CN101227295B - 基于同轴电缆网上的以太网收发装置及以太网传输方法 - Google Patents

基于同轴电缆网上的以太网收发装置及以太网传输方法 Download PDF

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Abstract

一种基于同轴电缆网上的以太网收发装置及以太网的传输方法，该收发装置用于以太网接入点以及各同轴终端中；其包括：与同轴电缆相连的模拟接口；与模拟接口连接的接收信号检测模块，其用以对来自模拟接口的接收信号进行电平幅度的检测；接收自动放大模块，与所述的接收信号检测模块连接，其根据所述的信号检测模块对电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号达到相同的输出电平。本发明实现了以太网的接入点与各同轴终端之间以及各同轴终端之间的互通，从而使以太网的CSMA/CD MAC层能够使用在广电同轴网络应用环境中；且实现成本很低。

Description

基于同轴电缆网上的以太网收发装置及以太网传输方法 
技术领域
本发明涉及以太网传输技术，特别涉及一种基于同轴电缆网上的以太网收发装置及以太网的传输方法。 
背景技术
在现有的有线电视光纤同轴网络(HFC)中，电视节目由前端经光纤传送到电视网络靠近用户的光同轴终端(一般情况下，一个光同轴终端覆盖周边的300～500个用户)，在光同轴终端处将光信号转换为电信号后，再通过同轴电缆分配网络将电视信号经居民楼传送到各个居民家中。随着人们对双向传输新业务(例如，交互数字电视、在有线电视网上实现数据、语音、图像等多媒体通信等宽带业务)需求的增长，只能单向传输的有线电视网要开展双向业务，所遇到的首要问题就是双向改造。双向改造是有线电视网从单功能向多功能发展，从广播电视网向信息网发展的第一道门槛。 
以太网具有简单、低成本和易扩展的优势成为HFC双向改造的较佳选择，然而，由于广电的电视同轴分配网络在接入点和同轴终端之间以及各同轴终端之间的传输，是一个有较大恒定衰减的网络，不同于几乎无衰减总线型的同轴以太网，也不同于点对点双绞线以太网网络。其传输的衰减特征体现在两个方面： 
1)接入点和同轴终端之间的衰减特征 
请参阅图1，图1为现有的有线电视同轴分配网中楼接入点到各同轴终端的网络结构示意图；如图所示，在每一个居民楼内，有一个楼头放大器，对电视信号进行放大，以弥补传输过程中的信号衰减。假设，一个6层居民楼有6个单元，每一个单元有12户，那么经过楼头放大器放大后的电视信号，首先经过一个6分配器，将电视信号能量平均分配到6个单元，然后，通过在每个单元内的每层楼上的二分支器，再将电视信号分到每层楼的两户居民家(同轴终端)中。为了保证电视信号到各家各户的信号幅度一致(因 为各家的电视机接收信号的幅度要一致)，所以各层楼的分支器衰减幅度不同，比如信号一般是从一楼传送到六楼，处于信号传输近端的一楼，不需要经过后面的分支器和传输电缆，因此需将一楼分支器的衰减幅度设置为较大，例如，通常为14db的衰减；而二楼分支器的衰减幅度稍小，例如12db，以此类推。这样，在电视信号源通过同一个同轴分配网络传输到12家的传输过程中，虽然传输距离和传输路径不同，但同一电视信号源经接入点到各同轴终端的衰减是相同的。 
具体地说，经过楼头放大器放大后的电视信号首先经过一个6分配器，经电视信号能量平均分配到6个单元，在每一个单元内部，在每层楼有一个二分支器，将电视信号分到每层楼的两户。那么这个网络的衰减为大约31dB。该衰减值在理论上的计算大致为：一个6分配器(9dB)、5个不同楼层的分支器和一个6楼的2分配器(14dB)和大约50米(楼道35米加室内15米)的同轴电缆线(10dB，按照高频1000MHz的衰减计算)，一共加起来为33dB。实际工程中一般小于31dB。也就是说，楼头放大器的输出为100dBuv，而用户端电视机的接收幅度为69dBuv。 
2)各同轴终端之间的衰减特征 
在有线电视同轴分配网中的不同同轴终端之间，由于两个同轴终端之间进行通信时，所经过的分支设备(分配器或分支器)的个数不同，因此衰减幅度不同。各个同轴终端之间的衰减，至少在25dB以上，最大可以到达60dB左右。具体地说，同一个分支器的两个分支同轴终端的衰减(相当于分支器的相互隔离度参数)，大约在25dB到30dB之间。不同分支器的所接的同轴终端之间的衰减，相当于是一个反向隔离度参数再加上一个分支损耗参数，大约在40dB到60dB之间。 
从上述两条衰减特征来看，如果在同轴电缆网上实现以太网传输协议，特别是在以太网的MAC层实现CSMA/CD协议的情况下，不仅需要以太网接入点与各个同轴终端互通，还要做到各个同轴终端之间是互通的。也就是说，以太网接入点与各个同轴网络互通需要克服31dB左右的衰减，各个同轴终端之间的互通需要克服25dB到60dB之间的衰减。 
现在市场上的以太网物理层接入芯片的规格有10/100M自适应、GE(千兆以太网)和10GE(万兆以太网)等。这类芯片的主要功能是完成物理层的编码、数模转换、时钟恢复以及模拟的放大等，其结构上包括对外的接口(模拟信号)以及对MAC层的接口(数字信号)。 
请参阅图2，图2为现有以太网收发装置中的物理层设备的结构。如图所示，模拟接口110与AD/DA(模数/数模)单元120、时钟与编解码单元130、MAC层接口单元140依次串接。在接收方向，从模拟接口110输入的接收信号，首先经过AD/DA单元120进行模拟至数字的变换处理，将模拟信号转换为数字信号，然后再由编解码单元130进行编码解码处理，从物理层的编码数据流中提取出MAC层的数据信息，再经过MAC层接口单元140进行MAC层接口处理后送出。其中，AD/DA单元120按照IEEE 802.3的标准发送电压和标准接收参考电平进行模数/数模转换。 
以太网是基于双绞线传输的，以传输距离是100米时为例，双绞线在20MHz时的衰减仅为8dB。在以太网的信号接入点的收发装置的发送电平不改变的情况下，如果使接入点或同轴终端的收发装置的发送端按照IEEE802.3的标准发送电压发送信号，接收端同样按标准接收参考电平接收信号，由于同轴分配网中的分支设备使接入点与同轴终端之间以及各同轴终端之间的传输衰减较大，影响到接收端的正确解码，接收端不能接收到经同轴分配网传输来的信号。因此必须对以太网接入点和同轴终端的收发装置中的物理层芯片进行改造。 
发明内容
针对上述需解决的物理层信号的传输问题，本发明的目的在于借用现有的同轴树状网络传输以太网的基带信号，通过对发送侧和接收侧物理层的收发装置进行改造，从而达到支持基带以太网在现有电视同轴网络上作点对多点的、大衰减情况下的传输。 
基于上述目的，本发明提供一种以太网的收发装置，适用于同轴电缆的分配网中的以太网接入点以及各同轴终端设备中；其包括模拟接口，以及依次串接的模数/数模单元、编解码单元及MAC层接口单元；所述的模拟接口与同轴电缆相连；所述的模数/数模转换单元用来进行模拟信号与数字信号之间的转换；所述的编解码单元用来对信号进行编码解码处理；所述的MAC层接口单元用来对信号进行MAC层接口处理；还包括：接收信号检测模块，与模拟接口连接，对来自模拟接口的接收信号进行电平幅度的检测；接收自动放大模块，与所述的接收信号检测模块及所述的模数/数模转换单元分别连 接，其根据所述的信号检测模块对电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号达到相同的输出电平。 
优选地，所述的以太网的收发装置发明还包括：发送放大模块，与所述的模拟接口及所述的模数/数模转换单元分别连接，用来放大输出到所述模拟接口的发送信号电平；其中，所述的发送放大模块的放大系数由各同轴终端之间的最大衰减损耗确定。 
优选地，所述的收发装置还包括：接收处理模块，其插接于模拟接口与接收信号检测模块之间，其通过设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口的信号。 
优选地，所述的电平阈值由各同轴终端之间的最大的衰减损耗确定。 
优选地，所述的模拟接口通过电阻调节单元与同轴电缆相连，所述的电阻调节单元用以调整物理层的负载。 
优选地，所述的收发装置还包括：码间干扰抵消模块，连接所述的模数/数模转换单元，用来剔除模数转换后接收信号中的串扰信号。 
本发明还包括一种在同轴电缆网上的以太网传输方法，适用于同轴电缆的分配网中的以太网接入点和各同轴终端设备中，其包括以下步骤： 
对接收信号进行电平幅度的检测； 
根据电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号的输出电平相同； 
对经过所述调整的信号进行模数转换； 
对所述模数转换后的信号进行解码处理； 
对所述解码处理后的信号进行MAC层接口处理。 
优选地，在步骤1之前，该方法还包括：通过设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口的信号。 
优选地，所述的电平阈值由各同轴终端之间的最大的衰减损耗确定。 
优选地，该方法还包括：在发送方向，放大输出信号的发送电平。其中，输出信号的放大系数由各同轴终端之间的衰减特性参数确定。 
优选地，在进行数据传输前，该方法还包括调整物理层的负载的步骤。 
附图说明
优选地，在接收方向，该方法还包括去除模数转换后业务信号中的串扰信号的步骤。 
从上述技术方案可以看出，本发明利用现有的同轴树状网络传输以太网 的基带电信号，采用新的以太网传输方法，支持基带以太网在现有电视同轴网络上作点对多点的、过同轴分支分配器衰减的传输；实现了以太网的接入点与各同轴终端之间以及各同轴终端之间互通，从而使以太网的CSMA/CDMAC层能够使用在广电同轴网络应用环境中。此外，本发明在传输线中消除了码间干扰和传输线间的相互干扰造成的信号失真。 
因此，为广播电视增值业务的开拓和现有网络资源的增值创造了广阔的机会，特别是这种双向改造的成本很低。 
图1为现有的有线电视同轴分配网中楼接入点到各同轴终端的网络结构示意图； 
具体实施方式
图2为现有以太网收发装置中的物理层设备(芯片)的结构； 
图3为本发明以太网收发装置实施例的结构示意图； 
图4为本发明在同轴电缆网上(接收方向)的以太网传输方法实施例的流程图。 
下面将结合附图详细介绍以太网的收发装置的结构，及通过将以太网接入点与同轴终端或两个同轴终端的收发装置互连，可以实现本发明的以太网的MAC层在同轴电缆网上采用载波侦听多点接入/冲突检测(Carrier SenseMultiple Access with Collision Detection简称CSMA/CD)的协议传输数据。图4中的S表示步骤。 
以太网的载波侦听多点接入/冲突检测(Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection简称CSMA/CD)的协议，要求各个节点都能够检测到彼此发出的信号，以判断传输介质是否冲突，载波侦听多路访问/冲突监测(CDSMA/CD)是为了解决网络上同时传输信息而引起的冲突问题的一种技术。它是这样工作的：局域网中的各个节点(例如工作站)在发送信息前都通过侦听网络传输介质中的载波信号，以了解是否有其他工作站在发送数据。如果没有，那么该信号就会给工作站报告一切就绪的信号，该工作站就开始传输数据，如果载波侦听信号发现有另一台工作站在发送数据，该工作站就会等待，暂时不发送信息。因此，同轴分配网络上的多电视用户的同轴终端之间只要能够检测到彼此发出的信号，才能判断传输介质是否冲突；从 而使以太网MAC层协议CSMA/CD能在电视同轴的分配网络上使用。 
请参阅图3，图3为本发明以太网收发装置实施例的结构示意图。该以太网的收发装置的模拟接口110与同轴电缆相连，可适用于同轴电缆的分配网中的以太网接入点以及各同轴终端中；与图2的结构相似，收发装置中的物理层芯片包括，模拟接口110、AD/DA(模数/数模)单元120、编解码单元130、以及MAC层接口单元140，并且图3与图2中上述模块的功能也是相同的。 
与图2中不同的是，在信号的发送方向，在模拟接口110与AD/DA(模数/数模)单元120之间插接有发送放大模块260用来放大输出到所述模拟接口110的发送信号电平。并且接入点或同轴终端的收发装置的发送端，还可以大于按照IEEE 802.3的标准的发送电压的输出幅度发送信号。 
再请参阅图1，根据背景技术部分的计算，同轴分配网中的接入点与同轴终端之间的衰减损耗是一个固定值(例如为20dB)，同理，各个同轴终端与接入点之间的衰减也为20dB；而各同轴终端之间的传输衰减是不同的(例如为25dB到60dB)。因此，如果要实现以太网接入点与各个同轴终端之间、以及各个同轴终端之间互通，在接收方向必须在一个较大的动态范围内均能接收数据。 
接收的动态范围计算如下：根据将同一个分支器的两个同轴终端之间(即两个同轴终端之间能接收到彼此发送的数据)的衰减最小值与各个同轴终端与接入点之间的衰减值进行比较，得到动态接收范围的上限值，根据不同分支器的不同同轴终端之间的衰减得到动态接收范围的下限值，以及这两个动态接收范围的上下限数值的差值，就代表了接收信号的动态接收范围。例如，本实施例的动态接收范围的上限值为输入电压衰减25dB，下限值为输入电压衰减60dB，动态接收范围为35dB。 
按照基于电压的衰减计算公式(以dB为单位)： 
电压衰减幅度＝20lg(Vx/Vo)    公式1 
其中，Vx为输入电压，Vo为输出电压。 
通过上述计算公式可以得出，在电压衰减幅度为20dB的情况下，Vx/Vo＝10；在电压衰减幅度为60dB的情况下，Vx/Vo＝1000。而在无分支器衰减的50米同轴电缆分配网的电缆传输情况下，因其网络电压衰减幅度仅 为2dB左右，对应的Vx/Vo＝1.25。 
因此，假设信号接入点的输入电压Vx＝1V，那么在2dB的情况下，输出电压为0.79V；同样，在20dB的情况下，输出电压为0.1V；在60dB的情况下，输出电压为0.001V。 
在上述情况下，如果以太网的信号接入点的输入电压幅度为1V，那么到达各个同轴终端的信号幅度应为0.1V。同样，各个同轴终端发出来的输出幅度为1V的信号，到达以太网的输入幅度也为0.1V；但到其它同轴终端的信号，输出幅度最大为0.056V，最小为0.001V。因此，所述的发送放大模块260的放大系数由各同轴终端之间的最大衰减损耗确定，使接收端能接收到经同轴分配网传输来的衰减最大的信号(例如60dB)。较优地，所确定的发送放大模块260的放大系数能使接收端按照IEEE 802.3的标准接收电压信号，从而不影响到接收端的正确解码。 
如果物理层芯片只能识别最小幅度为0.5V的信号，那么按照在电压衰减幅度为60dB的情况下Vx/Vo＝1000计算，需要在输入端将物理层芯片的输出电压放大到500V，因此，需要在接入点和同轴终端的物理层芯片输出端加放大器提升信号的传送幅度。 
在信号的接收方向，在模拟接口110与AD/DA(模数/数模)单元120之间依次插接有接收处理模块200、接收信号检测模块210以及接收自动放大模块220。 
接收处理模块200，其通过设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口110的信号。该接收信号的电平阈值由各同轴终端之间的最大衰减特性参数确定；并且使低于各同轴终端之间的最大衰减损耗的电压值过滤掉，以避免不必要的干扰。 
接收信号检测模块210，对来自模拟接口110的接收信号进行电平幅度的检测。由于以太网接入点或同轴终端的接收端所接收的来自不同发送节点(以太网接入点或同轴终端)的信号幅度不同，其接收的动态范围可以为从20dB到60dB，因此需要对不同的接收信号进行信号幅度的差异放大。 
接收自动放大模块220，在接收方向与所述的接收信号检测模块210连接，其根据电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号达到相同幅度的输出电平。自适应地调整接收自动放大模块220的放大 系数，在现有技术中有许多方法可以实现，在此不再赘述。 
具体地说，本发明的接收端对从模拟端口110接收的输入信号，先检测该输入信号电平幅度，然后根据输入信号幅度来决定后面的接收自动放大模块220的放大倍数，使得接收装置中的物理层芯片内部后续的模块(例如模数/数模转换单元120)能够进行统一处理。 
本实施例中，所述的接收自动放大模块220输出的信号输入到了模数/数模转换单元120，用来进行模拟信号与数字信号之间的转换。 
例如，如果接收到的信号是以太网接入点发送到某同轴终端的，以太网的信号接入点的输入电压幅度为5V，那么在衰减为20dB的情况下，到达该同轴终端的信号幅度应为0.5V，并且当接收端的模数/数模转换单元120的参考电平(判决0、1的基准)为0.5V时，为了模数/数模转换单元120能正确处理电压幅度为0.5V的信号，接收端的放大倍数为2就可以满足要求。这样就可以使以太网接入点发送的信号，经过同轴分配网传输的衰减后，通过接收自动放大模块220的放大，在没有改变AD/DA(模数/数模)单元120的基准参考电平的情况下，其信号满足了模数/数模转换单元120的处理要求，从而将幅度较低的模拟信号中转换出正确的数字信号。 
请参阅图4，图4为本发明在同轴电缆网上(接收方向)进行以太网传输的方法实施例一的流程图；本实施例中的传输方法，包括以下步骤： 
步骤S11：设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口的信号； 
步骤S12：对接收信号进行电平幅度的检测； 
步骤S13：根据电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号达到相同的输出电平。 
步骤S14：将处理后的接收信号按参考电平进行模数转换； 
步骤S15：消除模数转换后接收信号中的串扰信号。 
在本实施例中，为了消除因传输线中的码间干扰和传输线间的相互干扰造成的信号失真，在信号的接收方向，码间干扰抵消模块240连接在模数/数模转换单元120后，用来剔除模数转换后接收信号中的串扰信号。码间干扰抵消模块240技术属现有技术，在此不再赘述。 
此外，由于双绞线是100欧姆的差分平行负载，而同轴电缆是单端75 欧姆的负载，所以在PHY芯片的设计中，还需要将负载改为75欧姆的。如图3所示，所述的模拟接口110通过电阻调节单元100与同轴电缆相连，所述的电阻调节单元100将物理层的负载调整成75欧姆。电阻调节单元100也可以设计在模拟接口110之后。 
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。 

Claims (12)

1.一种以太网的收发装置，适用于同轴电缆分配网中的以太网接入点以及各同轴终端设备中；其包括：模拟接口(110)，以及依次串接的模数/数模单元(120)、编解码单元(130)及MAC层接口单元(140)；
所述的模拟接口(110)与同轴电缆相连；
所述的模数/数模转换单元(120)用来进行模拟信号与数字信号之间的转换；
所述的编解码单元(130)用来对信号进行编码解码处理；
所述的MAC层接口单元(140)用来对信号进行MAC层接口处理；
其特征在于，还包括：
接收信号检测模块(210)，与模拟接口(110)连接，对来自模拟接口(110)的接收信号进行电平幅度的检测；
接收自动放大模块(220)，与所述的接收信号检测模块(210)及所述的模数/数模转换单元(120)分别连接，其根据所述的接收信号检测模块(210)对电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号的输出电平相同。
2.根据权利要求1所述的以太网的收发装置，其特征在于，所述的收发装置还包括：
发送放大模块(260)，与所述的模拟接口(110)及所述的模数/数模转换单元(120)分别连接，用来放大输出到所述模拟接口(110)的发送信号电平；所述的发送放大模块(260)的放大系数由各同轴终端之间的最大衰减损耗确定。
3.根据权利要求1所述的以太网的收发装置，其特征在于，所述的收发装置还包括：
接收处理模块(200)，其插接于模拟接口(110)与接收信号检测模块(210)之间，其通过设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口(110)的信号。
4.根据权利要求3所述的以太网的收发装置，其特征在于，所述的电平阈值由各同轴终端之间的最大的衰减损耗确定。
5.根据权利要求1所述的以太网的收发装置，其特征在于，所述的模拟接口(110)通过电阻调节单元(100)与同轴电缆相连，所述的电阻调节单元(100)用以调整物理层的负载。
6.根据权利要求1-5任意一个所述的以太网的收发装置，其特征在于，所述的收发装置还包括：码间干扰抵消模块(240)，连接所述的模数/数模转换单元(120)，用来剔除模数转换后接收信号中的串扰信号。
7.一种在同轴电缆网上的以太网传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
对接收信号进行电平幅度的检测；
根据电平幅度的检测结果，自适应地调整放大系数，使放大后的接收信号的输出电平相同；
对经过所述调整的信号进行模数转换；
对所述模数转换后的信号进行解码处理；
对所述解码处理后的信号进行MAC层接口处理。
8.根据权利要求7所述的传输方法，其特征在于，在步骤1之前，该方法还包括：
通过设置接收信号的电平阈值，选择性地接收来自模拟接口的信号。
9.根据权利要求8所述的传输方法，其特征在于，所述的电平阈值由各同轴终端之间的最大的衰减损耗确定。
10.根据权利要求7所述的传输方法，其特征在于，该方法还包括：在发送方向，放大输出信号的发送电平；其中，所述的放大系数由各同轴终端之间的衰减特性参数确定。
11.根据权利要求7所述的传输方法，其特征在于，还包括：在进行数据传输前，调整物理层负载的步骤。
12.根据权利要求7-11任意一个所述的传输方法，其特征在于，在接收方向，该方法还包括去除模数转换后业务信号中的串扰信号的步骤。
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