 3 我国有线电视网的技术规范 我国制订有线电视网技术规范的工作进展也很快。首先是g y 厂r 1 0 6 1 9 9 2 有 线电视广播系统技术规范。它采用低分割方式，但随着有线电视广播技术的发展 和h f c 网络结构的推广，网络规模不断扩大，这个标准显示出时代的局限性。1 9 9 9 年发布的g y t 1 2 6 1 9 9 9 有线电视广播技术规范中，扩展了上下行频谱( 上行5 6 5 m h z 下行8 7 l ，0 0 0 m h z ) ，其频谱配置如图2 4 所示。同年，国家广电总局通 过了有线数字电视广播信道编码与调制规范的报批稿，即参照d v b c 的有线 数字电视广播系统规范，便于与我国已采用的d v b s 卫星数字电视广播系统规范 接轨。2 0 0 0 年，我国又立项制订( h f c 数据接入系统技术规范，并于年底成立 了标准起草小组。到目前为止，我国已对现行的国际标准及2 0 0 0 年刚发表的欧美 增强版本进行了研究、分析，测试了典型地区的电磁环境，并进行了系统仿真试 验和数据业务的系统适应性试验，期望完成的新标准具有统一性、兼容性、开放 性及多厂家的协同性等特点。 基于h f c 同的职向业务传输系统中心m o d e m 的设计与实现 1 0 图2 4 我国取向h f c 网络频谱配置 2 3i - i f c 网络信道的性能分析 由前面可知，h f c 网络上下行通道不对称，便于下行信号的传输与分配。下 行信道是广播式的，具有较好的传输特性和较高的信噪比，完全可以达到通信传 输的技术指标要求。而反向信道则不然。由于h f c 系统中的电缆传输部分是树状 结构，所烈上行信道的噪声是每条支路的反向放大器和用户产生的级联噪声以及 各支路间噪声的累积叠加结果，这种规律称为噪声的漏斗效应，它对上行信道的 信噪比影响很大。上行信道干扰的来源很多，据有关资料统计，上行噪声的7 0 来源于用户端，2 5 来源于光节点后的分配系统，5 来源于弯曲的同轴电缆。 2 3 1 h f c 网络的上行信道噪声来源及处理办法 按照数字通信理论，h f c 网络的上行信道属于“恒参”信道，绝大多数噪声 属于加性噪声。就其来源而言，可以分为内部噪声和外部噪声。 内部噪声由器件本身产生，如不必要的振荡、电源交流声和微音效应等，以 热噪声为主，且无法消除，因而又称为结构噪声。结构噪声是不可避免的，但采 取适当的措施可以相对减少。如选用优质器件和高屏蔽电缆：尽可能使h f c 分配 网络中的放大器、分支分配器等负载与同轴电缆特性阻抗相匹配，各种接头连接 紧固，电缆屏蔽层的接地良好；合理选择上行信道的工作电平，以减小系统失真。 外部噪声又称为入侵噪声，主要有以下几种： ( 1 ) 脉冲干扰噪声 e l l 家用电器切换的弧光、发动机点火、蜂窝电话的瞬间脉冲等产生的电磁能 量，耦合进入电缆或用户端的设备中，产生的突发脉冲干扰的频谱范围是6 0 h z 2 m h z ，虽然不在上行信道的频谱内，但它的各次谐波分量可能影响上行信道的传 输。自然界的脉冲噪声源有闪电、来自银河系的噪声和静电泄漏等，频谱范围是 2 k h z 1 0 0 m h z 这些宽带脉冲干扰随时间变化抉，使系统误码率迅速升高。 ( 2 ) 短波辐射噪声 有人为的和非人为的之分，人为的如短波电台、业余无线电台、各种交互式 通信等频率在5 2 0 m h z 内的单频连续波干扰，它不随距离而衰减，可以从网络 任何个屏蔽不良之处侵入上行通道。若网络超过一定规模侵入点越多，则信 道容量下降越快，严重时会使5 2 0 m h z 频带无法使用。非人为的是指大气层中 高频电磁场产生的电磁波在空气中传播，通过电磁耦合进入h e c 阿络的上行信道， 第二章基于h f cn 的双n k g - 传输系统概述 形成窄带短波噪声。这种干扰频谱在5 3 0 m h z 内，一般与太阳黑子的活动周期 密切相关。短波辐射干扰是上行信道噪声的主要来源。 ( 3 ) 感应噪声 用户端的电气设备与同轴电缆的位置靠近使电气设备的高电平噪声耦合进 入h f c 网络的上行信道，产生的这类噪声与周围设备有关，频谱在5 4 0 m h z 内。 ( 4 ) 反射噪声 由于同轴电缆的特性阻抗( 7 5 q ) 与线路中的放大器、分支器等部件的接口阻 抗不匹配，造成信号反射，引起上行信道的信号间干扰。 ( 5 ) 共模噪声 由设备的非线性造成的、在上行信道频谱中为离散的噪声尖峰的一种噪声。 减小入侵噪声可以从以下几个方面考虑： 根据不同的入侵噪声，选用不同的产品，如回传通带滤波器将“非双向”业务 的用户与反向通道分隔开；窗口式高通滤波器允许用户接入交互式业务；分级 衰减器为运营者业务的频率指配和未来增加新业务提供了灵活性。 采用合适的调制方式、多址方式和编码方式。对于窄带短波噪声，可以采用抗 干扰能力较强的f d m a 或c d m a 多址方式：当噪声是脉冲式的持续时间较短 时，只造成一段码流误码率增高，可以选用高效的f e c 和滤波技术。目前出 现了一些新的数据传输方式，如o f d m ( 正交频分复用) 和s - c d m a ( 同步码分 多址) 技术，特别是s - c d m a 技术，对于减小上行信道噪声非常有效，在后面 小节再讨论。 适当扩展上行通道带宽。入侵噪声多集中在5 3 0 m h z ，若将上行通道扩展到 5 6 5 m h z ，并尽量将上行信号安排到高频段，甚至可以考虑安排到7 5 0 m h z l g h z 之问的某个频段，效果会更好。 减少光节点覆盖的用户数，增加光节点数。由噪声漏斗效应可知，上行信道的 噪声随每个光节点覆盖的用户数的增加而增加。系统容量不变时，减少每个光 节点覆盖的用户数，需增加光节点数。可以采用波分复用的方法，即用不同波 长的光信号传送不同光节点的上行数据，达到成倍增加光节点的目的。这样不 仅减小了上行信道的噪声，而且有利于克服漏斗效应。每个光节点覆盖5 0 0 左 右的用户为宜。 2 3 2s c d m a 在h f c 网络中的应用 f l + 1 根据香农( s h a n n o n ) 信道容量公式：c = b l o g ：，信道容量随频带宽度b 和 信噪比s 的增大而增大。因此，即使在信嗓比较低时，适当增加带宽，也可以 获得较高的信道容量。s - c d m a 要求在发端各用户同步地用完全f 交的高码率扩 频序列扩展信号的频谱，在收端用相同的扩频序列解扩并还原信号。通过维持扩 基于h f c 网的取向业务传输系统中心m o d e m 的设计与实现 展的正交性，减少了用户间的互干扰，同时用6 m h zs - c d m a 信道解决了传统的 异步c d m a 中的信道干扰问题，能提供更大的容量。这样，s c d m a 技术允许系 统在低于2 0 m h z 且存在高噪声的上行频段内开展业务，而且不影响其它信道。 美国t e r a y o n 公司利用s c d m a 技术开发的c a b l em o d e m 有效地解决了h f c 网络中的上行噪声汇聚和信道容量两大难题。在采用s - c d m a 技术的h f c 系统中， 每个6 m h z 带宽以1 4 m b p s 的速率传输多路数据流，每一路为6 4 k b p s 。每路数据 流经过格形( t r e l l i s ) 编码、交织、并用自己的扩频码扩展到6 m h z 。前向纠错和交 织有效地抑制了上行噪声，加强了信号的扩展。格形编码和频谱扩展使s - c d m a 技术增加了2 7 d b 抗干扰能力。由此可见，s - c d m a 技术还在信号处理增益、干扰 抑制和多路存取等方面具有优势。 s c d m a 技术是通过测距和均衡校正两个过程来完成同步的。测距过程确定 出每个用户端m o d e m 到前端的信号路径长度，距离前端较近的信号要比较远的 晚一些发送，以保证所有信号同时到达前端。此外，还要考虑温度变化对物理线 路带来的影响及线路老化等因素，因而测距算法应该是动态的、连续的、透明的。 均衡技术要求在每个发送端前置一个预编码器，测定出用户到前端的信道响 应h ( w ) 之后，调整预编码器，使其幅频响应j p ( ) 与信道响应成倒数关系，即 卷积编码 和 s c d m a 成帧器 交织器 ( a ) 发送端物理层 却m 寻愿m 卦露驸臻 ( b ) 接收端物理层 图2 5h f c 网络中采用s - c d m a 技术的上行物理层框图 h f c 网络中采用s c d m a 技术的上行发送端和接收端物理层框图如图2 5 所 示。图2 5 ( a ) 中，突发数据流先经过r s 编码、扰码，再进入s c d m a 的特定功 能块卷积编码和s - c d m a 成帧器及交织器。卷积编码器和符号映射器完成格 形编码调制( t c m ) 的功能。t c m 适合于具有加性高斯白噪声的环境，r s 编码适 于纠正突发错误。交织与卷积编码和r s 编码一起改善了扩频信道的噪声特性。而 第二章基于h f c 呐的双向业务传输系统概述 且如果图中阴影部分被旁通，则为t d m a 模式，可见该系统与现有的t d m a 系统 是兼容的。系统改进为s c d m a 方式，不仅因为这种技术的优点多，而且考虑到 目前电缆上高速数据传输的另外两个方案f d m a 和t d m a 有很大的局限性。 在t d m a 系统中，不同用户需要快速获取对应的不同时间片这使数据对窄 带干扰很敏感。当信噪比低于某极限值时，系统可能会中止工作。在f d m a 系统 中，各用户被分配在不同的频段上传输，由于每个用户占用一个特定的窄通道，窄 带干扰可能窜入用户通