有线电视网络（CATV）中的多媒体通信

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作者：尹昊晖 张家谋
     1、引言
     
     　　多媒体通信是信息高速公路建设中的一项关键技术。它是近年来出现的一种新兴的信息技术，是多媒体、通信、计算机和网络等相互渗透和发展的产物。多媒体通信的广泛应用将会极大地提高人们的工作效率，减轻社会的交通运输负担，改变人们的教育和娱乐方式。多媒体通信将成为21世纪人们通信的基本方式，是目前各国在通信、计算机、教育、广播娱乐等各个研究领域研究的前沿课题。
     　　
     2、多媒体通信的发展背景和定义描述
     
     2.1 多媒体通信的发展背景
     
     　　多媒体通信的发展首先是由于多媒体计算机技术的崛起。自90年代开始，多媒体计算机技术就成为计算机领域的热点之一。计算机在各个领域中的广泛应用使得人类社会的信息量爆炸性地增长，当技术发展到可以方便地处理各种感觉媒体时,多媒体计算机技术自然而然地出现并迅速发展起来。 多媒体通信中的“多媒体\'一词，指的是由在内容上相互关联的文本、图形、图像、音频和视频等媒体数据构成的一种复合信息实体；计算机以数字化的方式对任何一种媒体进行表示、存储、传输和处理，并且将这些不同类型的媒体数据有机地合成在一起，形成多媒体数据，这就是多媒体计算机技术。多媒体计算机技术综合和发展了计算机科学中的多种技术，与旧有的各种技术存在着联系，如操作系统、计算机通信、数字信号和图像处理等。它是以计算机为核心的集图、文、声、像处理技术为一体的综合性处理技术。随着科学技术的迅速发展和社会需求的日益增长，人们已不满足于单一媒体提供的传统的单一服务，如电话、电视、传真等，而是需要诸如数据、文本、图形、图像、音频和视频等多种媒体信息以超越时空限制的集中方式作为一个整体呈现在人们的眼前。在这种时代背景下，伴随着多媒体计算机技术与电话、广播、电视、微波、卫星通信、广域网和局域网等各种通信技术相结合，产生了一种边缘性技术——多媒体通信。
     
     2.2 多媒体通信的定义
     
     　　描述多媒体通信是多媒体技术和通信技术的有机结合，突破了计算机、通信、电视等传统产业间相对独立发展的界限，是计算机、通信和电视领域的一次革命。它在计算机的控制中，对独立的信息进行集成的产生、处理、表现、存储和传输。这些信息中至少包含一个时间相关媒体（如连续的视频信号）或一个时间无关媒体（如离散的数据信号）。
     　　
     　　多媒体通信系统的出现缩短了计算机、通信和电视之间的距离，将计算机的交互性、通信的分布性和电视的真实性完美地结合在一起，向人们提供全新的信息服务。
     　　
     3、多媒体通信网络
     
     　　多媒体要通过通信网传送文本、图形、图像、声音、视频和音频等不同媒体。这些经过数字化的媒体对通信网也提出了不同的要求。文本、图形和图像属于不连续媒体，要求的平均速率不高，可是有很强的突发性和短时的高速率。声音、音频和视频属于连续媒体；其中声音和音频信号传输速率较底，但实时要求较高，视频信号则需要极高的传输速率。多媒体通信的发展要求有适合于传输多媒体信息的通信网。目前的电话网基本上是模拟网或者是数模混合网，其用户线是模拟的，只能传送模拟信号，传数字信息必须加调制解调器。不适合用作多媒体通信。计算机局域网采用分组交换技术，很适合数据传输，例如多媒体通信中的文本、图形和图像信息。但是分组交换对于连续媒体如视频和音频信号会带来很大的延时而影响传输质量。典型的多媒体通信网应具备容量大、时延小、可变比特率。目前国内外通信发展方向为宽带化、智能化、个人化及综合化，是B－ISDN还是宽带IP网将会成为将来进行多媒体业务的理想网络是当今的争论热点之一。
     　　
     4、走向宽带多媒体网的有线电视网
     
     　　目前席卷全国的有线电视网（CATV）也是一个可利用的网络，它有1GHz的带宽，且宽带到用户，这是利用CATV进行多媒体通信的优势；但是由于目前的CATV是单向传输，并且该网络缺乏交换机制以及网络安全管理的功能，这就使得通过CATV提供双向对称/不对称业务非常困难，所 以改造现有的单向网络变成双向网络，即在原有的树形广播网络中传输双向上行的信息是利用CATV实现除电视业务以外其他多媒体业务的关键。目前人们颇为看重的混合光纤同轴电缆网络（HFC）就是基于传统的同轴电缆CATV网络的进一步 发展的结果。下面我们就来探讨在CATV网络上实现多媒体通信的问题。
     
     4.1 双向HFC网络的频带划分
     
     　　考虑一个可能的多业务CATV网络典型的频谱分配方案为：上行（从用户到CATV前端）带宽限制在5～30MHz左右，允许在上行和下行（从CATV前端到用户）频带之间有一保护带。将54～450 MHz的频带留给高清晰度电视（HDTV）和模拟视频；将450～650 MHz用于转换的 数字压缩节目频道；650～750MHz分配给宽带电话（可视电话、会议电视等）和数据业务。假定500户的服务区，这种结构将为每个订户提供62个传送模拟电视和HDTV的普通频道，另外还可分享330个转换的数字压缩节目频道，足以应付非常大的使用量。
     　　
     　　上行带宽分配。各种双向业务频谱可以考虑将上行频谱最低的1MHz作为网络监视载波，它们通常是慢、窄、时分复用信号，而且如果需要，能容忍广泛地重发送。网络监视通常安排在比较嘈杂的信道。交互式业务，由于其性质、差异很大，例如简单的菜单选择和交易业，能容忍重发的延时，而实时的交互活动，如某些类型的视频游戏，则绝对不能容忍拖延。所有这些业务中，电话和个人通信是最不能容忍中断的业务，因为它们主要传输的是话音，对时间和顺序都很敏感，最能容忍中断的是分组通信，如互联网Internet访问业务，因为它总是在转发集中的包数据。
     　　
     　　宽带电话和数据业务被分配在顶端“干净”频谱内。
     
     4.2 CATV上的视频点播（VOD）系统
     
     　　VOD是一种受用户控制的视频分配业务，它使得每一个用户可以交互地访问远端服务器所储存的丰富节目源，也就是说，在家里即可随时点播自己想看的有线电视台服务器储存的电影及各种文艺节目，实现人与电视系统的直接对话，选择电视节目的过程就像在饭馆里点菜一样简单、方便； 它还可以提供图文信息和综合服务；也可以对各种播出节目进行控制和收费。 VOD系统是由信源、 信道及信宿组成的，它们分别对应于CATV系统的前端机房传输网络和用户终端，用户根据电视机屏幕上的选单提示，利用机顶盒选择出自己所喜爱的节目，并向前端发出点播请求指令。在具有双向传输功能的CATV系统中，利用频道分割方式将用户点播的请求信息通过系统的上行通道传输到前端子系统的控制系统。控制系统将点播的节目和主系统的电视信号混合后，由CATV系统的下行通道传输到点播用户终端，经机顶盒解调后观看。
     
     4.3 CATV网上的电话
     
     　　系统人们使用最多、最早的通信工具就是电话，这种网络叫电话交换网，其特点是呼叫一旦建立，两个用户间就通过交换机形成一个直接通路。在电话线上只能传输模拟信号的声音。
     　　
     　　这种电话信号是否可通过别的线路传输呢？有3种办法实现电话信号传输：
     
     (1) 无线通信传输；(2)通过电力系统传输；(3)通过CATV系统传输。
     
     　　由于电力系统存在电压高，不安全以及有变压器隔离等问题，不宜在电力线上传电话，而在CATV系统上实现电话传输，比较符合通信标准和生活习惯，也比较安全适用。
     　　
     　　在CATV网上传电话业务需要增加3种设备：
     
     　　一种是连接交换机和CATV网的前端接口单元；另一种是用户电话和CATV网的用户接口单元；第3种是计算机网络管理设备。
     　　这种CATV电话网又称为电缆电话（Cablephone）。传统电话网的长途干线和局间中继线带宽比较大，但进入用户环路，由于使用的是双绞线，带宽很窄，因此只能传输300～3400Hz的窄带电话和低速数据。电缆电话则不同，其全网都具有宽带的电信业务，因此，不仅可以提供普通电话，也可以提供宽带的电信业务，包括64kbit/s数字电话、ISDN、电视电话等。
     
     4.4 CATV网上的双向数据通信
     
     　　在CATV网上进行双向高速数据的传送时，在用户端利用Cable Modem上网。 Cable Modem采用先进的调制技术（如64QAM），分为对称和非对称二种。其中，对称型可为每个用户提供10Mbit/s的上下通道速率，可用在远程医疗、 远程教学、电视会议等场合；非对称型可为每个用户提供的上行速率为 784kbit/s，下行通道速率可达30Mbit/s，因此特别适合用在WWW浏览、视频游戏、电子新闻阅读等。
     　　Cable Modem多采用标准化接口，如使用最广泛的10BASE－T接口，不仅可以直接与局域网相连，而且解决了计算机间不兼容的问题。
     
     4.5 进行多媒体通信业务的CATV是发展趋势
     
     　　经过双向改造的CATV系统用途广泛。它可以接收VHF，UHF和UHF电视频道及调频立体声广播等多种开路信号，同时还能够传输各种闭路电视信号，如高质量数字电视和点播视频、高保真的数字电话及高速率的数据等多媒体信息。CATV网的另一特点是有广泛的市场和广阔的发展前景。目 前世界范围内已有大约数亿个家庭订购使用有线电视，并且在将来的10年内还有加倍。有线电视在21世纪将成为重要的社会信息媒介。