1.7 数字有线电视网

1.7.1 简介

有线电视（Cable Television,CATV）网是目前中国三大通信网之一，由广播电视部门运营和管理。目前的主要业务是单向电视广播、声音广播和数据通信，CATV 网传输介质主要有光纤和同轴电缆。

有线电视网和通信网的取长补短、互相融合将减少重复投资，能够极大地提高设备与线路的利用率。对于通信业务，CATV网是个有利用潜力的网络，它有超过1GHz的带宽，且宽带直接连到末端用户，这是利用CATV网进行多媒体通信的优势。但是由于目前的CATV网是单向传输，并且该网络缺乏交换机制和网络安全管理的功能，使得通过CATV网提供双向对称/不对称业务非常困难。所以把现有的单向网络改造成双向网络，即在原有的树状广播网络中传输反向上行的信息，是利用CATV网实现多媒体通信业务的关键。目前人们颇为看重的光纤同轴混合（HFC）网络，就是传统CATV网的改造发展的结果。

下面我们介绍在CATV网上实现多媒体通信的方法。

1.7.2 光纤同轴混合网

光纤同轴混合（Hybrid Fiber Coax,HFC）网是在1988年提出来的。HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。

有线电视网中从头端到用户的网络经改造后成为HFC网，这是一个经济实用的宽带接入网。在这个接入网中不仅可接入有线电视，而且可以实现点播电视、远程教育、电视会议等交互式多媒体接入业务及Internet（包括IP电话）高速接入业务。

1.HFC网络结构

HFC网通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络3部分组成，从有线电视台出来的节目信号先变成光信号在干线上传输；到用户区域后把光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆送到用户。

CATV 网所使用的同轴电缆系统具有如下一些缺点。首先，原有同轴电缆的带宽对居民所需的宽带业务来说仍嫌不足。其次，同轴电缆每30m就要产生约1dB的衰减，因此每隔约600m 就要加入一个放大器。大量放大器的接入将使整个网络的可靠性下降，因为任何一个放大器出了故障，其下游的用户就无法接收电视节目。再次，信号的质量在远离头端处较差，因为经过了可能多达几十次的放大所带来的失真将是很明显的。最后，要将电视信号的功率很均匀地分布给所有的用户，在设计上和操作上都是很复杂的。

因此，HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术（见图1-25）。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤节点（Fiber Node），它又称为光分配节点（Optical Distribution Node,ODN）。在光纤节点光信号被转换为电信号。在光纤节点以下就是同轴电缆。一个光纤节点可连接1～6根同轴电缆。采用这种网络结构后，从头端到用户家庭所需的放大器数目也就只有4～5个，这就大大提高了网络的可靠性和电视信号的质量。

HFC网还要在头端增加一些功能，以便实现计费管理和安全管理，以及用选择性的寻址方法进行点对点的路由选择。此外，还要能适应两个方向的接入和分配协议。

HFC 网引入了节点体系结构（Node Architecture）的概念。这种体系结构的特点是：从头端到各个光纤节点用模拟光纤连接，构成星状网；光纤节点以下是同轴电缆组成的树状网。连接到一个光纤节点的典型用户数是500左右，最大不超过2 000。这样，一个光纤节点下的所有用户构成一个用户群（Cluster），或称为邻区（Neighborhood Area）。光纤节点与头端的典型距离为25km，从光纤节点到其用户群中的用户则不超过3km。

2.双向传输HFC网的实现

传统CATV网是一个具有树状拓扑结构的单向广播式网络，传输介质主要使用同轴电缆，采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。为了将交互式多媒体接入业务和 Internet高速接入业务引入CATV网，必须将现有的CATV网改造为一个双向传输的HFC网。

在HFC网络中，为了解决反向回传，一般在干线上采用两根光纤分别进行收发，而在同轴电缆分配网中采用频率分割法实现单根电缆上的收发，如图1-26所示。频谱通常安排如下：5～40MHz 用于上行（由用户至局端或头端）电信服务；50～500MHz 为下行 CATV，可传60～100路电视节目；550～750MHz为数字通道，其中200路用于点播电视，另200路为交互式数据业务；750MHz～1GHz留作个人通信之用。

在局端低速和高速的数据信号分别采用不同的调制方式变成模拟信号，连同原本是模拟的CATV信号一起，经电/光转换成为光波并通过光缆传输到设在路边或大楼的光节点，经过光/电转换后进入同轴电缆系统传输和分配给用户，其中CATV信号仍直接送到用户电视，低速数据（包括语音）经 Modem 解调分送给电话机和计算机，高速数字信号经机顶盒内高速Modem解调恢复，然后送入解码器解码得到视频信号。

上行信号在同轴网中以频分复用，在主干线段主要是用收发分开的双纤方式，送达局端。HFC网的上行信道频带为5～40MHz，约相当于500个64kbit/s，在交互业务的种类和数量较多的情况下，该信道会发生拥塞。

3.用户终端设备

每个家庭要安装一个用户接口盒（User Interface Box,UIB），它提供以下3种连接。

① 使用同轴电缆连接到机顶盒（Set-Top Box），然后再连接到用户的电视机。

② 使用双绞线连接到用户的电话机。

③ 使用电缆调制解调器（Cable Modem）连接到用户的计算机。

电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。电缆调制解调器的主要功能是在同轴电缆网络上传输从网络到用户及从用户到网络的高速数字信号。为了接收数字数据信号，下行方向电缆调制解调器必须将接收器调谐到550～750MHz 的一个6MHz 频带内。工业界选择QAM调制方式作为下行方向的调制技术。在上行方向，电缆调制解调器采用突发QPSK调制技术实现数字信号发送，利用5～40MHz的一个6MHz频带将信息传送到前端。

电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般为 3～10Mbit/s，最高可达30Mbit/s，而上行速率一般为0.2～2Mbit/s，最高可达10Mbit/s。

电缆调制解调器要有很好的抗干扰性能。在 HFC 网的上行频段正是无线电干扰和各种家电所产生的干扰较为集中的频段。此外，上行信号沿树状电缆向光纤节点传送时，噪声将不断地累积增大。许多厂商愿意采用正交相移键控（QPSK）作为上行信道中的调制手段，是因为QPSK具有良好的抗干扰性能。

电缆调制解调器的媒体接入控制（Medium Access Control,MAC）子层协议还必须解决上行信道中可能出现的冲突问题。产生冲突的原因是因为 HFC 网的上行信道是由用户群所共享的，而每个用户都可在任何时刻发送上行信息。这和以太网上争用信道是相似的。当所有的用户都要使用上行信道时，每个用户所能分配到的带宽就要减少。这在设计HFC网时应加以注意。

美国的有线电视实验室CableLabs制定的电缆调制解调器规约（Data Over Cable Service Interface Specifications,DOCSIS）的第一个版本DOCSIS 1.0已在1998年3月被ITU-T批准为国际标准。现在DOCSIS又有两个新的版本问世，即DOCSIS 1.1和DOCSIS 2.0。

1.7.3 通信应用

HFC网既是一种灵活的接入系统，同时也是一种优良的传输系统，HFC网把铜缆和光缆搭配起来，同时提供两种物理传输介质所具有的优秀特性。HFC网在向新兴宽带应用提供带宽需求上比光纤到路边（Fiber To The Curb,FTTC）等解决方案便宜得多。HFC网可同时支持模拟和数字业务。

基于HFC网的宽带接入技术充分利用现有的HFC网络资源，避免了网络的重复建设，有效地解决了网络布线的困难，降低了用户小区整体投资的成本。HFC网有充分的带宽资源可提供各种业务应用。这些业务按其类型可分为音频类、视频类及数字类等，是当前发展综合业务宽带接入网途径之一。同时，HFC网络还可为各智能子系统（如三表远传、安保等系统）提供数据通道，以实现整个小区网络布线的优化与集成。

目前，HFC 网在通信上的应用主要体现在接入上。用户通过电缆调制解调器经 HFC 网接入Internet，是当前Internet接入的一种重要手段。在未来，随着三网融合的推进以及下一代网络技术的发展，在有线电视网上还可以方便地提供电话等通信业务。