Cable MODEM,Cable MODEM的原理是什么?

Cable MODEM,Cable MODEM的原理是什么?

modem的概念

我們常說的Modem，其實是Modulator（調(diào)制器）與Demodulator（解調(diào)器）的簡稱，中文稱為調(diào)制解調(diào)器。也有人跟據(jù)Modem的諧音，親昵地稱之為“貓”。我們知道，計算機內(nèi)的信息是由“0”和“1”組成數(shù)字信號，而在電話線上傳遞的卻只能是模擬電信號。于是，當兩臺計算機要通過電話線進行數(shù)據(jù)傳輸時，就需要一個設(shè)備負責數(shù)模的轉(zhuǎn)換。這個數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是我們這里要討論的Modem。計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先由Modem把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號，這個過程稱為“調(diào)制”。經(jīng)過調(diào)制的信號通過電話載波傳送到另一臺計算機之前，也要經(jīng)由接收方的Modem負責把模擬信號還原為計算機能識別的數(shù)字信號，這個過程我們稱“解調(diào)”。正是通過這樣一個“調(diào)制”與“解調(diào)”的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)了兩臺計算機之間的遠程通訊。

modem的分類

一般來說，根據(jù)Modem的形態(tài)和安裝方式，可以大致可以分為以下四類：

1、外置式Modem

外置式Modem放置于機箱外，通過串行通訊口與主機連接。這種Modem方便靈巧、易于安裝，閃爍的指示燈便于監(jiān)視Modem的工作狀況。但外置式Modem需要使用額外的電源與電纜。

2、內(nèi)置式Modem

內(nèi)置式Modem在安裝時需要拆開機箱，并且要對中斷和COM口進行設(shè)置，安裝較為繁瑣。這種Modem要占用主板上的擴展槽，但無需額外的電源與電纜，且價格比外置式Modem要便宜一些。

3、PCMCIA插卡式Modem

插卡式Modem主要用于筆記本電腦，體積纖巧。配合移動電話，可方便地實現(xiàn)移動辦公。

4、機架式Modem

機架式Modem相當于把一組Modem集中于一個箱體或外殼里，并由統(tǒng)一的電源進行供電。機架式Modem主要用于Internet/Intranet、電信局、校園網(wǎng)、金融機構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)的中心機房。除以上四種常見的Modem外，現(xiàn)在還有ISDN調(diào)制解調(diào)器和一種稱為Cable Modem的調(diào)制解調(diào)器，另外還有一種ADSL調(diào)制解調(diào)器。

另外modem還可分為內(nèi)置式和外置式，兩者各有利弊，選用時可根據(jù)各自的需要而定。

modem的工作原理

調(diào)制解調(diào)器由發(fā)送、接收、控制、接口、操縱面板及電源等部分組成。數(shù)據(jù)終端設(shè)備以二進制串行信號形式提供發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)接口轉(zhuǎn)換為內(nèi)部邏輯電平送入發(fā)送部分，經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制成線路要求的信號向線路發(fā)送。接收部分接收來自線路的信號，經(jīng)濾波、反調(diào)制、電平轉(zhuǎn)換后還原成數(shù)字信號送入數(shù)字終端設(shè)備。

電話線可以使通信的雙方在相距幾千公里的地方相互通話，是由于在每隔一定距離都設(shè)有中繼放大設(shè)備，保證話音清晰。在這些設(shè)備上若再配置Modem，則能通電話的地方就可傳輸數(shù)據(jù)。一般電話線路的話音帶寬在300～3400Hz 范圍，用它傳送數(shù)字信號，其信號頻率也必須在該范圍。常用的調(diào)制方法有三種:頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK) 、相位幅度調(diào)制(PAM)。Modem通常有三種工作方式:掛機方式、通話方式、聯(lián)機方式。電話線未接通是掛機方式;雙方通過電話進行通話是通話方式;Modem已聯(lián)通，進行數(shù)據(jù)傳輸是聯(lián)機方式。

數(shù)模轉(zhuǎn)換的調(diào)制方法也有三種:(1)頻移鍵控(FSK)。用特殊的音頻范圍來區(qū)別發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。如調(diào)頻ModemBell-103型發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的二進制邏輯被指定的專用頻率是:發(fā)送，信號邏輯0、頻率1070Hz，信號邏輯1、頻率1270Hz;接收，信號邏輯0、頻率20 25Hz，信號邏輯1、頻率2225Hz。(2)相移鍵控(PSK)，高速的Modem常用四相制，八相制，而四相制是用四個不同的相位表示00、01、10、11四個二進制數(shù)，如調(diào)相ModemBell-212A型。該技術(shù)可以使3 00bps的Modem傳送600bps的信息，因此在不提高線路調(diào)制速率僅提高信號傳輸速率時很有意義，但控制復雜，成本較高，八相制更復雜。(3)相位幅度調(diào)制(PAM)，為了盡量提高傳輸速率，不提高調(diào)制速率，采用相位調(diào)制和幅度調(diào)制結(jié)合的方法。它可用16個不同的相位和幅度電平，使1200bps的Modem傳送19200bps的數(shù)據(jù)信號。該種Modem一般用于高速同步通信中。

調(diào)制解調(diào)器通電后，通常先進入掛機方式，通過電話撥號撥通線路后進入通話方式，最后通過Modem的"握手" 過程進入聯(lián)機方式。正常使用時，由使用者通過控制電話機或Modem前面板的按鍵、內(nèi)部開關(guān)實現(xiàn)三種方式間的轉(zhuǎn)換。

調(diào)制解調(diào)器與計算機連接是數(shù)據(jù)電路通信設(shè)備DCEDataCircutterminatingEquipme nt)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE(DataTerminalEquipment)之間的接口問題。DCE與DTE之間的接口是計算機網(wǎng)絡(luò)使用上的一個重要問題。任何一個通信站總要包括DCE與DTE，因此確定一個統(tǒng)一的標準接口，特別是對公用數(shù)據(jù)網(wǎng)有重要的意義。數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE是產(chǎn)生數(shù)字信號的數(shù)據(jù)源或接收數(shù)字信號的數(shù)據(jù)宿，或者是兩者的結(jié)合，像計算機終端、打印機、傳真機等就是DTE。將數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE與模擬信道連接起來的設(shè)備就叫數(shù)據(jù)電路通信設(shè)備DCE，像Modem就是DCE。DTE與DCE之間的連接標準有CCITTV.10/X.26，與EIARS-423-A兼容，是一種半平衡電氣特性接口普通的Modem通常都是通過RS-232C串行口信號線與計算機連接。

Cable Modem的概念與原理

CABLE MODEM是在有線電纜上使用的調(diào)制解調(diào)器。

不管是傳統(tǒng)MODEM，還是CABLE MODEM，原理都差不多，只不過CABLE MODEM 使用的是一種稱為QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的傳輸方式。而這種QAM傳輸方式則是針對模擬式RF的網(wǎng)絡(luò)所發(fā)明的最有效的數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸方式。

一般來講，我們利用有線電視網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會將數(shù)字數(shù)據(jù)放在模擬的載體上，是以典型的NTCS 頻道的大小來傳送，其帶寬大約為6MHZ。而QAM則使用了混合了振幅及相位的載體，讓最小的空間中能放入更多的數(shù)據(jù)。當振幅及相位在混合使用之后，就可以表現(xiàn)出不同的0與1值，這就是電腦能識別的數(shù)字信號。

CABLE MODEM 使用的數(shù)據(jù)傳送方式有16-QAM、64-QAM和256-QAM等。QAM前面的數(shù)字代表在轉(zhuǎn)換群組(所謂轉(zhuǎn)換群組，就是相位及振幅的特殊組合)中的點數(shù)，也就是值或等級。如果CABLE MODEM 在下傳數(shù)據(jù)時的速度是64-QAM，最大速度為30Mbit/s，則256-QAM就是40Mbit/s/。但由于一般的CABLE MODEM 在傳輸數(shù)據(jù)時，都必須留下一些帶寬用于返回錯誤信息(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)，因此剩下的帶寬大約為27Mbit/s 及36Mbit/s。

我們在使用CABLE MODEM傳輸數(shù)據(jù)時，利用的是現(xiàn)有的有線電纜中的某一個頻道，目前使用較多的是同軸電纜，可將整個電纜劃分為三個寬帶。分別用于CABLE MODEM 數(shù)字信號上傳、數(shù)字信號下傳及電視節(jié)目模擬號下傳。一般同軸電纜的帶寬為5～750MHz，數(shù)字信號上傳為5～42MHz，模擬信號下傳為50～550MHz，數(shù)字信號下傳則是550～750MHz。這樣一來，數(shù)字數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)就不會互相沖突，當然可以同時傳送了。這也就是為什么在上網(wǎng)的同時還可以收看電視節(jié)目的原因。

就像電視節(jié)目是以頻道來區(qū)分一樣，CABLE MODEMCABLE 的數(shù)據(jù)傳送也是用一個個頻道區(qū)分的。前面提到的27Mbit/s 或是36Mbit/s位，都是指一個頻道所能達到的最高速率，如果嫌速度不夠快，大同再增加新的頻道，此時速度就會立即上升一倍。這也是CABLE MODEM 的最大優(yōu)點之一。

CABLE MODEM在上傳的時候，除了使用一般的16-QAM方式之外，還可能使用QPSK的方式，不管是使用16-QAM還是使用QPSK，其速度最快是在768kbit/s～10Mbit/s，因此造成了CABLE MODEM 上傳比下載慢的特性。而在使用單向傳送時，上傳的速度只能達到33.6Kbit/s(即一般的調(diào)制解調(diào)器上傳速度)。

單、雙向服務(wù)

對于CABLE MODEM還有一個“單向”及“雙向”服務(wù)的特殊概念。眾所周知，網(wǎng)絡(luò)當然不光是用來下載數(shù)據(jù)，很多時候我們需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到因特網(wǎng)上，比如發(fā)送電子郵件等，只不過通常下載的時候要遠比上傳的時候多。如此一來，一部CABLE MODEM 除了要將從同軸電纜上傳過來的模擬數(shù)據(jù)變成數(shù)字數(shù)據(jù)之外，還必須將電腦的數(shù)字數(shù)據(jù)變成模擬數(shù)據(jù)并從同軸電纜中傳出去。

由于機房(即CMTS)的設(shè)備和用戶端(CM)的能力有所不同，用戶的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)能力要比機房差，因此上傳時的速度無法和下載相比，再加上上傳的帶寬比較窄，所以從整體的速度上說一定比下載時慢。不過由于上傳的數(shù)據(jù)量一般不會太大，因此對普通的個人用戶來說還是可以接受的。那么什么是單向服務(wù)呢?由于有些CABLE MODEM 本身并不支持將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的功能，因此在上傳時，無法利用本身將數(shù)字數(shù)據(jù)通過電纜傳出去。如果一定要上傳數(shù)據(jù)，則必須用一臺普通的調(diào)制解調(diào)器，利用電話線將數(shù)據(jù)傳出去，因此還是要花電話費并占用電話線，這就是所謂的“單向”，或稱為“Telco-Return”。使用調(diào)制解調(diào)器上傳，速度最快也只有56Kbit/s，因此整個速度也會受到極大的影響。

CABLE MODEM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的樹狀結(jié)構(gòu)，即機房端為樹根，用戶端為分支出去的枝和葉。使用樹狀結(jié)構(gòu)的目的是為了方便數(shù)據(jù)的分送，因此這種結(jié)構(gòu)最適合用戶端的下載。但如果用戶要上傳數(shù)據(jù)，則會因為數(shù)據(jù)來源太多，機房僅分析是從哪一個用戶傳來的信號就要耗費大量時間，更何況這些上傳的數(shù)據(jù)會互相干擾呢?對于這種情況，采取的措施就是限制上傳的速度，這也就是為什么會有單向的原因。如果用戶在上傳時使用的也是下載時的那一條同軸電纜，并且不需要使用額外的調(diào)制解調(diào)器用電話來撥號連接上傳，那么這臺CABLE MODEM就具有“雙向”功能，或稱為“Two-Way”。

機房端和用戶端

CABLE MODEM可以通過有線電視網(wǎng)與因特網(wǎng)連通，CABLE MODEM的廠商只需要將主機及用戶端的設(shè)備利用有線電視網(wǎng)連接完成即可。這種做法雖然加速了CABLE MODEM 的普及化，但也相應(yīng)地產(chǎn)生了一些問題，最明顯的就是用戶的速度受到極大的限制。因為CABLE MODEM 在下載數(shù)據(jù)時使用的是550～750MHz的帶寬，但有線電視臺出于降低成本目的，裝設(shè)同軸電纜時，使用的是550MHz的線路，因此在使用CABLE MODEM 傳輸數(shù)據(jù)時，大概已經(jīng)只剩一個頻道可供下載，這就使一些在傳統(tǒng)有線電視網(wǎng)上接入的CABLE MODEM 幾乎無法使用。

如果希望CABLE MODEM的速度再提高，就必須換裝帶寬更大的同軸電纜線，如850MHz、950MHz甚至是1GHz才行。而如果用戶都已經(jīng)升級至更高速度的同軸電纜，機房端所承受的數(shù)據(jù)吞吐量就會更大。這樣一來，不管是使用的是哪一種設(shè)備，都無法再承擔用戶端的數(shù)據(jù)量，因此機房的網(wǎng)絡(luò)必須使用更快的傳輸介質(zhì)，而比CABLE MODEM 更快的傳輸介質(zhì)則只有光纖一種。

目前大部分的CABLE MODEM 服務(wù)商都是機房用光纖、用戶端用同軸電纜的結(jié)構(gòu)(這稱之為“混合光纖同軸網(wǎng)絡(luò)”，英文稱之為Hybrid Fiber/Coaxial，簡稱HFC結(jié)構(gòu))以此來應(yīng)付數(shù)據(jù)量越來越大的CABLE MODEM網(wǎng)絡(luò)。另外，大部分的寬事機房都使用了環(huán)形樹狀混合網(wǎng)絡(luò)，主干光纖有自動容錯能力，即使有一處發(fā)生中斷，也會自動修復，對連線不會造成影響。光纖節(jié)點就是光信號轉(zhuǎn)換為電信號的地方，HFC結(jié)構(gòu)中，大約每1000戶設(shè)立一個光纖節(jié)點，光纖節(jié)點以下，則采用750MHz同軸電纜連到用戶家中。光纖由有線電視臺端的機房出發(fā)，提供高速連接至接近住戶的區(qū)域，然后再用同軸電纜接入用戶家中。

CABLE MODEM的分類

CABLE MODEM從類型上可以分成內(nèi)置和外置兩種。由于目前CABLE MODEM 的服務(wù)很多還是單向的，因此許多牌子的CABLE MODEM 也預置了調(diào)制解調(diào)器的功能，讓用戶不必再買一臺調(diào)制解調(diào)器。

從功能上區(qū)分，CABLE MODEM 與普通調(diào)制解調(diào)器有一個明顯不同的地方，那就是連接到電腦中的插口不同。由于普通調(diào)制解調(diào)器速度慢，因此電腦的COM 端口(最快115.2kbit/s)已經(jīng)夠用。而CABLE MODEM的速度遠遠大于這個值，因此已經(jīng)不能再用COM端口來連接了。內(nèi)直插卡式的CABLE MODEMCA 只要直接插到主板上就行了，PCI(最快133MB/S)速度絕對可以應(yīng)付CABLE MODEM最快速度--36Mbit/s，但是外置的CABLE MODEM則又有所不同，目前大部分外置CABLE MODEM的廠商作法十分簡單，就是將外置CABLE MODEM 連接到網(wǎng)卡上的RJ45處插口處，讓CABLE MODEM先接到網(wǎng)卡上，再用同軸電纜連接CABLE MOEDM 上。

在使用USB接口的設(shè)備越來越普遍的今天，使用USB接口來連接CABLE MLEDM 也是不錯的選擇。USB2.0已經(jīng)可以達到480Mbit/s位的速度，比100Mb/s的網(wǎng)卡還快，即插即用，而支持USB接口的操作系統(tǒng)也不少，算是目前一個不錯的外接設(shè)備。

CABLE MODEM的標準

Cable Modem和ADSL Modem極其相似

CABLE MODEM最初的標準制定并不統(tǒng)一，許多廠商還是使用自己的標準來運作。但從1997年開始，CABLE MOEDM 的標準開始定義，從早歐洲的DAVIC/DVB到美國MCSN所制定的DOCSIS。而IEEE也制定了802.14并沒有取代上述的兩個標準，因此IEEE正準備制定下一代的CABLE MODEM 標準。以下是各個標準的支持情況。

DVB/DAVIC：也稱為DVB-RCC或ETS 300 800，是期由DAVIC 推廣，目前則是由DVB所擁有。

MCNS/COCSIS：美國制定的標準，雖然并沒通過什么驗證，但支持該標準的廠商是最多的。除了美國市場之外，它也將觸角伸向歐洲，其在歐洲的版本為EuroDOSIS。

IEEE：又稱之為COCSIS1.2，但和DOSIS并沒有什么直接關(guān)系，目前的影響力也沒有上述兩個標準大，不過目前IEEE正準備下一代CABLE MODEM 標準的制定。

Cable Modem內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Cable Modem是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必備之物，但是，目前尚無Cable Modem的國際標準，各廠家產(chǎn)品的傳輸速率均不相同。因此，高速城域?qū)拵Ы尤刖W(wǎng)的組建還有待于Cable Modem標準的出臺。

各個廠商生產(chǎn)的Cable Modem有很多不同之處，但是基本的體系結(jié)構(gòu)都很近似.

各個模塊部分的具體功能如下：

1．調(diào)諧器

調(diào)諧器直接與CATV的插座相連，通常用內(nèi)置雙工調(diào)諧器，這樣可以通過一個調(diào)諧器實現(xiàn)上行和下行兩個方向的信號傳輸。調(diào)諧器必須具有足夠好的質(zhì)量，從而能夠接收數(shù)字調(diào)制的QAM信號。主要的提供商有Alps、Sharp、Temic和Panasonic公司。

同時一種新概念的硅調(diào)諧器正在研究之中，它基本上是一個單片的調(diào)諧器，和常規(guī)的調(diào)諧器相比價格明顯降低。

2．物理/MAC模塊

該模塊包括：解調(diào)器、突發(fā)調(diào)制器、MAC模塊。各部分的主要功能如下：

（1） 解調(diào)器

在接收方向上，IF信號送入解調(diào)器。該解調(diào)器通常包含A/D轉(zhuǎn)換器、QAM-64/256解調(diào)模塊、MPEG幀同步模塊，RS糾錯模塊。由于該解調(diào)部分不僅在Cable Modem中需要，在數(shù)字機頂盒這樣的原始產(chǎn)品中也需要，所以很多廠商都推出了自己的產(chǎn)品。在此方面技術(shù)領(lǐng)先的Broadcom公司，實現(xiàn)了單片的解決方案。而其他的公司如Stanford Telecom等都將解調(diào)器和突發(fā)調(diào)制器組合在一起實現(xiàn)，提供解調(diào)芯片的廠商除上述兩家外還有SGS Thomson 、VLSI Technologies、LSI Logic、 Fujitsu等公司。

（2） 突發(fā)調(diào)制器

在發(fā)送方向，突發(fā)調(diào)制器的信號通過調(diào)諧器送入上行信道，該突發(fā)調(diào)制器對每一個脈沖進行RS編碼，對信號進行基于所選速率的OPSK/QAM-16調(diào)制和D/A轉(zhuǎn)換。同時輸出信號還可通過電平調(diào)整來補償未知的電纜損耗。

由于在Cable Modem和某些雙向機頂盒中所采用的突發(fā)調(diào)制器是專用設(shè)備，所以目前提供相應(yīng)芯片的公司只有Broadcom 、Stanford Telecom等公司。

（3） MAC模塊

在接收和發(fā)射鏈路之間有一個MAC模塊，該MAC模塊與以太網(wǎng)的MAC相比要復雜得多，而實際上，沒有微處理器的幫助沒有一個MAC模塊能實現(xiàn)MAC層的所有功能，目前各廠商常用的微處理器有Intel的Pentium系列和Motorola的PowerPC X60系列。

Broadcom和Texas Instruments已經(jīng)有各自的MAC ASIC標準產(chǎn)品，而Connexant推出的MAC主要是依靠軟件來實現(xiàn)各種功能，以提供更強的靈活性。其他的公司也在通過軟件和硬件來研制不同的MAC芯片，分別支持DOCSIS和DVB/DAVIC協(xié)議。一些Cable Modem 的生產(chǎn)商甚至研制自己的MAC來使自己的產(chǎn)品有特色從而更有競爭力。

3．CPU

Cable Modem分外置式和內(nèi)置式兩種。對于外置式Cable Modem，微處理器是必需的。因為這樣的Cable Modem可能連接著多個PC，它必須具有內(nèi)部處理的能力。通常這種Cable Modem利用內(nèi)部的處理器可以處理幾乎所有過程。而內(nèi)置式的Cable Modem很像模擬的利用電話線的Modem，主要依賴PC的處理器來完成處理。

對于帶以太網(wǎng)接口的Cable Modem，通常使用Motorola公司的嵌入式PowerPC系列處理器，一些基于RISC的技術(shù)也被使用。

4．接口

通過MAC的數(shù)據(jù)進入Cable Modem的PC接口，它可能是Ethernet、USB、PCI總線等。

集成MAC、解調(diào)器、脈沖調(diào)制器、處理器、Ethernet/PCI/USB接口和更多組件的單個設(shè)備正不斷涌現(xiàn)，在這樣的設(shè)備中，Cable Modem的核心將被集成在單一芯片中。除此之外，在設(shè)備中還有存儲器、調(diào)諧器、模擬器件、電源等，眾多廠商還在致力于研制單芯片方案。