宽带接入技术(HFC)

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摘 要

随着Internet网的迅猛发展，人们对远程教学、远程办公、远程医疗、可视电话、VOD点播、WWW浏览等宽带业务的需求正大幅度增加，电子商务也已成为网络应用的一大热点，这使得信息高速公路“最后一公里”的宽带接入技术迅速发展。HFC网络正以其独特的带宽优势和极高的普及率受到宽带接入网研究者的瞩目和研究重点研究了HFC接入网回传通道的噪声问题，以及为解决噪声问题而采用的集中分配式HFC网络和S-CDMA电缆调制解调器等。最后对宽带接入网建设的一些问题进行了探讨，对HFC和LAN接入以及ADSL技术作了比较，并结合我国的接入网状况，提出了HFC宽带接入应采用的方案。

关键词：宽带接入网 HFC S-CDMA

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Abstract

With the rapid development of Internet network, people's demands on broadband services, such as remote instruction, telecommuting, telemedicine, Visual telephone, VOD, WWW browse, are increasing sharply. E-business has also becomes a big hotspot. As a result, the technology of broadband access network, "the last kilometer" of information superhighway, is developing promptly. HFC network is catching more and more attentions because of its particular advantage of bandwidth and high popularizationIt emphasizes on the noise of HFC broad band in backhaul channel, and also studies the applied HFC broadband and S-CDMA cable model in order to wipe out the noise. After the discussion of the problems in the HFC broad band construction, it compares the HFC with the technique of ADSL and connection of LAN, and then falls together with Chinese band connection status, HFC broad band connection should be applied in this way.

Keywords:Broadband Access Network Hybrid Fiber Coax Synchronous division multiple access

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目 录

前 言 ............................................... 1

1 宽带接入网介绍 ..................................... 3

1.1 宽带接入网的定义 ............................. 3

1.2 宽带接入网的主要技术 ......................... 5

1.3 宽带接入网的优势 ............................. 7

2 HFC宽带接入网技术简述 ............................. 9

2.1 HFC网的组成与基本原理 ....................... 9

2.2 HFC接入网的频段分配 ........................ 12

2.3 HFC网的拓扑结构 ............................ 13

2.4 HFC网的基本模式 ............................ 15

2.5 基于HFC网的Cable Modem技术 ................ 15

2.6 HFC宽带接入网技术要解决的问题 .............. 17

2.7 HFC双向传输的实现方式 ...................... 18

3 HFC宽带接入网技术研究 ............................ 21

3.1 HFC业务的扩展 .............................. 21

3.2 HFC网回传通道的噪声问题 .................... 22

3.2.1 HFC上行通道的噪声特性分析 ............. 22

3.2.2 反向通道的噪声及干扰对数据通信的影响 .. 24

3.2.3 反向通道噪声的削弱技术 ................ 24

3.2.4 HFC上行通道多路用户接入的方式 ......... 26

3.2.5 HFC上行通道的噪声与控制 ............... 27

3.2.6 HFC上行通道的传输特性 ................. 29

3.3 集中分配式HFC网的抗噪声技术 ................ 30

3.4 S-CDMA技术应用于HFC网络 ................... 30

3.4.1 回传噪声的“漏斗效应” ................ 31

3.4.2 S-CDMA技术的基本原理 .................. 31

3.4.3 S-CDMA技术应用于HFC网络 .............. 32

3.4.4 基于S-CDMA技术的传输系统在传输速率的优越性

3.4.5 总结 .................................. 35

4 宽带接入网建设若干问题的讨论 ..................... 37

4.1 HFC有线电视CABLE接入与LAN接入的选择 ...... 37

4.1.1 CABLE MODEM 接入成本和LAN接入成本对比 37

34

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4.1.2 CABLE MODEM 接入和LAN接入管理成本对比 38

4.1.3 CABLE MODEM和LAN市场进入门槛的比较 ... 39

4.2 HFC宽带接入技术与ADSL技术的比较 ........... 39

4.3 CABLE MODEM 的选择 .......................... 40

4.3.1 DOCSIS1.0调制解调器 ................... 41

4.3.2 OFDM技术 .............................. 41

4.3.3 S-CDMA技术 ............................ 42

致 谢 .............................................. 45

参考文献 ............................................ 46

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前 言

1996年美国通过的电信法案是持续至今的、改变电信运营管制体系这一历史潮流的重要标志之一，尽管偏之于一隅，但是该法案本身确实也是对业已发生的电信体制变革运动的承认。在这一潮流的推动之下，市场和技术快速地合流，在市场、技术和正在变更的电信管理制度的联合冲击中，加在服务运营商和网络营造商身上的压力是巨大的。

对企业通信用户来说，他们迫切需要电信运营商在小城市之类的局部地区能投入更大的力量。同时，整个新兴市场--家庭办公、Internet和万维网（World Wide Web）等等都在无一例外地创造着巨大的家庭需求，这些新业务需求在某些场合下甚至超过了几年前企业全部需求的总和。

市场的剧烈变动在几乎每一种情况下都成为企业激烈争夺的战场。商业、技术、教育和娱乐等诸多行业之间的壁垒都飞速地消失得无影无踪。Web的横空出世和随后进入所有人的生活就是这一剧烈变化的明显实例。对网络服务供应商来说，他们唯一能确定的就是用户的需求还会持续地不断增长下去。

增长中的市场必定会产生竞争。电信领域在数十亿上百亿美元市场的诱惑之下，其竞争将会趋于白热化。虽然没有任何东西可以确定下来，但把钱压在网络融合这个主题上总是错不了的，今天各成一统的服务：语音、视频和数据最终都会融合成单一的综合服务。宽带接入网的主要技术有铜双绞线接入（xDSL），光纤同轴混合接入（HFC）以及光纤接入（FTTH）等。下面首先简要介绍一下宽带接入网

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的定义和主要技术，以及其主要优势。

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1 宽带接入网介绍

1.1 宽带接入网的定义

接入网（AN: Access Network）是指用户和端局（即本地交换局）之间的所有机线设备，具有复用、交叉连接和传输等功能，能支持各种交换型和非交换型业务。图1-1给出了接入网在整个通信网中的位置分布图。其中：用户是指用户终端设备（如计算机、电话机等）和用户驻地设备（如用户交换机等）；核心网是指本地局与市话局、市话局与长途局、长途局与长途局之间的所有区段。可见，接入网是用户与核心网之间的中介网，也可以看成是公共通信网的末端网。图中还给出了接入网与用户之间的接口UNI（称为用户-网络接口）、接入网与核心网之间的接口SNI（称为业务节点接口）。利用这些接口，也可以定义接入网是指UNI和SNI之间的所有机线设备。接入网将来自用户的所有业务流组合后通过公共传输通道送往业务节点（如：本地交换机等），反过来则将来自业务节点的业务流分开后送往各个用户，其中需要完成UNI信令和SNI信令的转换，但接入网本身并不解释和处理信令的内容，即对用户信令透明。

按照线路的转接配置，端局到用户之间的线路连接结构如图1-2所示。其中：端局本地交换机（LE）和交接箱之间用大径多芯（几百至几千对芯）馈线连接，交接箱和分线盒之间用小径多芯配线连接，分线盒和用户终端之间是用细径双芯引入线连接。交接箱的作用是完成馈线和配线之间的交叉连接，

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分线盒的作用是完成配线和引入线之间的分路/合路。通常馈线长几公里，配线长几百米，引入线长几十米。传统的电缆接入网就是这种结构。

图1-2 端局到用户之间的线路连接结构 图1-1 接入网在整个通信网中的位置

接入网的目的是综合考虑本地交换局、用户环路和终端设备，通过有限的标准化接口将各种用户的需求接入业务节点。接入网的引入给通信网带来了新的变化，使整个通信网络结构发生了根本的变化。由于受传输损耗、传输带宽及噪声等的限制和影响，现行铜线接入网已越来越

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难以满足电信新业务发展的需求，并逐步成为宽带综合业务数字网的瓶颈所在。作为交换局与用户终端之间的连接纽带，接入网的数字化、宽带化理所当然地被提到议事日程，成为当前电信网发展的焦点之一。近来，随着技术成本的持续下降、电信市场的日益开放以及以IP为代表的数据业务的爆炸式增长，网络的带宽与容量再次成为热门话题和紧缺商品。以美国为代表的发达国家的骨干网正向超高速和超大容量的方向发展，高达160Gbps(16×10Gbps)的波分复用系统已投入应用,同时，为了适应这一新的形势，接入网的宽带接入技术也呈现了新的发展态势。

1.2 宽带接入网的主要技术

（1） 接口技术

主要指V5接口。V接口是数字交换机的数字用户接口，定义在本地交换机的用户侧。与以前定义的V1到V4接口不够标准化相比，V5接口综合考虑了本地交换机，用户环路与终端设备，是用户数字传输系统和交换机相结合的新型数字接口，目前已标准化的有V5.1（G964）和V5.2（G965）接口，前者支持2Mbps速率的业务，后者支持多达16个2Mbps，将来还准备定义针对SDH速率的V5.3接口和针对宽带业务的VB5接口。

（2） 光纤接入

光纤是目前传输带宽最宽的介质，目前主干网中已大量采用光纤，如果将光纤应用到用户环路中，定能满足将来各种宽带业务的需要。可以说，光纤接入是宽带接入网的最终形式，但目前要完全抛弃现有的用户网络，全部重新铺设光纤，对于大多数国家和地区来说还是不经济不现实的。

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（3） 混合接入

主要有混合光纤/同轴（HFC）技术，同轴也是一种带宽较宽的介质，目前CATV网就是一种混合光纤同轴网络，主干部分利用光纤，然后用同轴经分支器接入各家用户。HFC接入技术的一大优点是可以利用现有的CATV网，从而降低网络成本。

（4） 铜线接入

铜线接入以现有的电话线为传输媒介，利用各种先进的调制技术和数字信号处理技术，来提高铜线的传输速率和距离。但是铜线的传输带宽毕竟有限，铜线接入方式的传输速率和传输距离是一对难以调和的矛盾。

（5） 无线接入

无线用户环路（WLL）指利用无线技术为固定用户和移动用户提供电信业务，因此无线接入可分为固定无线接入和移动无线接入，采用的无线技术可以包括微波，卫星等。无线接入的优点有：初期投入小，能迅速提供业务，无线接入不需要铺设线路，所以可以省去铺线的大量费用和时间；灵活，可随时按需进行变更，扩容，抗灾难性强；当然无线用户也有许多缺点，如性能不如有线方式，质量不稳定，受环境影响大，目前还难以提供宽带接入，虽然现在已经开始研究利用ATM技术的无线接入系统，但离现实有很大的距离。

对于各种接入技术，对于不同的国情，不同的应用场合，应比较各种技术的优缺点，灵活选择。目前世界各地所采用的接入技术就是五花八门的，但总的来说目前实际应用的宽带网络中，提供宽带业务的宽带接入网络主要有三种：光纤接入网，HFC网和铜线接入网。许多专家学者和工程技术人员相继发表文章陈述各种技术的利弊，激烈的争论和技

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术本身的飞速发展使得广大技术人员感到有些无所是从，在一定程度上影响了接入网的建设，改造。本文主要对HFC宽带接入网的技术问题进行了分析讨论，重点研究了HFC接入技术的国际标准，协议，回传通道的噪声问题，以及为解决噪声问题而采用的集中分配式HFC网络和S-CDMA电缆调制解调器等，最后对宽带接入网建设的一些问题进行了讨论，综合我国的接入网状况，提出了适合我国现状的宽带接入方案。

1.3 宽带接入网的优势

宽带接入网的技术实现手段有多种，包括铜线上的DSL和以太网技术，同轴电缆上的HFC技术，光纤上的各种有源和无源技术，以及无线上的宽带接入技术等。当前各种宽带接入技术都在发展和应用，从世界范围看，电信公司是以ADSL为主发展的。根据ATM论坛的统计，2004年第一季度全球已有7340多万ADSL宽带用户，其他宽带接入技术的用户量都不是很大。

目前的ADSL技术是建立在铜线基础上的宽带接入技术，然而铜是世界性战略资源，所以随着国际铜缆价格的持续攀升，以铜缆为基础的xDSL的线路成本会越来越高；其次，作为有源设备，电磁干扰难以避免，维护成本也会越来越高；最后，随着全网的光纤化进程继续向用户侧延伸，端到端宽带连接的限制将越来越集中在接入段，目前ADSL上行1MBit/s和下行8MBit/s的连接速率已无法满足高端用户的长远需求。尽管ADSL2和ADSL2＋技术有望缓解这一压力，但其速率和传输距离的继续大幅度提高是受限的，不能指望有本质性突破。显然，随着光纤在长途网、城域网乃至接入网主干段的大量应用，逻辑的发展趋势将是继续

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向接入网的配线段和引入线部分延伸，关键是推进速度有多快。这将取决于多种因素，包括市场的需求、竞争的需要、应用的刺激、技术的进步、成本的下降以及配套运维系统的开发，等等。我国举办2008年奥运会和2010年世界博览会这两大事件将在一定程度上推进宽带光纤接入网的发展。下面将重点从技术角度来分析几种主要宽带光纤接入技术的特征、问题和发展趋势。

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2 HFC宽带接入网技术简述

HFC（Hybrid Fiber Coax）是光纤同轴混合网的简称，即在同一个网络上同时传输分配式的广播电视（即有线电视）业务与交互式的电信业务。这种网络中模拟信息与数字信息并存，其结构就是在光纤到馈线（FTF）的有线电视网基础上发展（或升级）起来的光纤/同轴混合（HFC）网。这一技术概念提出之后，无论是有线电视经营公司还是电信经营公司都给予HFC网络极大的关注，并将它作为宽带接入网的优选方案。经过几年的技术发展，HFC技术日益成熟起来。

2.1 HFC网的组成与基本原理

HFC（Hybrid Fiber Coax）即光纤同轴混合网。HFC的基本结构为前端（HE，Head End）到光接点（ONU，Optical Network Unit）之间采用光缆传输，在光节点和用户之间再用同轴电缆入户。

典型的HFC网络可分为三个主要部分：前端光传输链路用户，同轴电缆分配网和用户端设备。图2-1所示为HFC网络体系组成简图。

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（注：灰色方块是用户接口盒，菱形是放大器）

HFC网的工作原理如下：HFC网中所有语音,数据,模拟视频,数字视频信息经由相应调制转换成射频（即HF、VHF、和UHF）模拟信号，经由频分复用方式合成一个宽带射频电信号，加到前端的光发射模块上调制成光信号发送出去；光信号通过光纤传输到光纤节点后转换为射频电信号，再经射频放大器放大后由同轴电缆分配网送到相应分支点；再由用户接口盒中的调制/解调器接收相应频带的信息，并进行解调得到所需信息。

各组块的功能如下：

（1） 局端（又称前端）设备

完成电信号调制/解调、电/光和光/电转换（即光发送和光接收）、合路/分路、应答控制等功能。

（2） 光纤节点（FN）

写成光/电和电/光转换（即光接收和光发送）以及电信号解复用和复用等功能。

（3） 分路器（又称分支器）

图2-1 HFC网络结构简图

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分路器是多根同轴电缆的交接点，完成电信号的分路/合路。

（4） 放大器

完成同轴电缆信号放大的功能。

（5） 用户接口盒（UIB:User Interface Box）

安装在每个住户内提供以下接口转换功能：使用50欧同轴电缆将机顶盒（STB:Set Top Box）连接到用户TV上，或者使用75欧同轴电缆直接连接到用户TV；使用双绞线将内置调制/解调器和PCM编解码器连接到用户电话机上；使用同轴电缆（50欧）将内置电缆调制/解调器（Cable Modem ,又称线缆调制/解调器）连接到用户计算机上。

（6） 电缆调制/解调器(Cable Modem)

它的主要功能是将数字信号调制到射频上进行传输，接收时进行解调。此外，Cable Modem还具备与外部主干网的接口、协议转换、智能化的网络控制与管理等功能。因此，要比传统的电话拨号调制/解调器复杂得多。Cable Modem的上行信道一般采用较可行的QPSK（正交相移键控）调制方式，上行速率最高可达10Mb/s。下行信道采用的典型的调制方式，有QPSK和QAM64（64元正交幅度调制）等，下行速率最高可达36Mb/s。

图2-2 用户接口盒提供的接口转换功能

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（7） 机顶盒(STB)

它是一种用来扩展现有模拟电视机功能的终端设备，它可以将各种数字信号转换成模拟电视机能够接收的信号。STB的接收信号是已压缩的数字视频信号，因此STB内含有解压器和解码器。

2.2 HFC接入网的频段分配

HFC接入网的频段分配如下：上行通道（Upstream Channel）使用5-42MHz频段（高频HF和甚高频VHF），用来传送上行电话及用户请求/控制信号；下行通道（Downstream Channel）使用50-1000MHz频段（甚高频VHF和特高频UHF），其中50-550MHz频段用来传送模拟电视，550-750MHz频段用来传送数字电视（也可分出一部分频段用来传输下行电话及用户数据信号），750-1000MHz频段预留用来传送双向通信业务，如图2-3所示。

图2-3 接入网频段分配

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2.3 HFC网的拓扑结构

HFC网的网络拓扑结构概括起来有四种形式，即树形结构、星形结构、星-树形结构和环形结构。

（1） 树形网络拓扑结构

树形网络的干线光纤和同轴分配网都为树形结构。主干光纤采用树形结构就是采用多路光分路器级联, 如图2-4所示。但是光纤主干一般不采用树枝结构因为其优点只是光纤量较省，而缺点有三： 一、 光纤主干经多次光分路器分配后插入损耗较大，浪费光功率；二、 由各光分路器和各熔接点造成的多重反射将光链路的噪声的增加，非线性失真变大，劣化了系统的指标；

（2） 星形网络拓扑结构

星形网络的干线光纤和同轴分配网都为星形结构，为点到点连接，传输容量大、可靠性高、便于双向业务的传输，缺点是光缆和电缆设置大，网络建设和维护复杂，尤其是大中城市建设有一定难度，适合有实力的小城市。

图2-4 光纤主干树枝形网络拓扑结构

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图2-5 光纤主干星形网络拓扑结构

（3） 星-树形网络拓扑结构

在有线电视HFC网络结构形式中，一般采用的是星-树形结构形式，即干线采用星形网络拓扑结构的光纤传输，最后一级的同轴电缆分配网采用树形。这是因为这种拓扑结构集星形和树形结构形式两者优点于一身。

光纤主干采用星形的主要优点是：光分配一次到位，所有光分路器少，光纤熔接点少；某一光纤链路发生故障时，不会影响到其它光纤链路；网络的覆盖面广、传输容量大、可靠性高、易于实现双向多功能业务的传输。同轴电缆分配网采用树形结构即克服了电缆干线由于多级放大器引起指标下降的缺点，又提高了指标。

由此可知,星-树形网络拓扑结构形式是目前较适合我国大中城市的网络拓扑结构形式。

（4） 环形网络拓扑结构

光纤主干是具有一主一备两条沿相反方向传输的双数字光纤环，故可靠性更高，覆盖面更广。

但是环形光纤网造价较高，适用于大城市有线电视宽带综合信息

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网，特别是数字光纤环上采用SDH高速传输平台，建立一个由总前端中心管理和监控的网络，实现有线广播电视视频、数据、语音的综合传输应用，是HFC网的发展方向。

2.4 HFC网的基本模式

有线电视HFC网,无论是大型网络,还是中小型网络,其网络传输的基本模式有两种：

（1） 独立总前端模式

同一城市或同一区域的有线电视网共用一个前端,所有信号都汇集在总前端。汇集于前端的广播电视信号通过光发射机以VSB-AM方式转换为光信号(即E/O转换)从总前端输出后，通过星形或星-树形结构的光纤网络传输到各小区光节点，各光节点的光接收机将接收到的光信号还原为射频点信号(即O/E转换)，再经同轴电缆分配网络,将信号传送到各家各户的用户终端。这种系统模式是基于3HFC网，是有线电视HFC网中最基本的传输模式。

（2） 分前端模式

以城市或区域有线电视网的总前端为中心的多前端的传输模式。总前端的信号经星形辐射的数字光纤网络或模拟光纤网络馈送到各分前端的光节点。

2.5 基于HFC网的Cable Modem技术

基于HFC网（光纤和同轴电缆混合网）的Cable Modem技术是宽带接入技术中最先成熟和进入市场的，其巨大的带宽和相对经济性使其

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对有线电视网络公司和新成立的电信公司很具吸引力。

Cable Modem的通信和普通Modem一样，是数据信号在模拟信道上交互传输的过程，但也存在差异，普通Modem的传输介质在用户与访问服务器之间是独立的，即用户独享传输介质，而Cable Modem的传输介质是HFC网，将数据信号调制到某个传输带宽与有线电视信号共享介质；另外，Cable Modem的结构较普通Modem复杂，它由调制解调器、调谐器、加/解密模块、桥接器、网络接口卡、以太网集线器等组成，它无须拨号上网，不占用电话线，可提供随时在线连接的全天候服务。

目前Cable Modem产品有欧、美两大标准体系，DOCSIS是北美标准，DVB/DAVIC是欧洲标准。

欧、美两大标准体系的频道划分、频道带宽及信道参数等方面的规定，都存在较大差异，因而互不兼容。北美标准是基于IP的数据传输系统，侧重于对系统接口的规范，具有灵活的高速数据传输优势；欧洲标准是基于ATM的数据传输系统，侧重于DVB交互信道的规范，具有实时视频传输优势。从目前情况看，兼容欧洲标准的Euro DOCSIS1.1标准前景看好，我国信息产业部——CM技术要求（征求意见稿）类似于这一标准。

Cable Modem的工作过程是：以DOCSIS标准为例，Cable Modem的技术实现一般是从87MHz~860MHz电视频道中分离出一条6MHz的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5MHz~65MHz之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制（QPSK比64QAM更适合噪音环境，但速率较低）。CMTS（Cable Modem的前端设备）与CM（Cable Modem）的通信过程为：CMTS从外界网络

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接收的数据帧封装在MPEG—TS帧中，通过下行数据调制（频带调制）后与有线电视模拟信号混合输出RF信号到HFC网络，CMTS同时接收上行接收机输出的信号，并将数据信号转换成以太网帧给数据转换模块。用户端的Cable Modem的基本功能就是将用户计算机输出的上行数字信号调制成5~65MHZ射频信号进入HFC网的上行通道，同时，CM还将下行的RF信号解调为数字信号送给用户计算机。

Cable Modem的前端设备CMTS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，享受本地业务。CM（Cable Modem）是用户端设备，放在用户的家中，通过10Base—T接口，与用户计算机相联。

2.6 HFC宽带接入网技术要解决的问题

HFC宽带网业务的关键技术要解决四个问题：数字压缩技术、宽带交换技术、有限制接受系统和HFC LAN互联技术，下面分别对几种技术进行简单的介绍。

（1） 数字压缩技术

带宽一直是困扰通信界的大问题，尤其是传输数字化的运动图像。如何充分利用现有带宽传输尽可能宽的信号就自然而然地成为摆在我们眼前的课题。数字压缩编码这一新技术的出现给解决带宽的问题提供了途径。比如运用帧间预测、运动补偿预测、变换编码等技术制定的各种压缩图像标准JPEG（传真等）、PX64（会议电视、视频电话等）、MPEG（多媒体、CD－ROM、广播等）。

（2） 宽带交换技术

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