專利名稱：實現光纖與同軸電纜信號轉換的多媒體住宅網關及方法
技術領域：
本發明屬于寬帶接入網的技術領域。把光纖接入網技術與同軸接入網技術在光纖到樓 (FTTB)的條件下結合在一起，在樓頭實現光載波到射頻載波的轉換，同時完成有線電視 (CATV)廣播信號的接收和基帶以太數據到射頻數據的轉換。實現一種用于光纖接入網的多
媒體住宅網關，通過樹形同軸電纜網為住宅樓內的家庭用戶同時提供有線電視廣播和互聯網服務。
背景技術：
隨著技術成本的持續下降、電信市場的日益開放以及以IP為代表的數據業務的爆炸式增 長，網絡的帶寬與容量成為社會生活的緊缺資源。在國家信息基礎構造中，連接千家萬戶的 接入網成為帶寬的瓶頸。
傳統寬帶接入網有光纖到路邊(FTTC)十雙絞線xDSL、光纖到饋點(FTTF) +同軸電 纜Cable Modem和光纖到樓(FTTB)屮5類線LAN。它們的銅介質部分限制了網絡的帶寬， 因此盡可能延長光纖，縮短銅線就成了各種接入網技術發展的共同趨勢，最終導致了 FTTH (光纖到家)、FTTB (光纖到樓)熱潮的發生。
FTTx的主要技術之一是以太無源光網(EPON)，它由置于局端的光線路終端(OLT)、 外線無源光纖分配網(ODN)和置于用戶端的光網絡單元(ONU)組成。下行(從OLT到 ONU)工作于H90nm波長，上行(從ONU到OLT)工作于1310nm波長，以上下行對稱 1.25Gb/s速率傳輸以太數據包。傳輸距離為最長20km， ODN的最大分支數為1:32。 ONU安 裝在用戶家庭，系統為FTTH， ONU安裝在大樓，系統為FTTB。
中國的國情是居民收入較低和城市居民絕大多數住公寓樓，因此FTTH難以普及，故 FTTB必然是光纖接入網發展的主要方式。這里產生了一個問題，如何把樓頭ONU輸出的以 太數據傳輸到住宅樓內的每家每戶？以太數據通常是用5類線傳輸的，但是在舊的樓房難以 加鋪5類線。解決這個問題的自然設想是利用樓內已有的傳輸有線電視(CATV)的同軸電纜 網來兼傳以太數據，技術方案是在樓頭把ONU輸出的基帶數據調制在射頻載波上，與CATV 射頻信號混合后通過同軸電纜傳輸，到了用戶家庭再作逆變換，還原出CATV信號和以太數 據，分別交給電視機和電腦。在這里須解決如下幾個技術問題
1) 如何進行頻帶劃分，以便實現CATV射頻信號與數據射頻信號在同軸電纜上的頻分復
用？
2) 采用何種數字調制體制把基帶以太數據調制到射頻載波上？3)樓內同軸電纜網是一點到多點的網絡，如何調度各個用戶的上行傳輸，以避免同時傳 輸的數據碰撞？
發明內容
本發明的目的在于針對已有技術存在的問題，提供一種實現光纖與同軸電纜信號轉換的
多媒體住宅網關及方法，實現以太無源光網(EPON)與多媒體同軸網絡(MoCN)的結合，
結點設備是實現光纖與同軸電纜信號轉換的多媒體住宅網關。該網關的任務是把住宅樓內的
家庭用戶通過一個樹形同軸電纜網匯聚到一點，再通過無源光分配網，與以太無源光網局端
和有線電視前端相聯，形成一種新型的寬帶接入網，如圖4。 為達到上述目的，本發明的構思如下
由OLT、 ODN和ONU構成了以太無源光網(EPON)，在OLT與ONU之間通過 1490nm/1310nm光波進行雙向的以太數據通信。同時，由CATV前端、ODN和CATV光接 收機構成了有線電視網，通過1550光波進行單向的電視廣播。由于在CATV前端采用了 WDM 合波器，所以數據光波和電視光波已匯集在同一個ODN中傳播而到達公寓樓，進入裝設在 樓頭的多媒體住宅網關。
由多媒體住宅網關、樓宇同軸電纜網和各個家庭的客戶終端構成了同軸接入網。多媒體 住宅網關完成光波到射頻載波的轉換及數據與電視信號的匯集。首先外線光波被WDM分波 器分成兩路， 一路1550nm光波被CATV光接收機轉換為射頻電視信號，經CATV放大器放 大后，加到雙工濾波器的低通輸入端。另一路1490/1310nm雙向光波加到/取自ONU的光收 發器。該收發器連接ONU的MAC控制器，在那里產生雙向以太數據信號。為了把基帶數據 信號疊加到同軸電纜上，先把它們連接到同軸電纜控制器(NC)，在那里以太數據被打包和 被控制，再調制到射頻載波上，通過同軸網絡接口加到雙工濾波器的高通輸入端。電視射頻 信號與數據射頻信號在雙工濾波器中混合，最后加到樓宇同軸電纜網。
為了實現1550nm波長CATV光波與1490nrn下行數據光波互不相擾，在理論上推導了 數據通道光接收靈敏度(滿足給定誤碼率所需的最小接收光功率)與CATV光波串入數據通 道的光功率與數據光功率之比的定量關系，證明了為了使CATV光波串擾造成的數據光接收 機靈敏度損失小于0.3dB， CATV串擾光功率應至少比數據信號光功率低lldB。這就是說 WDM分波器的1490nrn支路必須把1550nm CATV光波至少衰減31dB。普通的熔融拉錐型分 波器的波長隔離度只有20dB。本發明設計了基于介質薄膜光濾波器的1490/1550nm分波器， 達到了40dB的波長隔離度。
為了實現CATV射頻信號與數據射頻信號的頻分復用，本發明采用圖2所示的頻率資源
4分配。選取數據載波頻段為975 1275MHz，而CATV載波頻段為84 862MHz，兩者之間 有寬度為113MHz的過渡帶，這樣數據調制的射頻信號和CATV射頻信號就能容易地經雙工 濾波器混合，進入樓宇同軸電纜，又能容易地從家庭同軸電纜經雙工濾波器分解出數據調制 的射頻信號和CATV射頻信號。這種頻段分割還避開了 900MHz移動電話信號的干擾。以太 數據可按照同軸網絡的實際情況，選擇在6個不同的頻道中傳輸，中心頻率分別為lOOOMHz、 1050MHz、 llOOMHz、 1150MHz、 1200MHz和1250MHz，頻道帶寬為50MHz。
關于數據對射頻載波的調制方式，本發明采用特種的正交頻分復用(OFDM)方式一自
適應星座圖多載波調制(ACMT， Adaptive Constellation MuM-tone)。在SOMHz頻帶內設置
224個正交的子載波，每個子載波上的調制格式由同軸電纜控制器在PSK、 QPSK、 8 256
QAM中根據該子載波的載噪比自適應地選用。這種數字調制/解調體制具有最強的抗干擾和
抗衰落能力，使以太數據在同軸電纜上的傳輸十分可靠。
對于多個客戶終端(CPE)到多媒體住宅網關的上行數據傳輸，為了避免數據碰撞本發
明采用一種時分多址(TDMA)控制協議。控制中心是多媒體住宅網關中的同軸網絡控制器
(NC)，被控的CPE數最多為63。 NC與CPE之間通過傳送和解讀MAC控制幀完成控制過
程，包括CPE注冊、鏈路維護、帶寬申請與分配、發射功率控制和鏈路加密。為了CPE注
冊，NC周期地廣播信標(Beacon),給CPE提供注冊時間窗口 。為了給調制格式選擇提供依
據，NC不斷發送探測射頻信號(Probe)，由CPE給以應答，從而使NC能感知鏈路的載噪比。
根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案
一種實現光纖與同軸電纜信號轉換的多媒體住宅網關，包括從以太無源光網的光線終端 和有線電視的前端來的外線光纖，以及同軸電纜接口，其特征在于其電路結構為所述從以 太無源光網的光線路終端和有線電視的前端來的外線光纖連接到一個波分復用分波器的公共 端口，所述波分復用分波器的1550nm波長端口通過尾纖連接到一個有線電視光接收機，所 述有線電視光接收機的射頻輸出端口連接到一個有線電視放大器，所述有線電視放大器的射 頻輸出端口連接到一個雙工濾波器；所述波分復用分波器的1490/1310nm波長端口通過尾纖 連接到一個以太無源光網的光收發模塊，所述光收發模塊的兩路差分線連接到一個光網絡單 元媒質訪問控制器，所述媒質訪問控制器的媒質無關接口連接到一個處理器；所述處理器的 媒質無關接口連接到一個以太物理層芯片，以太物理層芯片通過平衡線圈連接到一個10/100 兆以太網接口；所述媒質訪問控制器的千兆媒質無關接口連接到一個同軸網絡控制器；所述 同軸網絡控制器的媒質無關接口連接到所述處理器；同軸網絡控制器還連接到一個同軸網絡接口芯片，同軸網絡接口芯片連接到所述雙工濾波器；所述雙工濾波器的射頻輸出端連接到 所述同軸電纜接口。
一種實現光纖與同軸電纜信號轉換的方法，采用權利要求1所述的多媒體住宅網關進行 信號轉換，其特征在于信號轉換步驟為首先通過波長隔離度大于35dB的波分復用分波器 將外線光纖光波分解成波長為1550nm和波長為1490/1310nm的兩路；然后一方面通過有線 電視光接收機將1550nm光波直接轉換為有線電視射頻信號；另一方面通過光收發模塊的光 探測器將1490nm下行光波轉化為下行以太數據，同時用上行以太數據驅動光收發模塊的激 光器發出1310nm上行光波；再通過同軸網絡控制器和同軸網絡接口芯片把以太數據調制為 975 1275MHz頻段內的射頻信號及從975 1275MHz頻段內的射頻信號解調為以太數據；同 軸網絡接口芯片采用了時分多址(TDMA)媒質訪問控制協議，避免了多個客戶終端向多媒 體住宅網關發送上行數據時的數據碰撞；最后通過雙工濾波器把數據射頻信號與84~862MHz 頻段內的有線電視射頻信號混合在一根同軸電纜上，傳輸到用戶家庭；在樓宇同軸電纜網上 有線電視射頻信號與數據射頻信號互不相擾，同時又避免受到900MHz移動電話信號的干擾； 并且這是一種抗干擾性強的數字調制/解調射頻傳輸方式，實現了自適應星座圖多頻調制方 式，數據射頻頻道的帶寬為50MHz，內含224個正交的可調制子載波，每個子載波上的調制
格式(PSK， QPSK， 8 256QAM)由NC動態選擇。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明作
為一種用于光接入網的多媒體住宅網關，實現了以太無源光網EPON與多媒體同軸網絡 MoCN的結合。可將住宅樓內的家庭用戶通過一個樹形同軸電纜匯聚到一點，再通過無源光 分配網，與以太無源光網局端和有線電視前端相聯，形成寬帶接入網。本網關的對應網絡設 備是EPON的局端設備OLT，有線電視前端的光發發送機和光纖放大器，功能強大，能在樓 宇同軸電纜中同時傳輸有線電視信號和以太數據信號，為家庭用戶提供綜合服務。本發明具 有結構簡單，組網靈活，成本低廉的特點，適于在廣播電視網絡中應用和推廣。
圖1是多媒體住宅網關的硬件結構框圖。 圖2是多媒體住宅網關頻率復用示意圖。
圖3是多媒體住宅網關在FTTB光纖/同軸接入網中的配置關系圖。 圖4是多媒體住宅網關在FTTB光纖/同軸接入網中的配置關系。 圖5是FTTB光纖/同軸接入網總體示意圖。
具體實施方式
本發明實現了一種用于寬帶接入系統的新型多媒體住宅網關，具體的硬件架構詳述如下 圖3是本發明圖1多媒體住宅網關構成的具體實現框圖。從EPONOLT和CATV前端來 的外線光纖連接到WDM分波器2的公共端口 1。 WDM分波器2的1550nrn端口 3通過尾 纖連接到CATV光接收機4，CATV光接收機4的射頻輸出端口連接到CATV放大器5，CATV 放大器5的射頻輸出端口連接到雙工濾波器19。 WDM分波器2的1490A310nm端口 6通過 尾纖連接到SFP光收發模塊7， SFP光收發模塊7的兩路差分線連接到EPON的ONU MAC 控制器芯片8， ONU MAC控制器芯片8的Mil接口 9連接到CPU芯片10。 CPU芯片10的 MII接口 11連接到以太物理層芯片12，以太物理層芯片12通過平衡線圈13連接到10/100M 以太接口 14。 ONU MAC控制器芯片8的GMII接口 15連接到同軸網絡控制器芯片16。同 軸網絡控制器芯片16的MMI接口 17連接到CPU芯片。同軸網絡控制器芯片16再連接到同 軸網絡接口芯片18，同軸網絡接口芯片18再連接到雙工濾波器19。雙工濾波器的射頻輸出 端連接到同軸電纜接口20。
采用的關鍵光收發模塊、集成電路芯片的選型和功能如下
SFP光收發器，型號LTB3421，中國海信光電公司；功能突發發送1.25Mb/s以太光 信號，波長1310士50nm;連續接收1.25Mb/s以太光信號，波長1490土10nm。
EPON ONU MAC控制器芯片，型號TK3715，美國Teknovus公司；功能執行全部IEEE 802.3 EPON協議，完成光纖接入網的ONU注冊、測距、帶寬分配。在安全功能上實現關于 三層攪動的中國信息產業部行業標準。在數據通道對CATV通道喇曼干擾的抑制方面，配合 OLT的MAC控制器芯片(型號TK3723)完成以太幀間隨機字符的去除，空閑字符的恢復。 具有GMII并行千兆以太接口，便于與同軸網絡控制器芯片連接，發送和接收以太數據包。
同軸網絡控制器芯片，型號EN3211，美國Entropic公司；功能執行c丄INK協議的 MAC層和物理層數據部分，完成同軸網絡的接入控制，包括CPE注冊、鏈路維護、帶寬申 請與分配、發射功率控制和鏈路加密。向客戶端發送時，將ONU發來的以太幀打成c丄INK MAC幀后再傳輸，從客戶端接收時，將c丄INK MAC幀解析成以太幀再傳輸。傳輸時完成 ACMT調制/解調的基帶部分。
同軸網絡接口芯片，型號EN1010，美國Entr叩ic公司；功能執行c丄INK協議的物理 層的射頻部分，即將來自EN3211的ACMT調制基帶信號變換成射頻信號再發給客戶端，及 將來自客戶端的射頻信號逆變換成ACMT調制基帶信號再發給EN3211。射頻頻率和功率可 調。
CPU芯片，型號MPC8349E PowerPC處理器，美國Micetek公司；功能具有533MHz
7中心處理主頻、128MRAM、 8MNORFlash、 2個GMII千兆以太接口 、 1個PCI總線、l個 miniPCI接口。用于驅動EN3211同軸網絡控制器芯片，連接TK37150NUMAC控制器芯片。 本實現光纖與同軸電纜信號轉換的方法，采用權利要求1所述的多媒體住宅網關進行信 號轉換，信號轉換步驟為首先通過波長隔離度大于35dB的波分復用分波器2將外線光纖 光波分解成波長為1550nm和波長為1490/1310nm的兩路；然后一方面通過有線電視光接收 機4將1550nm光波直接轉換為有線電視射頻信號；另一方面通過光收發模塊7的光探測器 將1490nm下行光波轉化為下行以太數據，同時用上行以太數據驅動光收發模塊7的激光器 發出1310nm上行光波；再通過同軸網絡控制器16和同軸網絡接口芯片18把以太數據調制 為975 1275MHz頻段內的射頻信號及從975 1275MHz頻段內的射頻信號解調為以太數據； 同軸網絡接口芯片18采用了時分多址(TDMA)媒質訪問控制協議，避免了多個客戶終端向 多媒體住宅網關發送上行數據時的數據碰撞；最后通過雙工濾波器19把數據射頻信號與 84 862MHz頻段內的有線電視射頻信號混合在一根同軸電纜上，傳輸到用戶家庭；在樓宇同 軸電纜網上有線電視射頻信號與數據射頻信號互不相擾，同時又避免受到900MHz移動電話 信號的干擾；并且這是一種抗干擾性強的數字調制/解調射頻傳輸方式，實現了自適應星座圖 多頻調制方式，數據射頻頻道的帶寬為50MHz，內含224個正交的可調制子載波，每個子載 波上的調制格式(PSK， QPSK， 8 256QAM)由NC動態選擇。 發明的應用
多媒體住宅網關符合實際的寬帶接入網組網靈活的要求。它的ONU通過光纖與EPON 的局端設備OLT通信，接入寬帶城域網(MAN)。 一個OLT可以最多連接32個多媒體住宅 網關。每個多媒體住宅網關的同軸網絡控制器(NC)通過一個樹形同軸電纜網可以連接公寓 樓內的最多63個客戶終端(CPE)。這樣一個前端就可以為最多2016個用戶提供電視廣播和 雙向數據業務。系統配置示意圖如圖4所示，可以按照實際的需要，選擇多媒體網關和客戶 終端的數量，根據業務量的需要，進行靈活的組網。
最后形成的FTTB光纖/同軸接入網如圖5所示。
權利要求
1. 一種實現光纖與同軸電纜信號轉換的多媒體住宅網關，包括從以太無源光網的光線終端和有線電視的前端來的外線光纖，以及同軸電纜接口(20)，其特征在于其電路結構為所述從以太無源光網的光線路終端和有線電視的前端來的外線光纖連接到一個波分復用分波器(2)的公共端口(1)，所述波分復用分波器(2)的1550nm波長端口(3)通過尾纖連接到一個有線電視光接收機(4)，所述有線電視光接收機(4)的射頻輸出端口連接到一個有線電視放大器(5)，所述有線電視放大器(5)的射頻輸出端口連接到一個雙工濾波器(18)；所述波分復用分波器(2)的1490/1310nm波長端口(6)通過尾纖連接到一個以太無源光網的光收發模塊(7)，所述光收發模塊(7)的兩路差分線連接到一個光網絡單元媒質訪問控制器(8)，所述媒質訪問控制器(8)的媒質無關接口(9)連接到一個處理器(10)；所述處理器(10)的媒質無關接口(11)連接到一個以太物理層芯片(12)，以太物理層芯片(12)通過平衡線圈(13)連接到一個10/100兆以太網接口(14)；所述媒質訪問控制器(8)的千兆媒質無關接口(15)連接到一個同軸網絡控制器(16)；所述同軸網絡控制器(16)的媒質無關接口(17)連接到所述處理器(10)；同軸網絡控制器(16)還連接到一個同軸網絡接口芯片(18)，同軸網絡接口芯片(18)連接到所述雙工濾波器(19)；所述雙工濾波器(19)的射頻輸出端連接到所述同軸電纜接口(20)。
2. —種實現光纖與同軸電纜信號轉換的方法，采用權利要求1所述的多媒體住宅網關進行信 號轉換，其特征在于信號轉換步驟為首先通過波長隔離度大于35dB的波分復用分波器(2)將外線光纖光波分解成波長為1550nm和波長為1490/1310nm的兩路；然后一方面通 過有線電視光接收機(4)將1550nm光波直接轉換為有線電視射頻信號；另一方面通過光 收發模塊(7)的光探測器將1490nm下行光波轉化為下行以太數據，同時用上行以太數據 驅動光收發模塊(7)的激光器發出1310nm上行光波；再通過同軸網絡控制器(16)和同 軸網絡接口芯片(18)把以太數據調制為975 1275MHz頻段內的射頻信號及從975 1275MHz 頻段內的射頻信號解調為以太數據；同軸網絡接口芯片(18)釆用了時分多址(TDMA)媒 質訪問控制協議，避免了多個客戶終端向多媒體住宅網關發送上行數據時的數據碰撞；最 后通過雙工濾波器(19)把數據射頻信號與84~862MHz頻段內的有線電視射頻信號混合在 一根同軸電纜上，傳輸到用戶家庭；在樓宇同軸電纜網上有線電視射頻信號與數據射頻信 號互不相擾，同時又避免受到900MHz移動電話信號的干擾；并且這是一種抗干擾性強的 數字調制/解調射頻傳輸方式，實現了自適應星座圖多頻調制方式，數據射頻頻道的帶寬 為50MHz，內含224個正交的可調制子載波，每個子載波上的調制格式(PSK， QPSK， 8 256QAM)由NC動態選擇。
全文摘要
本發明涉及一種實現光纖與同軸電纜信號轉換的多媒體住宅網關及方法。它是主流光纖接入網--以太無源光網及有線電視網與樓宇同軸電纜網的結點設備。其一端通過光纖分配網連接以太無源光網的光線路終端和有線電視前端，另一端通過住宅樓內的同軸電纜網連接家庭用戶。實現一根光纖到樓、一根同軸電纜入戶，提供雙向數據和廣播電視服務。
文檔編號H04L12/66GK101478504SQ20081020400
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者瑞 丁, 宋國榮, 宋英雄, 林如儉, 斌 胡, 陳海輝 申請人:上海大學;上海凌云天博光電科技有限公司