2022/7/6北京邮电大学网络教育学院 1
宽带接入技术
第三章 混合光纤/同
轴电缆接入技术
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本章内容
混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
电缆调制解调器(Cable Modem)
HFC网络双向传输
HFC网络特点
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
混合光纤/同轴电缆网络(Hybrid Fiber-Coax
Network, HFC),是在传统的、以同轴电缆为传
输媒介的有线电视(CATV)网基础上发展而来的。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
CATV网
属单向分配型的网络。
同轴电缆
模拟和数字
视像
前端
枢纽
同轴电缆
同轴电缆
250~500户
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC网络
同轴电缆网络
•同轴电缆网络是一个典型的宽带网络,特别适合于传
输视频信号,同时还具有成本低、信号分配方便等优
点
•但电缆网络的传输衰耗比较大,在用于长距离、大容
量传输时需要借助于中继放大设备进行补偿,因此会
导致传输信噪比指标恶化,影响信号传输质量。
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HFC网络
引入线
同轴电缆
供电
线路延伸器
分支器
视像
数据
话音
前端
光纤
节点
宽带网关
光纤
节点
光纤
节点
250~500户
250~500户
干线网
分配网
混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC网络
干线网光纤传输
•光纤传输具有传输频带宽、传输衰耗小的优点;
•将光纤传输系统与同轴电缆用户分配网相结合,既能
够发挥光纤传输的优势,有效地解决电缆传输中的问
题,又可以充分利用同轴电缆网络接入方便和低成本
的特点,是一种传输速率高、传输质量好、成本低的
宽带接入混合网络。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC网络
拓扑结构:干线网星型结构,分配网
树型结构。
引入线:对应各种业务。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC网络
HFC网络兼具光纤传输和同轴电缆网络接入的优
点,并克服了传统有线电视网只支持单向、广播
型业务的局限性;
HFC网络可以支持的业务有,IP数据业务、模拟
广播电视业务、调频广播业务、数字广播电视业
务和交互视频业务,并保证各种不同业务之间不
产生相互影响。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统参考配置
ISU:综合业务单元
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统参考配置
HFC网络由光线干线网和同轴电缆分配网组成
•同轴电缆分配网实现用户接入功能;
•光纤干线网实现光节点与局端设备之间的信号传输。
光纤干线网
•承担业务信号的远距离传输,把来自局端设备的业务
信号传送到几千米甚至几十千米之外的各光节点或用
户区;
•光纤干线网一般是一个分配型网络,将局端设备中光
发射机产生的光信号传输、分配给各分配节点或用户
区。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统参考配置
同轴电缆分配网
•由电缆干线和分配网络构成;
•其作用是将光纤干线网送来的多路信号进行本地传输
和放大,再经信号分路传送至各个用户,使每个用户
都能获得规定质量和强度的业务信号。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统参考配置
在HFC网络中,各种业务信号均以副载波调制复
用方式传输;
上行和下行信号可以在不同的光纤中传输,也可
以采用波分复用方式在同一根光纤中传输;
当上下行信号采用粗波分复用方式传输时,下行
信号使用1550nm波长区,上行信号使用1310nm
波长区。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统功能模块
局端设备
光节点
综合业务单元(ISU)
供电节点。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统功能模块
局端设备
•位于HFC网络与业务节点(SNI)之间;
•主要功能
– 终结SNI功能;
– 支持SNI的测试与维护;
– 实现数据业务信号的复用;
– 完成下行信号的电光转换和上行信号的光电转换;
– 实现对下行各种业务射频信号的混合;
– 在上下行信号采用波分复用方式传输时,完成对下行信号的
混合与对上行信号的分离;
– 汇聚HFC各网元的管理信息。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统功能模块
光节点
•位于光纤与同轴电缆之间;
•主要功能
– 完成下行信号的光电转换和上行信号的电光转换;
– 在上下行信号采用波分复用方式传输时,完成对上行信号的
混合与对下行信号的分离;
– 提供管理信息通路;
– 在必要时,对同轴电缆网络的有源设备馈电。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
HFC系统功能模块
综合业务单元(ISU)
•位于HFC网络与用户终端之间;
•主要功能
– 向各种业务的用户终端提供相应的用户网络接口(UNI);
– 支持UNI的测试与维护,并向网管报告相关信息;
– 实现数据业务信号的复用;
– 终结数据业务信号的射频信号。
供电节点
•供电节点主要负责向光节点和双向放大器供电,必要
时也可为同轴电缆上的分配节点和ISU供电。
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混合光纤/同轴电缆网(HFC)概述
调制技术
HFC网络的局端设备和ISU一般采用相同的调制技
术;
YD/T 1063-2000建议选用以下调制技术中的一种
•下行数据业务采用256QAM或64QAM调制技术;
•上行数据业务采用QPSK或16QAM调制技术。
在实际网络中,根据所传送业务的速率要求与传
输带宽实际情况,也可采用更高效率的调制技术。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
电缆调制解调器(Cable Modem, CM)是在混合
光纤/同轴电缆(HFC)网络上提供双向IP数据传输
的用户端设备。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
系统结构
用户设备
广域网
WAN
PSTN
HFC网
本地
服务器
局端交
换机或
传输适
配器
电话回传
访问集线器
安全性与
访问控制器
CMTS CableModem
CMTS
网络接口
CMTS RF
接口
操作支持
系统接口
OSS
Cable Modem
电话回传接口
电话线
CableModem
RF接口
与用户接口
DS1or
DS3
图 HFC的数据通信系统
安全系统接口
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电缆调制解调器(Cable Modem)
系统结构
CMTS是Cable Modem的终结系统,采用10BASE-T,
100BASE-T等接口通过交换型HUB与外界设备相联,通过
路由器与Internet连接,或者可以直接联到本地服务器。
电缆调制解调器(Cable Modem)是HFC数据通信系统中
的一个重要部件,它可以使人们获得高于电话Modem几百
倍的接入速度。
CM(Cable Modem)是用户端设备,放在用户的家中,通
过10BASE-T接口,与用户的计算机相联。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
根据我国通信行业标准《接入网技术要求—电缆调
制解调器(CM)》(YD/T 1076-2000)建议,
在HFC网络上进行双向IP数据传输的网络配置如下
图所示 。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem工作原理
Cable Modem内部结构
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem工作原理
Cable Modem内部结构
•电缆调制解调器(CM)的基本功能是实现数据业务的
双向传输;
• CM内部有上下行两条传输通道
– 上行传输通道的数据信号来源于用户终端设备,经MAC处理、
数据编码、差错控制编码和调制后传送至HFC网络;
– 下行传输通道的数据信号来源于HFC网络,经解调、差错控
制解码和数据成帧后传送至用户终端设备。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem工作原理
电缆调制解调器(CM)工作过程
•下行链路
– 通过内部的双工滤波器接收来自HFC网络的射频信号,此时
滤波器允许下行射频信号通过,而滤除下行射频信号频带以
外的其它信号;
– 将下行射频信号其送至解调器进行解调,HFC网络下行信号
采用的调制方式主要是256QAM或64QAM调制,下行链路的
解调器可以兼容这两种解调方式;
– 下行信号经解调后送至交织/FEC模块进行去交织和FEC纠错
处理,再送至数据成帧模块形成数据帧,最后通过网络接口
卡(Network Interface Card,NIC)传送至用户终端设备。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem工作原理
电缆调制解调器(CM)工作过程
•上行链路
– 用户的访问请求先由媒质访问控制(MAC)模块中的访问协议
进行处理,系统局端接纳访问申请后,用户终端产生上行数
据;
– 上行数据经由网络接口卡(NIC)送至上行通道,先在数据编码
器中对数据进行编码,再经交织/FEC模块进行信号交织处理
和FEC差错控制编码,然后送入调制器进行调制;
– 上行链路通常采用QPSK或16QAM调制技术,调制器输出的已
调信号通过双工滤波器送至HFC网络,此时滤波器允许上行
射频信号通过,而滤除上行射频信号频带以外的其它信号。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem应用
Cable Modem的应用,可以使HFC网络实现双向、
多业务接入传输。但在不同传输方式和不同业务
接入环境中,对Cable Modem的要求也不同。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem应用
根据常见应用需求和使用场合,Cable Modem通
常分为以下五种类型
•双向对称式传输和非对称式传输;
•单向Cable Modem和双向Cable Modem。
•同步(共享)和异步(交换)两种方式
•个人Cable Modem(单用户)和宽带Cable Modem
(多用户;
•分为外置式、内置式和交互式机顶盒。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem与ADSL Modem的比较
Internet接入应用比较
Cable Modem/HFC的典型Internet接入
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem与ADSL Modem的比较
Internet接入应用比较
ADSL Modem的典型Internet接入
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem与ADSL Modem的比较
接入性能比较
•传输通路
– Cable Modem下行通路一般提供最高到36Mbit/s传输速率,
可以由500~2000个用户共享;上行通路的传输速率最大为
– ADSL Modem工作方式为点对点通信,不能共享带宽。
•吞吐量
– 当接入的用户数量增加导致吞吐量剧增时,Cable Modem的
业务将受损。
– ADSL Modem由一个用户专用,有限的上行带宽不能进行视
频电话传输。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem与ADSL Modem的比较
接入性能比较
•业务性能
– Cable Modem能够通过合理的流量控制来处理恒定比特率
(CBR)、可变比特率(VBR)和可用比特率(ABR)业务。
– ADSL也可以处理CBR、VBR和ABR业务,对ABR业务是点对点
连接,因此不会有Cable Modem的限制。
•可靠性
– 在Cable Modem应用中,CATV是一个树型网络,极容易造成
单点故障,使这条线上用户的使用中断;同时,每个新加的
用户都会在上行通路产生噪声,从而降低可靠性。
– ADSL采用的是星型网络,ADSL Modem按点对点的方式工作,
其故障只影响一个用户。
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电缆调制解调器(Cable Modem)
Cable Modem与ADSL Modem的比较
接入性能比较
•安全性
– 在Cable Modem 应用中共享媒质环境,容易产生线路误用、
窃听和业务盗窃现象;特别需要保护线缆,增强加密和认证
功能。
– ADSL接入不易发生窃听现象。
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HFC网络双向传输
双向传输方式
所谓双向传输就是实现双工通信,这是提供交互
式通信业务的基本要求。
对于HFC网络来说,从前端至用户的传输为下行
传输,从用户至前端的传输为上行传输。解决
HFC网络双向传输的重点就在于上行传输的实现
方式和性能。
实现双向传输的主要方式有三种:频分双工、时
分双工和空分双工。
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HFC网络双向传输
频分双工
频分双工传输方式是用不同的载波频率分别传送
上行信号和下行信号,这是在HFC双向传输网络
中采用的主要方式。
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HFC网络双向传输
时分双工
时分双工传输方式利用时分复用技术对上、下行
信号进行分离,把传输时间划分为若干个传输时
隙,分时交替传输上下行信号 。
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HFC网络双向传输
空分双工
空分双工采用不同的传输线路分别传输上、下行
信号,是将上、下行传输信号在物理空间上进行
分离。
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HFC网络双向传输
空分双工
在光纤传输系统中,多采用这种方式实现双向传
输,利用两芯光纤分别传送上行信号和下行信号;
但在电缆网络中,由于成本较高,一般不采用这
种方式。
空分双工双向传输方式的优点是技术简单,且上
下行信号之间不存在干扰问题。
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HFC网络双向传输
根据HFC网络的具体特点,在光纤干线网中多采用
空分双工传输方式,而在同轴电缆分配网中采用频
分双工传输方式。
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HFC网络双向传输
双向HFC传输网络
HFC频谱分配
• HFC采用副载波频分复用方式,将各种视频、数据和
话音信号通过调制进行频带分配,实现上述多种业务
信号同时在同轴电缆上传输;
•根据不同的协议标准,HFC频谱分配方案也有不同,
比较常用的是根据YD/T 1063-2000和标准
规定的频谱分配方案。
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HFC网络双向传输
双向HFC传输网络
HFC频谱分配
•在YD/T 1063-2000标准中,规定了对于1000MHz带宽
的HFC网络,可用传输频带范围是5~1000MHz。
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HFC网络双向传输
双向HFC传输网络
HFC频谱分配
•频谱划分为上下行两个传输通道
– 上行通道使用5~65MHz频段;
– 下行通道使用87-1000MHz频段;
– 65~87MHz之间是上下行通道之间的过渡带。
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HFC网络双向传输
双向HFC传输网络
HFC频谱分配
•上行通道占用60MHz带宽,用来传送上行业务,如话
音及用户请求/控制信号等控制信息等;
•下行通道占用913MHz带宽,用于传送下行广播业务、
模拟/数字视频业务和数据业务,其中87~108MHz频段
用于广播业务,110~1000MHz频段用于传送模拟电视、
数字电视和数据业务;
• YD/T 1063-2000建议在606~862MHz频率范围内传送
下行数据业务。
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HFC网络双向传输
双向HFC传输网络
HFC频谱分配
• 规定了750MHz频率范围的HFC网络频谱分
配方案
– 5~45MHz为上行通道;
– 50~750MHz为下行通道,50~450MHz用于传输模拟信号传
输,450~750MHz用于数字信号传输。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
实现HFC网络的双向传输,关键在于建立上行通
道。
HFC上行通道中使用的传输接入方式主要有三种
•时分多址
•频分多址
•码分多址
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
时分多址
•在HFC网络中,由于上行信道频带有限,因此需要采
用频带利用率高的调制方式,如QPSK和64-QAM。
• QPSK调制
– 可在频带内设置24个通道,或在2MHz频带内设置30
个通道。也就是将2ms的帧时长分成24或30个时隙,为每个
调制器分配一个时隙,同时每个时隙上设有频带保护间隔。
对于时长为2ms的帧信号,如果频带保护间隔为50%,传输
速率为
。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
时分多址
• 64-QAM调制
– 理论上可以构成一个25MHz带宽、信噪比为28dB的上行信道,
其传输速率可达233Mbit/s,相当于3643个64kbit/s传输通道。
– 实际应用中,传输速率一般只能达到25106QAM符号/秒。当
频带利用率为1bit/sHz时,上行信道容量为25Mbit/s,相当
于390个64kbit/s传输通道;当频带利用率为4bit/sHz时,可
支持1560个64kbit/s传输通道;如果频带利用率达到
8bit/sHz,则可支持2340个64kbit/s传输通道。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
频分多址
•在频分多址方式中,各路信号在相同时间内使用不同
载波频率传输;
•为了提高传输质量和传输效率,需要采用采用高调制
效率和传输质量的调制方式,其中OFDM是优选调制技
术。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
频分多址
• OFDM采用分块调制解调方法,一个前端调制器可由多
个用户共用。
•通常一个前端调制解调器能处理1MHz宽带,标定500
个子通道,可承载60个64kbit/s传输通道,每个用户可
使用一个2kHz子通道集。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
码分多址
• 在码分多址方式中,以指定传送码组来区分用户,码组之间相互
正交。
• 发送端
– 所有调制解调器共用一个载波信道,每个调制解调器用不同的伪随
机码序列对传输信号进行调制。
• 接收端
– 每个接收机对本机振荡器进行设置,使其输出与指定伪随机码序列
同步的信号,当接收到由指定伪随机码序列调制的传输信号时,即
可将其解调;
– 而对那些由非本机指定伪随机码序列调制的传输信号,则被抑制。
这就是相关解调,这种解调方式可以有效地从强干扰中检测出有用
信号。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
抗干扰能力
•在多路传输过程中,采用不同的复用方式其抗干扰能
力亦不同。
•功率补偿
– 信号传输过程中,其峰值功率受限(门限),以避免发生信
号失真。
– 在TDMA传输方式下,传输信号的峰值功率可以达到门限;而
其它复用方式中,由于是多路信号共用一条线路,传输信号
的功率和峰值须小于门限;
– 因此,除TDMA外采用以其它复用方式传输信号时,均须考虑
7~12dB的功率补偿。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
抗干扰能力
•抗多路信号干扰能力
– 在CDMA方式中,多个码组在同一信道内传输,码组之间会产
生相互干扰;
– 在TDMA和FDMA方式中,经过合理设计,相邻时隙或相邻频
道间的信号干扰可以忽略不计。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
抗干扰能力
•抗回波干扰能力
– FDMA方式具有很强的抗回波干扰能力,无码间干扰;
– 在CDMA方式中,当保证回波信号与正向传输信号之间有足够
的时延时,也可消除码间干扰;
– TDMA方式容易受回波干扰影响。由于不同的返回信道对均衡
要求不同,因此在TDMA方式中对均衡器的响应速度要求很高,
导致其控制过程变得复杂。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
抗干扰能力
•抗窄带干扰能力
– 窄带干扰信号影响的频带范围有限,只能干扰到一个或少数
几个频道信号,因此 FDMA对窄带干扰具有一定的抵抗能力;
– CDMA接收端要对接收到的信号进行频谱扩展,扩频后窄带干
扰变成了宽带干扰,但带内干扰强度明显下降,因此对干扰
有一定的抑制作用,同时导致系统容量受到影响。
– TDMA方式受窄带干扰影响最大,当窄带干扰大到一定程度时,
将不能正常传输信号。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
抗干扰能力
•抗脉冲干扰能力
– 脉冲干扰通常只影响局部的传输码流,因此在TDMA方式中,
采用适当的信道编码就可以消除脉冲干扰的影响;
– FDMA对于强度不太大的脉冲干扰具有较强的抗击能力,但如
果遇到强脉冲干扰,将会影响到所有传输信道,导致大量传
输差错;
– CDMA的接收方式把脉冲干扰转变为宽带干扰,对大范围频段
产生影响,因此所有CDMA用户都会受到一些影响。
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HFC网络双向传输
HFC上行通道关键技术
在HFC网络中,上行信道对于复用调制方式的选
择需根据网络中的干扰源类型和强弱而定。通常
较多采用TDMA和FDMA方式,CDMA方式多用于
无线网络中。
在一些特定情况下,也可采用TDMA与FDMA相结
合的方式,这种方式可以显著提高上行信道的抗
干扰能力。
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HFC网络特点
HFC网络技术特点
HFC网络优点
•成本低。可充分利用已有的同轴电缆用户网络,提供
方便、灵活的宽带业务接入;
•传输频带宽,能适应未来较长一段时间内宽带业务的
增长需求,并易于向光纤接入网演进;
•特别适合视频业务的传输接入,弥补了其它形式接入
网提供视频业务的不足;
•与铜线接入网相比,HFC网的运营、维护、管理费用
相对较低。
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HFC网络特点
HFC网络技术特点
HFC网络缺点
• HFC网络中的同轴电缆网络原本是一个单向传输系统,
要支持具有双向传输要求的话音和数据业务,需要进
行双向传输改造;
•话音业务信道有限,难于扩容;
•网络拓扑结构须进一步改进,以提高网络可靠性;
•成本虽然低于光纤接入网,但如要取代现有的铜线网
络也将需要很大投资。
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HFC网络特点
HFC网络中的噪声
由于HFC网络中的同轴电缆分配网是“树”型结
构,因此上行信道的噪声是每条同轴电缆支路的
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,这种现象称为噪声的“漏
斗效应”。
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HFC网络特点
HFC网络中的噪声
HFC网络中噪声类型
•窄带噪声(侵入噪声)
– 是外部窄带射频信号进入或泄漏到电缆分配系统中的结果,
也称为侵入噪声;
– 频带范围为5~30MHz,与上行信道的频带重合,影响较大。
•冲击噪声
– 主要是由50Hz的高压线和其他电器及大量静电放电引起的,
连接器松动也会产生冲击噪声。
– 冲击噪声频带范围为60Hz~2MHz,其频谱不在上行信道的频
带范围内,但其强度大,产生的各次谐波对上行信道会产生
影响。
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HFC网络特点
HFC网络中的噪声
HFC网络中噪声类型
•突发噪声
– 突发噪声和冲击噪声相似,但持续时间更长。
– 是双向电缆系统的主要问题,也是最主要的峰值噪声源。
•共模失真噪声
– 主要是由信号传输设备的非线性所引起,在上行信道中呈离
散的噪声尖峰;
•交流声调制
– 50Hz交流电源经过供电设备耦合到信号的包络中,在传输信
号中产生幅度调制。
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HFC网络特点
HFC网络中的噪声
HFC网络中噪声类型
•本地干扰噪声
– 用户住宅内在使用各种电器时,会产生频率在30MHz以下的
干扰噪声,经耦合进入上行信道,便会形成上行干扰噪声。
•热噪声
– 也称白噪声,是由75Ω终端阻抗的随机热噪声产生的。
•微反射
– 发生在传输媒质的不连续处,导致部分信号能量被反射。。
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HFC网络特点
HFC网络中的噪声
HFC网络中噪声类型
•窄带噪声是HFC网络中引起传输损伤的主要原因;
•此外还有相位噪声和频率偏移、来源于不理想的设备
响应、放大器中的限幅效应、光纤节点的激光发射机
非线性和头端的激光接收机非线性等引起的噪声。
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HFC网络特点
抑制噪声方法
从网络设计上减小上行信道噪声的产生和积累;
通过增加同轴电缆用户分配网的屏蔽,衰减入侵
的噪声;
从施工操作的规范化上把好关,降低因线缆、设
备接续不佳而引起噪声的可能性。
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本章小结
1、光纤/同轴电缆混合网络(Hybrid Fiber-
Coaxial, HFC)是将光纤传输系统与同轴电缆用户
分配网相结合,将光纤传输大容量、高质量的优势
与同轴电缆网络接入的灵活与低成本的特点相结合,
形成一种传输速率高、传输质量好、成本低的宽带
接入混合网络。
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本章小结
2、在有线电视(CATV)网络内添置电缆调制解调
器(Cable Modem)后,就可以实现视频业务以
外的信号接入,不仅可以提供高速数据业务,还能
支持电话业务。
对于电缆调制解调器(Cable Modem)的要求是
不仅能够实现双向传输,同时也需要扩大传输容
量。
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本章小结
3、HFC网络中的双向传输问题,根源在于解决同轴
电缆分配网的上行传输通道问题。
实现双向传输的主要方式有三种:频分双工、时
分双工和空分双工。
HFC网络采用频分复用方式,将各种视频、数据
和话音信号通过调制进行频带分配,实现上述信
号多种业务信号同时在同轴电缆上传输。