電纜調制解調器

電纜調制解調器又名線纜調制解調器，英文名稱CableModem，它是近年隨着網絡應用的擴大而發展起來的，主要用於有線電視網進行數據傳輸。Cable Modem接入技術在全球尤其是北美的發展勢頭很猛，每年用户數以超過100%的速度增長，在中國，已有廣東、深圳、南京等省市開通了Cable Modem 接入。它是電信公司xDSL技術最大的競爭對手。在未來，電信公司陣營鼎力發展的基於傳統電話網絡的xDSL接入技術與廣電系統有線電視廠商極力推廣的Cable Modem 技術將在接入網市場（特別是高速Internet接入市場）展開激烈的競爭。在中國，廣電部門在有線電視（CATV）網上開發的寬帶接入技術已經成熟並進入市場。CATV網的覆蓋範圍廣，入網户數多（據統計，1999年1月全國範圍的有線電視用户已超過一億）；網絡頻譜範圍寬，起點高，大多數新建的CATV網都採用光纖同軸混合網絡（HFC網），使用550MHZ以上頻寬的鄰頻傳輸系統，極適合提供寬帶功能業務。電纜調制解調器（Cable Modem ）技術就是基於CATV（HFC）網的網絡接入技術。

CableModem與以往的Modem在原理上都是將數據進行調製後在Cable（電纜）的一個頻率範圍內傳輸，接收時進行解調，傳輸機理與普通Modem相同，不同之處在於它是通過有線電視CATV的某個傳輸頻帶進行調製解調的。而普通Modem的傳輸介質在用户與交換機之間是獨立的，即用户獨享通訊介質。CableModem屬於共享介質系統，其它空閒頻段仍然可用於有線電視信號的傳輸。

CableModem徹底解決了由於聲音圖像的傳輸而引起的阻塞，其速率已達10Mbps以上，下行速率則更高。而傳統的Modem雖然已經開發出了速率56Kbps的產品，但其理論傳輸極限為64Kbps，再想提高已不大可能。

CableModem也是組建城域網的關鍵設備，混合光纖同軸網（HFC）主幹線用光纖，光結點小區內用樹枝型總線同軸電纜網連接用户，其傳輸頻率可高達550/750MHz。在HFC網中傳輸數據就需要使用CableModem。

可以看出CableModem是未來網絡發展的必備之物，但是，尚無CableModem的國際標準，各廠家的產品的傳輸速率均不相同。因此，高速城域網寬帶接入網的組建還有待於CableModem標準的出台。 ^[1] 

纜線系統原本就是設計用來有效率地傳送電視節目至使用者的家中，為了確保消費者利用相同的電視機從纜線獲得的服務能和原本經由空中廣播的電視信號一樣，CATV業者必須在同軸電纜線再造一個射頻（Radio Frequency）頻譜（spectrum）。傳統的同軸電纜系統大約操作在330 MHz或450 MHz，然而混合光纖/同軸電纜（hybrid fiber/coax HFC）系統則可延展至750 MHz或以上理論上，下載視訊節目信號大約從50 MHz開始，大概是空中廣播電視的第二個頻道，而5 MHz到42 MHz的部份通常保留給消費者從家中上傳資料到頭端用。每一個標準的電視頻道佔用6 MHz (NTSC）或8 MHz (PAL）的射頻頻譜。所以一個典型的400 MHz同軸電纜系統可播放60(NTSC）或50 (PAL）個電視節目，而750 MHz下載頻寬的混合光纖/同軸電纜系統則可提供到125(NTSC）或90 (PAL）個電視頻道。 ^[2] 

利用纜線網路來傳送資料服務，我們會利用典型的電視頻道（50~750MHz的範圍）來傳送下行（Downstream）資料到使用者的家中及利用另一頻道（5~42 MHz頻帶）來傳送上行（Upstream）資料訊號；至於頻道的劃分可由有線廣播電視業者自行規劃。

纜線數據機頭端（HeadEnd）系統經由這些頻道和使用者家裏的纜線數據機（Cable Modem）連結通訊進而成為一個虛擬的區域網路（Virtual local area network）。大部份的纜線數據機（Cable Modem）是外部裝置，經由標準的10 Base-T 和個人電腦相連接。

纜線數據機（Cable Modem）存取網路操作在Open System Interconnect(OSI）參考模型的第一層（硬體層）及第二層（媒體存取控制層/邏輯連結層）。所以，第叁層（網路層）協定（如IP流量），可以在纜線數據機（Cable Modem）平台上傳送到使用者。

利用64QAM 技術，可在單一的電視頻道（NTSC 6MHz;PAL 8MHz）提供下行資料的速度到 30 Mbps ，亦可利用 256 QAM 將速度提升40Mbps。從用户端的上行通道可以利用 QPSK 或 16 QAM 調變技術，提供 320 Kbps 到 10 Mbps 的速度。上行和下的頻寬由連接到纜線網路區段上的使用者共享，通常一個纜線網區段會連接 500 至 5000 個家庭。

每一個個別纜線數據機 (Cable Modem) 的用户，可以使用不同的存取速率---- 128 Kbps ~ 幾 Mbps ，或者更高，而存取速度的快慢則可決於網路架構、網路上的流量、用户端電腦的處理能力，或是所需服務的品質等。

除了存取速率的優點外，纜線數據機 (Cable Modem) 提供另一項好處：永遠處於接通狀態。因為纜線數據機 (Cable Modem) 採用非連結性 (connectionless) 的技術，有點類似乙太網路，用户端的電腦永遠與網路相通，這意謂着使用者不必經由撥號的程序便能上線，也不必擔心忙線。

為了要進入高速網際網路服務市場，有線廣播電視業者必須建造一個點對點的IP網路在他們服務的社區，且必須提供數萬的用户端來做資料的存取。與其提供直接的網際網路服務，有線廣播電視業者可着重於提供高速的企業網路（Intranet）服務，理由如下：理想的話，所有有關的網站及資料庫，最好就在頭端附近。這種想法可經由Catching或將熱門網站的內容複製儲存在本地伺服器(local server）來達成。所以，當纜線數據機 (Cable Modem）用户存取頁，他將會以最高的速度被繞送到在頭端附近的伺服器，而不會進入擁擠的網際網路內.已經有不少的公司提供廣範的網路設備及系統整合服務給有線廣播電視業者，好讓他們能進入高速的網際網路服務的市場.

大多數的纜線數據機（Cable Modem）系統採取共享式存取平台，與辦公室裏的區域網路非常類似。因為纜線數據機 (Cable Modem）用户端共享可用頻寬，當網路上的使用者增加，則纜線數據機（Cable Modem) 使用者會看到效益越來越差。通常將的頻寬分配給200個使用者，每一個使用者會得到大約 135Kbps 的速度，乍看之下幾乎與 128Kbps 的 ISDN 相去不遠，其實不然。

因為纜線數據機 (Cable Modem）不像電路交換的電話網路，必須給定一個專屬的連結，使用者在上線期間不會佔據整個固定的頻寬。換言之，他們會互相供享網路資源，實際上只有在收到或傳送資料的時間內才會使用到頻寬。舉例來説，有 200 個使用者上線，原本每個使用者平均分配到 150 Kbps 的算法將被取代，成為他們在幾微秒的時間內攫取所有可用的頻寬來下載資料--可能每秒好幾百萬位元．

假如由於過高的使用率而造成的擁擠現象開始發生，有線廣播電視業者可以輕易地分配另外的 6 MHz (NTSC）或 8 MHz (PAL）的視訊頻道來作高速資料服務，依序增加頻道的使用。另一選擇可以區段分隔硬體纜線網路來增加頻寬。如此也可減少每個網路區段的家庭數，也增加可利用頻寬的總數給使用者。

中國擁有世界上最大的有線電視網絡。在中國有線電視網有兩大優勢：最後“一公里”帶寬很寬；覆蓋率高於電信網。電信網形成時，只是為了一個業務，那就是打電話，而打電話只要求64K的帶寬。所以整個網絡的設計也就僅侷限於這64K，包括入户的雙絞線。這樣一來，電信網的“最後一公里”就成了瓶頸，限制了網絡速度的提高。儘管電信採取了ISDN（綜合服務數字網）、ADSL（非對稱線性環路），可以做到10M、8M、6M，但在當前價位上提高的餘地不大。再往前走，成本將非常高。而CATV（有線電視）的同軸電纜的帶寬很容易可以做到800M，就帶寬需求而言，CATV網的最後“一公里”是暢通的。當然，由於有線電視網當初是用於廣播式的電視傳播，也就是説，是單向的，所以要用於電腦網絡，必須對現有的網絡前端和用户端進行改造，使之具有雙向傳輸功能。總的來説，有線電視網相對電信網絡具有以下優勢：

1）高傳輸速率；

2）線路始終通暢（不用撥號，沒有忙音）；

3）多用户使用一條線路（包括完整的電視信號）；

4）不佔用公用電話線；

5）提供真正的多媒體功能。

1）電纜調制解調器的速度

電纜調制解調器通過有線電視網絡進行高速數據傳輸，從網上下載信息的速度比現有的電話Modem快1000倍。通過電話線下載需要20min完成的工作，使用電纜調制解調器只需要12s。電纜調制解調器的速度範圍可以從500Kbit/s到10Mbit/s。

2）電纜調制解調器的傳輸模式

a.對稱式傳輸

所謂對稱式傳輸是指上/下行信號各佔用一個普通頻道8M帶寬，上/下行信號可能採用不同的調製方法，但用相同傳輸速率（2～10Mbit/s）的傳輸模式。在有線電視網裏利用5～30(42)MHz作為上行頻帶，對應的回傳最多可利用3個標準8MHz頻帶：500～550MHz傳輸模擬電視信號，550～650MHz為VOD（視頻點播），650～750MHz為數據通訊。利用對稱式傳輸，開通一個上行通道（中心頻率26MHz）和一個下行頻道（中心頻率251MHz）。上行的26MHz信號經雙向濾波器檢出，輸入給變頻器，變頻器解出上行信號的中頻（36～44MHz）再調製為下行的251MHz，構成一個邏輯環路，從而實現了有線電視網雙向交互的物理鏈路。

b.非對稱式傳輸

由於用户上網發出請求的信息量遠遠小於信息下行量，而上行通道又遠遠小於下行通道，人們發現非對稱式傳輸能滿足客户的要求，而又避開了上行通道帶寬相對不足的矛盾。

頻分複用、時分複用的配合加之以新的調製方法，每8MHz帶寬下行速率可達30Mbit/s，上行傳輸速率為512Kbit/s或2?048Mbit/s。很明顯，非對稱式傳輸最大的優勢在於提高了下行速率，並極大地滿足網上數以萬計的客户的應用申請，相對應的非對稱式傳輸的前端設備是較為複雜的，它不僅有對稱式應用中的數字交換設備，還必須有一個線纜路由器（Cable Router），才能滿足網絡交換的需要。而對稱式傳輸中執行的IEEE802.4令牌網協議在同一鏈路用户較少時還能達到設計速率，當用户達到一定數量時，其速率迅速下降，不能滿足客户多媒體應用的需求。此時，非對稱式傳輸就比對稱式傳輸有了更多更大的應用範圍，它可以開展電話、高速數據傳遞、視頻廣播、交互式服務和娛樂等服務，它能最大限度地利用可分離頻譜，按客户需要提供帶寬。

c.傳輸模式的選擇

很明顯，不同的用途，不同的範圍和規模，就應該注意選擇不同的傳輸模式和不同的產品。寫字樓、辦公樓、學校和小區主要是用網絡傳輸數據、資料以及Internet接入，那麼就選擇對稱模式的電纜調制解調器，而且該類產品易用、易維護、價格低廉。如果網絡結點設計合理的話（500個電視終端，200個數據用户），利用有線電視網，採用對稱式傳輸模式建立一個企業的Intranet通信平台也是可行的。

3）電纜調制解調器的種類

隨着電纜調制解調器技術的發展，出現了不少的類型。按不同的角度劃分，大概可以分為以下幾種。

a.從傳輸方式的角度，可分為雙向對稱式傳輸和非對稱式傳輸。

對稱式傳輸速率為2～4Mbit/s、最高能達到10Mbit/s。非對稱式傳輸下行速率為30Mbit/s，上行速率為500Kbit/s～2.56Mbit/s。

b.從數據傳輸方向上看，有單向、雙向之分。

c.從網絡通信角度上看，Modem可分為同步（共享）和異步（交換）兩種方式。同步（共享）類似以太網，網絡用户共享同樣的帶寬。當用户增加到一定數量時，其速率急劇下降，碰撞增加，登錄入網困難。而異步（交換）的ATM技術與非對稱傳輸正在成為電纜調制解調器技術的發展主流趨勢。

d.從接入角度來看，可分為個人電纜調制解調器和寬帶電纜調制解調器（多用户），寬帶電纜調制解調器可以具有網橋的功能，可以將一個計算機局域網接入。

e.從接口角度分，可分為外置式、內置式和交互式機頂盒。

外置電纜調制解調器的外形象小盒子，通過網卡連接電腦，所以連接電纜調制解調器前需要給電腦添置一塊網卡，這也是外置電纜調制解調器的缺點。不過好處是可以支持局域網上的多台電腦同時上網。電纜調制解調器支持大多操作系統和硬件平台。內置電纜調制解調器是一塊PCI插卡。這是最便宜的解決方案。但是也帶來了不便之處，首先，他只能用於桌上型電腦，MAC機和便攜機也可以使用，但是接口卡需要有不同的設計，由於技術或者管理上的原因，有些國家根本不能使用內置的cable modem。

交互式機頂盒的主要功能是在頻率數量不變的情況下提供更多的電視頻道。通過使用數字電視編碼（DVB），交互式機頂盒提供一個迴路，使用户可以直接在電視屏幕上訪問網絡，收發E-Mail等。CATV網上的加密，因為有線電視網屬於共享資源，所以電纜調制解調器需要具有加密和解密功能。當給數據加密時，電纜調制解調器對數據進行編碼和擾碼，使得黑客盜取數據沒那麼容易。當通過Internet發送數據時，本地電纜調制解調器對數據進行加密，有線電視網服務器端的電纜調制解調器對數據解密，然後送給Internet。接收數據時則相反，有線電視網服務器端的電纜調制解調器加密數據，送上有線網，然後本地電腦上的電纜調制解調器解密數據。與Netscape的Navigator和Microsoft的Internet Explorer的加密不同的是，電纜調制解調器只是在有線電視網兩端對數據加密/解碼，數據通過Internet時是不被加密的。

4）電纜調制解調器的標準

電纜調制解調器主要存在兩種不同的標準，一個是由美國有線電視運營公司成立的行業組織MCNS（多媒體線纜網絡系統）起草的、已被ITU批准的J112標準；還有一個是IEEE802.14，此標準正在制訂中。從技術上講IEEE802.14比ITU-J112先進。

5）電纜調制解調器的連接使用

電纜調制解調器與傳統的用電話線（標準雙絞線）連接電話和電腦調制解調器的情況稍顯複雜。最基本的有線電視網絡結構包括5個重要部分：前端設備、幹線系統、鄰近分配系統、入户系統和終端設備。首先你要把電纜調制解調器連接到牆上的電視插孔，再把電視機和電腦連接到電纜調制解調器。在有線電視網的另一端是電纜調制解調器終端系統（CMTS－Cable Modem Termination System），作為網絡前端。當然，安裝網卡時必須同時安裝TCP/IP協議。電話 Modem一般接在電腦的串行通訊口上。近10來年，串口一直是電腦的標準配置，但串口原本是用來作低速通訊的，不能支持電纜調制解調器這樣的高速設備。所以電纜調制解調器通過網絡適配卡與電腦相連。網卡插在PCI，ISA或PCMCIA插槽中。網卡提供的速度比串口快得多。

6）電纜調制解調器工作原理

電纜調制解調器從下行的模擬信號中劃出6MHz頻帶，將信號轉化為符合以太網協議的格式，從而與電腦實現通訊。用户需要給電腦配置以太網卡和相應的網卡驅動程序。同軸電纜中的6MHz頻帶被用來提供數據通訊。電視和電腦可以同時使用，互不影響。有線電視網絡實際運行過程。射頻信號在用户和前端之間沿同軸電纜上行或下行。上行和下行信號共享6MHz頻帶，但是調製在不同的載波頻率上以避免相互干擾。一般速率下行為10Mbit/s，上行速率為786Kbit/s。通過上下行協議及相應的軟硬件配置保證其通信質量。

有線電視前端在上行方向，電纜調制解調器從電腦接收數據包，把它們轉換成模擬信號，傳給網絡前端設備。該設備負責分離出數據信號，把信號轉換為數據包，並傳給Internet服務器。同時該設備還可以剝離出語音（電話）信號並傳給交換機。為實現上述功能，需要將單向有線電視網轉變成雙向光纖－同軸電纜混合網，以便實現寬帶應用。除了前端設備和現存的下行信號放大器外，還需要在幹線上插入上行信號放大器。

利用電纜調制解調器在有線電視混合光纜同軸網上傳送數據，用其做為互聯網的寬帶接入網是非常誘人的，有着良好的發展前景。原因是這種方法成本低、頻帶寬，是現有有線電視網寬帶技術發展的熱點。在美國有50個地方做試驗網，而像加州Ahome網已開始商業運行。在1996年12月舉行的96Westernshow有線電視大展上，有20家公司推出電纜調制解調器產品。一些大公司如DEC、Philips等採用多家公司的產品做系統集成服務，用HFC網做接入網的互聯網系統的操作支撐系統（OSS）軟件也已出現。總之，電纜調制解調器經過幾年的發展已開始進入實用期。已發展的、供家庭用户接入互聯網使用的電纜調制解調器大多是雙向不對稱的。一般來説，下行佔用一個NTSC 6MHz通道，採用64QAM調製提供高達30Mbit/s的傳送速率，而上行通道則在5～40MHz帶中選擇干擾較低的位置，佔用1～2MHz帶寬，用QPSK（或BPSK）調製提供500Kbit/s～2Mbit/s傳送速率，第一代電纜調制解調器的標準大致是這樣。典型產品如Motorola的Cybersurfr電纜調制解調器，下行30Mbit/s，上行786Kbit/s（佔用600kHz帶寬）。IBM則推出其雙向的Cableonline系統。它的下行速率為30Mbit/s，上行為2.5Mbit/s。這種電纜調制解調器輸入按照以太網協議連接用户，輸出為ATM信號，在前端可用ATM交換機進行交換，解決了對來自多個光結點的數據進行交換的問題。上行噪聲是影響電纜調制解調器性能的主要因素。為此不少公司在探索除QPSK(BPSK）以外的新的有高抗干擾能力的調製方法，在這方面1996年也有新突破。Terayon公司採用S-CDMA同步碼分多址法取得很好效果，這種電纜調制解調器能工作在一個由8個光結點連接3萬户居民的小區中，估計今後第二代電纜調制解調器會採用新的上行調製方法增強抗干擾能力。

中國正在建更大規模的HFC寬帶接入試驗網。863計劃通信主題也設立了全功能服務網課題。中國數據廣播中心與中國科學院科健集團合資成立的廣通聯數據廣播網絡有限責任公司主營推廣電纜調制解調器互聯網高速接入業務。

在從現有的窄帶接入技術向最終光接入解決方案進化的過程中，會有許多非常有生命力的過渡技術，其中，基於電話線的ADSL技術和基於有線電纜的Cable Modem技術是最有潛力的。

ADSL具有上下行速率不對稱的特性，因此其應用主要適用於為用户提供上網服務以及VOD點播等業務，而不適用於局域網互聯業務。提供因特網接入業務採用“ADSL+ATM/以太網”的方式。用户端配置ADSL遠端設備，局方配置DSLAM（ADSL局端設備），它們之間用普通電話雙絞線進行連接。ADSL遠端設備為用户PC機提供以太網接口，DSLAM通過ATM或快速以太網與ISP相連。通過該網絡，用户就可以實現寬帶接入因特網。DSLAM可以放置在ISP機房，通過接入網接入到ISP；也可以直接放置在ISP機房，與ISP接入平台利用局域網直接相連。利用ADSL提供VOD視頻點播業務則可以採用“ADSL+ATM”的方式。

Cable Modem也是一種上下行帶寬不對稱的技術，適合提供上網及VOD這兩種業務。其中，提供因特網接入業務可以採用“HFC+Cable Modem+以太網/ATM”的方式。局端需要配備一台HFC頭端設備，通過ATM或快速以太網與因特網進行互聯，並且完成信號的調製和混合功能。數據信號通過光纖同軸混合網（HFC）傳至用户家中，Cable Modem完成信號的解碼、解調等功能，並通過以太網端口將數字信號傳送到PC機。反過來，Cable Modem接收PC機傳來的上行信號，經過編碼、調製後通過HFC傳給頭端設備。

ADSL和Cable Modem兩種技術組網都能夠提供多種業務，並且都能夠基本滿足寬帶業務的需要。ADSL在帶寬上要低於Cable Modem，但是，利用Cable Modem和HFC進行組網在穩定性、可靠性、供電以及運行維護體制上都存在一些問題。此外，由於其網絡線路帶寬是共享的，在用户達到一定規模後實際上無法提供寬帶數據業務，用户分享到的帶寬是非常有限的。以下是筆者對這兩項技術進行的比較。

安全性。由於Cable Modem所有用户的信號都是在同一根同軸電纜上進行傳送的，因此有被搭線竊聽的危險。解決搭線竊聽問題首先要保護線纜，其次是要了解線路初始化過程中確立好的設置參數，後一點在技術上是難以解決的。而ADSL則不會有此問題。

可靠性。由於CATV是一個樹狀網絡，因此極容易造成單點故障，如電纜的損壞、放大器故障、傳送器故障都會造成整個節點上的用户服務的中斷。而ADSL利用的是一個星狀的網絡，一台ADSL設備的故障只會影響到一個用户。

穩定性。Cable Modem的前期用户一定可以享受到非常優質的服務，這是因為在用户數量很少的情況下線路的帶寬以及頻帶都是非常充裕的。但是，每一個Cable Modem用户的加入都會增加噪聲、佔用頻道、減少可靠性以及影響線路上已有的用户服務質量。這將是Cable Modem迫切需要解決的一大難題。ADSL則不會受接入網中用户數以及流量的影響。當然，如果DSLAM的出口帶寬小於所有用户可能需要的總帶寬，就會在高峯時間出現擁塞，但這時只要通過提高出口帶寬就可以解決這一問題。

兼容性。儘管Cable Modem與ADSL都已經出台了技術規範和標準，但是不同廠家的產品都還無法進行兼容，因此給市場擴大帶來一定的困難。

組網成本。在組網成本上，ADSL設備成本顯然高於Cable Modem，但是後者需要對HFC改造完成後才能夠應用。帶寬。這顯然需要更換所有不符合要求的同軸電纜。同時，要實現雙向的HFC需要更換有線電視網上使用的單向放大器，這一部分改造費用也是相當高的。 ^[3] 

線纜調制解調器是一種將數據終端設備（計算機）連接到有線電視網，以使用户能夠進行數據通信訪問Internet等信息資源的設備。隨着網絡應用的擴大，線纜調制解調器發展迅速，主要用於郵電電視網進行數據傳輸。其主要功能是將數字信號調製到射頻以及將射頻信號中的數字信息解調出來。除此之外，線纜調制解調器還提供標準的以太網接口，部分地完成網橋、路由器、網卡和集線器的功能，因此，它比傳統的PSTN調製器複雜得多。