谈Cable Modem宽带接入技术

攀钢电视台 易维善

【主题内容】本文介绍了Cable Modem的工作原理，与前端CMTS控制设备之间的关系；执行的技术标准、接入方式及作用，最后还介绍了Cable Modem的频率配置和传输标准以及调试方法。

【关健词】电缆调制解调 四相相移健控

1．前言：

随有线电视宽带网传输新技术的不断发展，HFC多媒体双向传输技术日趋成熟，正向应用阶段发展，目前有线电视均采用HFC光纤电缆混合网传送模拟电视信号，要想达到传送数字电视信号的目的，就要对现在传输的信号进行宽带调制，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。在双向传输中，数据传输设备CMTS和Cable Modem在网络中占有主导作用。因此有必要对它在网络中所执行的技术标准、工作原理、电平的调整等方面问题作进一的了解和讨论。

2．Cable Modem和CMTS在宽带网中的作用

2．1. Cable Modem的作用

Cable Modem电缆调制解调器是通过HFC有线电视网络进行高速数据接入的设备，终端用户安装Cable Modem后即可在有线电视网络中进行数据双向传输，它具备较高的上、下行传输速率，用Cable Modem开展宽带多媒体综合业务，可为有线电视用户提供宽带高速Internet的接入、视频点播、各种信息资源的浏览、网上多种交易等增值业务。

2．1．1．Cable Modem的传输过程：

前端信号(包括自办节目)有从卫星、微波、开路接收的各套节目，也有从主干光纤网和其它台网联网过耒的节目，它们都将进入安排好的各路调制器中，经混合后的各路信号(模拟和数字数据信号)经光发射机送入HFC宽带网络中。

2．1.2.光发射机把电视信号转换成光信号，通过光纤媒体把光信号送到各光接收机，远端的光接收机把所收到的光信号还原成射频信号送入同轴电缆分配网，最终送到终端设备Cable Modem(CM)。CM将分离后的数据信号送到终端PC机，模拟电视信号送到用户电视接收机。

2．1.3.所有下行信号送到终端后，由用户计算机发出的回传数据信号先到终端设备CM，CM收到计算机的数据信号后，立即把数据信号调制成射频信号，经同轴电缆、集线器、双向放大器、回传光发射机，并将射频信号转换成光信号经光纤回传到前端的光接收机，光接收机将收到的光信号转换成电信号，通过与其它回路的信号混合后送回CMTS数据传输设备。用户即可通过CMTS设备与因特网连接，与其它主干光纤网、局域网和局域计算机网相连，通过CMTS(Cable Modem Termination System)电缆数据传输的前端设备进行数据交换，使用户实现交互式双向传输。CM数据在HFC网络中一般要占用频带为5─45MHz，50─750MHz中的上、下行两个频道才能完成双向传输工作。

2．2．Cable Modem与CMTS在宽带网中的应用

在HFC网络上利用 Cable Modem可实现理想的宽带接入，通过 Cable Modem能实现在线娱乐、VOD、电视会议、远程工作组以及局域网互联等各种宽带综合业务。

Cable Modem进行数据通信时主要由前端CMTS和终端Cable Modem组成，下行数据先进行射频调制，再用频分复用方式同模拟电视信号混合，然后经光调制后向各光节点传输，终端Cable Modem是用户设备与同轴网络的接口，Cable Modem备有以太网的标准接口，它可与单台PC机，也可与多台PC机或局域网相连接。Cable Modem负责接收下行数据，经解调后送到PC机，同时把上行信号进行射频调制，经光纤传向前端机房。

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），并且CMTS分配，一个服务标识时就对应一种服务类型，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。CM在系统中每个6—8MHz频率可提供高达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，它只在发送和接收数据的瞬间才占用网络的带宽，而其它时间并不占用网络的资源，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，当然在上网高峰期也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，这时网络就应考虑把CMTS推向各分中心或者光节点，可根据本网用户实际发展情况耒确定，因此HFC双向高速多媒体网络的设计应具备极强的弹性。随时满足用户的需求。

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，并进行上、下行数据之间的传输频率转换，HFC系统功能是否完善，完全取决于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。

3．Cable Modem与CMTS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象电视机信号一样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网络中进行传输的基本过程。

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（Reed — 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、帧标志符的识别或扦入、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，它不仅具备调制解调功能，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。

4．Cable Modem的传输标准和频率配置：

4.1.传输标准：

国际电联电信标准部99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 V1.0、DOCSIS V1.1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）的带宽中，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编码技术进行前向纠错，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。

4.2.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。

5.CMTS与Cable Modem之间的电平调整；

CM使用时，先要搜索一下自已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的受权，即可在受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的要求致关重要，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CMTS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±15dBμV，一般控制在60±5dBμv。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。

宽带网数据传输的建立主要由前端电缆数据传输设备(CMTS)和终端设备(CM)共同完成这项工作。HFC宽带网双向数据业务的传输实际上就是CMTS与CM之间的数据交换工作，它是按通信的规则和协议耒运行的，它们之间的信息传输协议，首先是初始化管理程序，这是CM终端设备开机后必须先与CMTS取得通信联络。

当CM开机后，前端CMTS就会发出数据信号，CM就会自动扫描找到数据频道，确定QAM调制的定时同步，锁定数据频道，CM从下行数据中获取传输下行数据的参数，还要获取上行频道数据调制方式、纠错格式和符号率，这时CMTS和CM之间即可通信，以上过程均是自动进行，无须用户操作。

CMTS与CM之间要建立正常的工作关系，上行电平的调式也是至关重要的，网络中的CM分散在点多面广线长的各个部位，并且CM与前端CMTS的远近距离又有一定差别，这样导致了CM送到前端数据传输设备(CMTS)的电平值差异较大，因此CM到CMTS的电平值是不一致的，如果CM到达CMTS的电平过高、过低都会使CMTS数据传输设备收不到CM送来的信号。一般讲CMTS都有一个标准的接收电平，网络调式时都要根据不同地点的CM位置向CMTS发送一个参考电平，若送来的电平经CMTS的标准接收电平比较低后，将产生的电平差值回传给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，确保数据传送正确，不出现超规范的误码率。

为了减少数字和模拟信号在系统中的相互干扰，一般把下行64QAM数字信号电平的设计比模拟信号载波电平低6—10dB。在实际应用中数字信号电平比模拟载波电平低10—15dB时，数字信号对模拟信号的C/N、CSO、CTB指标不会产生任何影响，系统误码率能达到10的-9次方，在设计和实际调试时，若数字信号电平低于15dB时，模拟信号的互调产物会明显影响数字信号的传输，使数字信号出现较高的误码率，如图象仃顿、中断或出现马赛克。如果采用256QAM数字信号调制方式，由于它比64QAM的抗干扰性强，因此数字电平设计时应比模拟信号载波电平低4—6dB。在回传信号时，因上行传输信号已远离模拟信号，由于回传存在上行“汇集噪声”干扰 问题，因此上行数字信号电平可取高些，这样可抑制外耒干扰的侵入，又可提高信噪比指标，达到克服上行 “汇集噪声”的目的。

CMTS数据传输设备的主要工作就是发送下行和接收上行数据信号，并能提供因特网和PC网、有线电视网的路由连接。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。

Cable Modem是用户终端接收设备，称为电缆调制解调器， 它可承载几个至几十个用户，也可为单独用户使用，它负责接收CMTS送来的下行数据信息，并将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相连的终端设备就是PC机，CM有内置和外置式两种。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。