Cable MODEM,Cable MODEM的原理是什么?

Cable MODEM,Cable MODEM的原理是什么?

modem的概念

我们常说的Modem，其实是Modulator（调制器）与Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器。也有人跟据Modem的谐音，亲昵地称之为“猫”。我们知道，计算机内的信息是由“0”和“1”组成数字信号，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号。于是，当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换。这个数模转换器就是我们这里要讨论的Modem。计算机在发送数据时，先由Modem把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制”。经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前，也要经由接收方的Modem负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程我们称“解调”。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。

modem的分类

一般来说，根据Modem的形态和安装方式，可以大致可以分为以下四类：

1、外置式Modem

外置式Modem放置于机箱外，通过串行通讯口与主机连接。这种Modem方便灵巧、易于安装，闪烁的指示灯便于监视Modem的工作状况。但外置式Modem需要使用额外的电源与电缆。

2、内置式Modem

内置式Modem在安装时需要拆开机箱，并且要对中断和COM口进行设置，安装较为繁琐。这种Modem要占用主板上的扩展槽，但无需额外的电源与电缆，且价格比外置式Modem要便宜一些。

3、PCMCIA插卡式Modem

插卡式Modem主要用于笔记本电脑，体积纤巧。配合移动电话，可方便地实现移动办公。

4、机架式Modem

机架式Modem相当于把一组Modem集中于一个箱体或外壳里，并由统一的电源进行供电。机架式Modem主要用于Internet/Intranet、电信局、校园网、金融机构等网络的中心机房。除以上四种常见的Modem外，现在还有ISDN调制解调器和一种称为Cable Modem的调制解调器，另外还有一种ADSL调制解调器。

另外modem还可分为内置式和外置式，两者各有利弊，选用时可根据各自的需要而定。

modem的工作原理

调制解调器由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。

电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于在每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置Modem，则能通电话的地方就可传输数据。一般电话线路的话音带宽在300～3400Hz 范围，用它传送数字信号，其信号频率也必须在该范围。常用的调制方法有三种:频移键控(FSK)、相移键控(PSK) 、相位幅度调制(PAM)。Modem通常有三种工作方式:挂机方式、通话方式、联机方式。电话线未接通是挂机方式;双方通过电话进行通话是通话方式;Modem已联通，进行数据传输是联机方式。

数模转换的调制方法也有三种:(1)频移键控(FSK)。用特殊的音频范围来区别发送数据和接收数据。如调频ModemBell-103型发送和接收数据的二进制逻辑被指定的专用频率是:发送，信号逻辑0、频率1070Hz，信号逻辑1、频率1270Hz;接收，信号逻辑0、频率20 25Hz，信号逻辑1、频率2225Hz。(2)相移键控(PSK)，高速的Modem常用四相制，八相制，而四相制是用四个不同的相位表示00、01、10、11四个二进制数，如调相ModemBell-212A型。该技术可以使3 00bps的Modem传送600bps的信息，因此在不提高线路调制速率仅提高信号传输速率时很有意义，但控制复杂，成本较高，八相制更复杂。(3)相位幅度调制(PAM)，为了尽量提高传输速率，不提高调制速率，采用相位调制和幅度调制结合的方法。它可用16个不同的相位和幅度电平，使1200bps的Modem传送19200bps的数据信号。该种Modem一般用于高速同步通信中。

调制解调器通电后，通常先进入挂机方式，通过电话拨号拨通线路后进入通话方式，最后通过Modem的"握手" 过程进入联机方式。正常使用时，由使用者通过控制电话机或Modem前面板的按键、内部开关实现三种方式间的转换。

调制解调器与计算机连接是数据电路通信设备DCEDataCircutterminatingEquipme nt)与数据终端设备DTE(DataTerminalEquipment)之间的接口问题。DCE与DTE之间的接口是计算机网络使用上的一个重要问题。任何一个通信站总要包括DCE与DTE，因此确定一个统一的标准接口，特别是对公用数据网有重要的意义。数据终端设备DTE是产生数字信号的数据源或接收数字信号的数据宿，或者是两者的结合，像计算机终端、打印机、传真机等就是DTE。将数据终端设备DTE与模拟信道连接起来的设备就叫数据电路通信设备DCE，像Modem就是DCE。DTE与DCE之间的连接标准有CCITTV.10/X.26，与EIARS-423-A兼容，是一种半平衡电气特性接口普通的Modem通常都是通过RS-232C串行口信号线与计算机连接。

Cable Modem的概念与原理

CABLE MODEM是在有线电缆上使用的调制解调器。

不管是传统MODEM，还是CABLE MODEM，原理都差不多，只不过CABLE MODEM 使用的是一种称为QAM(Quadrature Amplitude Modulation)的传输方式。而这种QAM传输方式则是针对模拟式RF的网络所发明的最有效的数字数据传输方式。

一般来讲，我们利用有线电视网传送数据时，系统会将数字数据放在模拟的载体上，是以典型的NTCS 频道的大小来传送，其带宽大约为6MHZ。而QAM则使用了混合了振幅及相位的载体，让最小的空间中能放入更多的数据。当振幅及相位在混合使用之后，就可以表现出不同的0与1值，这就是电脑能识别的数字信号。

CABLE MODEM 使用的数据传送方式有16-QAM、64-QAM和256-QAM等。QAM前面的数字代表在转换群组(所谓转换群组，就是相位及振幅的特殊组合)中的点数，也就是值或等级。如果CABLE MODEM 在下传数据时的速度是64-QAM，最大速度为30Mbit/s，则256-QAM就是40Mbit/s/。但由于一般的CABLE MODEM 在传输数据时，都必须留下一些带宽用于返回错误信息(Forward Error Correction，FEC)，因此剩下的带宽大约为27Mbit/s 及36Mbit/s。

我们在使用CABLE MODEM传输数据时，利用的是现有的有线电缆中的某一个频道，目前使用较多的是同轴电缆，可将整个电缆划分为三个宽带。分别用于CABLE MODEM 数字信号上传、数字信号下传及电视节目模拟号下传。一般同轴电缆的带宽为5～750MHz，数字信号上传为5～42MHz，模拟信号下传为50～550MHz，数字信号下传则是550～750MHz。这样一来，数字数据和模拟数据就不会互相冲突，当然可以同时传送了。这也就是为什么在上网的同时还可以收看电视节目的原因。

就像电视节目是以频道来区分一样，CABLE MODEMCABLE 的数据传送也是用一个个频道区分的。前面提到的27Mbit/s 或是36Mbit/s位，都是指一个频道所能达到的最高速率，如果嫌速度不够快，大同再增加新的频道，此时速度就会立即上升一倍。这也是CABLE MODEM 的最大优点之一。

CABLE MODEM在上传的时候，除了使用一般的16-QAM方式之外，还可能使用QPSK的方式，不管是使用16-QAM还是使用QPSK，其速度最快是在768kbit/s～10Mbit/s，因此造成了CABLE MODEM 上传比下载慢的特性。而在使用单向传送时，上传的速度只能达到33.6Kbit/s(即一般的调制解调器上传速度)。

单、双向服务

对于CABLE MODEM还有一个“单向”及“双向”服务的特殊概念。众所周知，网络当然不光是用来下载数据，很多时候我们需要将数据发送到因特网上，比如发送电子邮件等，只不过通常下载的时候要远比上传的时候多。如此一来，一部CABLE MODEM 除了要将从同轴电缆上传过来的模拟数据变成数字数据之外，还必须将电脑的数字数据变成模拟数据并从同轴电缆中传出去。

由于机房(即CMTS)的设备和用户端(CM)的能力有所不同，用户的转换数据能力要比机房差，因此上传时的速度无法和下载相比，再加上上传的带宽比较窄，所以从整体的速度上说一定比下载时慢。不过由于上传的数据量一般不会太大，因此对普通的个人用户来说还是可以接受的。那么什么是单向服务呢?由于有些CABLE MODEM 本身并不支持将数字信号转换成模拟信号的功能，因此在上传时，无法利用本身将数字数据通过电缆传出去。如果一定要上传数据，则必须用一台普通的调制解调器，利用电话线将数据传出去，因此还是要花电话费并占用电话线，这就是所谓的“单向”，或称为“Telco-Return”。使用调制解调器上传，速度最快也只有56Kbit/s，因此整个速度也会受到极大的影响。

CABLE MODEM的网络结构是一种传统的树状结构，即机房端为树根，用户端为分支出去的枝和叶。使用树状结构的目的是为了方便数据的分送，因此这种结构最适合用户端的下载。但如果用户要上传数据，则会因为数据来源太多，机房仅分析是从哪一个用户传来的信号就要耗费大量时间，更何况这些上传的数据会互相干扰呢?对于这种情况，采取的措施就是限制上传的速度，这也就是为什么会有单向的原因。如果用户在上传时使用的也是下载时的那一条同轴电缆，并且不需要使用额外的调制解调器用电话来拨号连接上传，那么这台CABLE MODEM就具有“双向”功能，或称为“Two-Way”。

机房端和用户端

CABLE MODEM可以通过有线电视网与因特网连通，CABLE MODEM的厂商只需要将主机及用户端的设备利用有线电视网连接完成即可。这种做法虽然加速了CABLE MODEM 的普及化，但也相应地产生了一些问题，最明显的就是用户的速度受到极大的限制。因为CABLE MODEM 在下载数据时使用的是550～750MHz的带宽，但有线电视台出于降低成本目的，装设同轴电缆时，使用的是550MHz的线路，因此在使用CABLE MODEM 传输数据时，大概已经只剩一个频道可供下载，这就使一些在传统有线电视网上接入的CABLE MODEM 几乎无法使用。

如果希望CABLE MODEM的速度再提高，就必须换装带宽更大的同轴电缆线，如850MHz、950MHz甚至是1GHz才行。而如果用户都已经升级至更高速度的同轴电缆，机房端所承受的数据吞吐量就会更大。这样一来，不管是使用的是哪一种设备，都无法再承担用户端的数据量，因此机房的网络必须使用更快的传输介质，而比CABLE MODEM 更快的传输介质则只有光纤一种。

目前大部分的CABLE MODEM 服务商都是机房用光纤、用户端用同轴电缆的结构(这称之为“混合光纤同轴网络”，英文称之为Hybrid Fiber/Coaxial，简称HFC结构)以此来应付数据量越来越大的CABLE MODEM网络。另外，大部分的宽事机房都使用了环形树状混合网络，主干光纤有自动容错能力，即使有一处发生中断，也会自动修复，对连线不会造成影响。光纤节点就是光信号转换为电信号的地方，HFC结构中，大约每1000户设立一个光纤节点，光纤节点以下，则采用750MHz同轴电缆连到用户家中。光纤由有线电视台端的机房出发，提供高速连接至接近住户的区域，然后再用同轴电缆接入用户家中。

CABLE MODEM的分类

CABLE MODEM从类型上可以分成内置和外置两种。由于目前CABLE MODEM 的服务很多还是单向的，因此许多牌子的CABLE MODEM 也预置了调制解调器的功能，让用户不必再买一台调制解调器。

从功能上区分，CABLE MODEM 与普通调制解调器有一个明显不同的地方，那就是连接到电脑中的插口不同。由于普通调制解调器速度慢，因此电脑的COM 端口(最快115.2kbit/s)已经够用。而CABLE MODEM的速度远远大于这个值，因此已经不能再用COM端口来连接了。内直插卡式的CABLE MODEMCA 只要直接插到主板上就行了，PCI(最快133MB/S)速度绝对可以应付CABLE MODEM最快速度--36Mbit/s，但是外置的CABLE MODEM则又有所不同，目前大部分外置CABLE MODEM的厂商作法十分简单，就是将外置CABLE MODEM 连接到网卡上的RJ45处插口处，让CABLE MODEM先接到网卡上，再用同轴电缆连接CABLE MOEDM 上。

在使用USB接口的设备越来越普遍的今天，使用USB接口来连接CABLE MLEDM 也是不错的选择。USB2.0已经可以达到480Mbit/s位的速度，比100Mb/s的网卡还快，即插即用，而支持USB接口的操作系统也不少，算是目前一个不错的外接设备。

CABLE MODEM的标准

Cable Modem和ADSL Modem极其相似

CABLE MODEM最初的标准制定并不统一，许多厂商还是使用自己的标准来运作。但从1997年开始，CABLE MOEDM 的标准开始定义，从早欧洲的DAVIC/DVB到美国MCSN所制定的DOCSIS。而IEEE也制定了802.14并没有取代上述的两个标准，因此IEEE正准备制定下一代的CABLE MODEM 标准。以下是各个标准的支持情况。

DVB/DAVIC：也称为DVB-RCC或ETS 300 800，是期由DAVIC 推广，目前则是由DVB所拥有。

MCNS/COCSIS：美国制定的标准，虽然并没通过什么验证，但支持该标准的厂商是最多的。除了美国市场之外，它也将触角伸向欧洲，其在欧洲的版本为EuroDOSIS。

IEEE：又称之为COCSIS1.2，但和DOSIS并没有什么直接关系，目前的影响力也没有上述两个标准大，不过目前IEEE正准备下一代CABLE MODEM 标准的制定。

Cable Modem内部结构

Cable Modem是未来网络发展的必备之物，但是，目前尚无Cable Modem的国际标准，各厂家产品的传输速率均不相同。因此，高速城域宽带接入网的组建还有待于Cable Modem标准的出台。

各个厂商生产的Cable Modem有很多不同之处，但是基本的体系结构都很近似.

各个模块部分的具体功能如下：

1．调谐器

调谐器直接与CATV的插座相连，通常用内置双工调谐器，这样可以通过一个调谐器实现上行和下行两个方向的信号传输。调谐器必须具有足够好的质量，从而能够接收数字调制的QAM信号。主要的提供商有Alps、Sharp、Temic和Panasonic公司。

同时一种新概念的硅调谐器正在研究之中，它基本上是一个单片的调谐器，和常规的调谐器相比价格明显降低。

2．物理/MAC模块

该模块包括：解调器、突发调制器、MAC模块。各部分的主要功能如下：

（1） 解调器

在接收方向上，IF信号送入解调器。该解调器通常包含A/D转换器、QAM-64/256解调模块、MPEG帧同步模块，RS纠错模块。由于该解调部分不仅在Cable Modem中需要，在数字机顶盒这样的原始产品中也需要，所以很多厂商都推出了自己的产品。在此方面技术领先的Broadcom公司，实现了单片的解决方案。而其他的公司如Stanford Telecom等都将解调器和突发调制器组合在一起实现，提供解调芯片的厂商除上述两家外还有SGS Thomson 、VLSI Technologies、LSI Logic、 Fujitsu等公司。

（2） 突发调制器

在发送方向，突发调制器的信号通过调谐器送入上行信道，该突发调制器对每一个脉冲进行RS编码，对信号进行基于所选速率的OPSK/QAM-16调制和D/A转换。同时输出信号还可通过电平调整来补偿未知的电缆损耗。

由于在Cable Modem和某些双向机顶盒中所采用的突发调制器是专用设备，所以目前提供相应芯片的公司只有Broadcom 、Stanford Telecom等公司。

（3） MAC模块

在接收和发射链路之间有一个MAC模块，该MAC模块与以太网的MAC相比要复杂得多，而实际上，没有微处理器的帮助没有一个MAC模块能实现MAC层的所有功能，目前各厂商常用的微处理器有Intel的Pentium系列和Motorola的PowerPC X60系列。

Broadcom和Texas Instruments已经有各自的MAC ASIC标准产品，而Connexant推出的MAC主要是依靠软件来实现各种功能，以提供更强的灵活性。其他的公司也在通过软件和硬件来研制不同的MAC芯片，分别支持DOCSIS和DVB/DAVIC协议。一些Cable Modem 的生产商甚至研制自己的MAC来使自己的产品有特色从而更有竞争力。

3．CPU

Cable Modem分外置式和内置式两种。对于外置式Cable Modem，微处理器是必需的。因为这样的Cable Modem可能连接着多个PC，它必须具有内部处理的能力。通常这种Cable Modem利用内部的处理器可以处理几乎所有过程。而内置式的Cable Modem很像模拟的利用电话线的Modem，主要依赖PC的处理器来完成处理。

对于带以太网接口的Cable Modem，通常使用Motorola公司的嵌入式PowerPC系列处理器，一些基于RISC的技术也被使用。

4．接口

通过MAC的数据进入Cable Modem的PC接口，它可能是Ethernet、USB、PCI总线等。

集成MAC、解调器、脉冲调制器、处理器、Ethernet/PCI/USB接口和更多组件的单个设备正不断涌现，在这样的设备中，Cable Modem的核心将被集成在单一芯片中。除此之外，在设备中还有存储器、调谐器、模拟器件、电源等，众多厂商还在致力于研制单芯片方案。