1.共用天线电视
有线电视系统最初包括以下几个部分：一个大天线，一般放在山顶上，一般将电视信号从空中接收下来；一个放大器，也成为头端，它可以加强信号；一根同轴电缆，它将电视信号送到用户住宅。如图。早期阶段有线电视称为共用天线电视。在这样的系统中，信号传输是单向的，从头端传输到用户处。

2.线缆上的Internet

• 随着电视系统的发展，电缆已经被替换成光纤。如果一个系统中长距离使用的是光纤，连接到家庭的是同轴电缆，则这样的系统称为混合光纤电缆（HFC）系统。系统的光学部分和电子部分的接口是光电转换器，称为光纤节点。因为光纤的带宽远超同轴电缆的带宽，所以一个光纤节点可以连接多个同轴电缆。图中a显示了一个HFC系统的一部分。
• 有线电视运营希望进入Internet接入业务，也想涉及电话业务。有线电视设备和电话设备技术上的差异对如何实现上述目标有很大影响。一方面，系统中所有的单向放大器必须替换成双向放大器，才能支持上行流和下行流的传输。早期线缆上的Internet利用有线电视网络进行下行流的传输，而通过电话网络的拨号进行上行流的传输。然而，图a所示的HFC系统和图b所示的电话系统之间还存在一个难以克服的差异：在有线电视系统的下游邻居中，许多用户共享一根同轴电缆；而在电话系统中，每个住宅都有自己专用的本地回路。当这根同轴电缆被用于电视广播时，这种共享是自然的，但是用作Internet接入时，如果一个用户想要下载一个非常大的文件，则他很有可能将其他用户的潜在带宽都拿过来使用了，电话系统则没有这个特点。另一方面，同轴电缆的带宽远高于双绞线的带宽，如果邻居不在上网或者不常使用网络，那就能很幸运地拥有很大的带宽。有线电视行业解决这个问题的方法是将长的电缆分解开，然后将每一段直接连接到光纤节点上，现在一根典型的电缆上通常有500~2000户家庭。

3.频谱分配

• 有线电视行业采用频分多路复用让电视和Internet在同一根电缆上共存。在北美，有线电视频道通常占用54~550MHz范围（除了88~108MHz用于FM无线电台以外）。这些电视频道都是6MHz宽，其中包括保护频段。在欧洲，低端通常在65MHz，由于PAL（一种电视广播制式）和SECAM（一种彩色电视制式）所要求的分辨率较高，所以每个频道使用7~8MHz宽；除此之外，在其他方面分配方案非常相似。频带较低的部分并未使用，5~42MHz频段引入上行流信道，使用高端频率作为下行信号。电缆的频谱如图所示。
• 由于电视信号全部是下行的，所以上行流放大器可以仅工作在5~42MHz区域范围内，下行流放大器仅工作在54MHz以上。如电话公司一样，有线电视运营商通常使用更多的频段分配给下行流，以满足大多用户的需求。

4.线缆调制解调器

• 有线电视电缆接入Internet需要一个线缆调制解调器，这是一个具有两个接口的设备：一个接口连接计算机，另一个接口连接有线电视网络。在有线电视接入Internet的早期，每个运营商都有自己专用的线缆调制解调器，后来出现了一个标准，称为线缆数据服务接口规范（DOCSIS）。DOCSIS1.0于1997年问世，很快就被2001年的DOCSIS2.0所取代，该版本增加了上行流速率以便提供更好的对称服务（如IP电话）。这些标准的欧洲版本称为EuroDOCSIS。
• 调制解调器与计算机的接口非常简单，通常是以太网，偶尔是USB。另一端要复杂一些，因为它要采用FDM、TDM、和CDMA这全部的复用技术来完成用户对线路带宽的复用。当插上线路调制解调器并接通电源后，它就扫描下行流信道，寻找一个特殊的数据包；该数据包有头端定期发送，头端通过它向刚刚上线的调制解调器提供系统参数。新的调制解调器找到该数据包后，就在某个上行信道中宣布自己的存在。头端立即做出响应，为新的调制解调器分配上行和下行信道。以后，如果头端认为有必要的话，这些上行和下行信道的分配方案还可以改变。
• 6MHz或8MHz信道的使用属于FDM部分。每个线缆调制解调器在一个上行流信道和一个下行流信道上发送数据，如果采用DOCSIS3.0则在多个信道上发送数据。通常的方案是针对每个6MHz（或8MHz）下行信道采用QAM-64（正交调幅）调制方法；如果信道质量超级好，还可以采用QAM-256调制方法。在6MHz信道采用QAM-64调制方法，可以获得36Mbps的数据率。去掉开销，剩余网络的有效载荷高达39Mbps。欧洲的地区能获得的有效载荷大概是这个数字的1/3。
• 对于上行流，因为系统最初不是为数据通信设计的因而存在较多的RF噪声（射频噪声），并且噪声来自多个往头端发送的用户，所以要采用更为保守方案。保守方案可以从QPSK到QAM-128这些复杂性不同的方案中选出，这些方案的一个共性是都把一些符号用作差错保护，并且采用了网络编码调制（TCM）。上行流中的每个符号携带较少的比特，上行和下行速率之间的不对称性远超过上图图示。然后多个用户以TDM方式来共享上行流的带宽。时间被细分为迷你槽，不同的用户在不同的迷你槽中发送。为了能够工作，调制解调器必须确定它离头端有多远的距离：具体做法是先发送一个特殊的数据包，再看需要多长时间才能得到应答，这个过程称为测距，测距有助于调制解调器获得正确的访问时机。在头端接收信号时，每个上行数据包的抵达时间必须符合一个或多个连续的迷你槽。头端周期性地宣布新一轮迷你槽的开始，由于沿着电缆传播的时间并不相同，因而所有的调制解调器不可能同时听到头端的发令枪响，通过测距，每个调制解调器就可以计算出第一个迷你槽真正开始的时间，迷你槽的长度与网络有关，典型的有效载荷长为8个字节。
• 在初始化过程中，头端为每个调制解调器分配一个迷你槽，用来请求上行流信道的带宽。当一台计算机想要发送数据包时，它将数据包传输给调制解调器；然后调制解调器为该数据包请求一定数量的迷你槽。如果该请求被头端接受，则头端通过下行信道发送一个确认，告诉该调制解调器已经为它的数据包保留了哪些迷你槽。然后在所分配的迷你槽开始时，该数据包就可被发送出去。如果还有其他数据包要发送，则可以利用头部的一个字段来请求。
• 作为一项规则，多个调制解调器将被分配在同一个迷你槽中，从而产生了竞争。针对这种竞争存在两种不同的可能性。第一个方案是多个用户利用CDMA来共享迷你槽；这样就解决了竞争问题，因为拥有各自CDMA码片序列的所有用户可以在统一时间发送，虽然速率会降低。第二个方案是不用CDMA，由于在头端产生冲突，相应的请求得不到确认，在这种情况下，调制解调器等待一个时间后再次尝试，每次失败后，等待再次确认的时间增加一倍。
• 下行信道的管理与上行信道不同。首先，下行信道只有一个发送者（头端），所以不会发生竞争，因此不需要迷你槽，实际上上下信道只是一个时分统计多路复用。其次，下行流量通常远远大于上行流量，所以下行信道使用了204个字节的固定数据包长度。在这些字节中，包含了Reed-Solomon纠错码和其他一些开销，留给用户的有效载荷只有184个字节。之所以选择这些数字，是考虑到与MPEG-2数字电视保持兼容，电视信道和下行数据信道使用了相同的格式化方法。从逻辑上讲，连接如图所示。

5.ADSL与有线电视电缆

• ADSL与有线电视电缆哪个更好？答案取决于具体情况。在骨干网上，两者都使用了光纤，但在网络边缘它们使用了不同的介质：有线电缆使用了同轴电缆，而ADSL使用了双绞线。理论上来讲，同轴电缆的容量超过双绞线几百倍。然而，有线电视电缆的全部容量并不能被数据用户使用，因为大部分带宽被浪费在诸如电视节目这样的无关素材上。
• 有线电视运营商很难就有效容量一概而论，ADSL运营商可以明确声明带宽（例如下行流量1Mbps，上行流量256kbps），而且通常也可以达到其声明的80％。有线电视运营商可能人为地给每个用户设置一个带宽上限，以便帮助他们确定预期的性能，但它们却无法做出任何带宽保证，因为有效容量取决于当前有多少人连接在同一段电缆上，有时候它可能比ADSL好，有时候不如ADSL。上一分钟有很好的服务并不能保证下一分钟还能得到同样好的服务，因为镇上的那个最大带宽黑洞可能刚刚打开了他的计算机。
• ADSL赢得了更多的用户，新增加的用户对原来的用户几乎没有影响，因为每个用户都有自己的专用连接。在有线电视网络中，当申请Internet服务的用户越来越多时，原有用户的性能就会下降。唯一的解决办法就是运营商将繁忙的电缆拆分成多段，然后将每一段直接连接到光纤节点上，不可避免地耗财耗时。
• 有线电视电缆系统如移动电话系统一样，都有一个共享的信道。一群用户共享固定数量的带宽，我们将这群用户称为用户伴侣。，对于相对平滑的语音流量，移动电话系统利用FDM和TDM把带宽硬性划分成固定大小的块，然后分配给当前的活跃用户；对于数据流量，因为这群数据用户经常会空闲，为它们保留的带宽就被浪费了，这种硬性划分非常低效。至于有线电缆，采用了一种更为动态的方法来分配共享带宽。
• ADSL作为一种点到点的传输介质，本质上比有线电视电缆安全得多。任何有线电视用户都可以很容易地读取同一根电缆上传输的所有数据包。出于这个原因，任何正规的有线电视运营商都会对这两个方向上的所有流量进行加密。电话系统一般比有线电视系统更加可靠，例如它有备份电源，即使停电了它还能继续工作；而在有线电视系统中，如果沿途任何一个放大器的电源断了，则所有位于它下游的用户立即就会被中断连接。最后，绝大多数ADSL运营商都允许用户选择ISP；但是对于有线电视运营商就不一定了。总而言之，两者的相同性多于差异性。

物理层总结

• 物理层是所有网络的基础。物理性质给所有信道加了两个根本限制（尼奎斯特和香农定理），这些限制决定了它们的带宽。
• 传输介质可以是引导的或非引导的。主要的引导性介质有双绞线、同轴电缆和光纤。非引导介质包括地面无线电、微波、红外线、通过空气传输的激光和卫星。
• 数字调制方式可以通过引导性和非引导性介质上的模拟信号来发送比特。线性编码以基带的方式运行，通过调节载波的振幅、频率和相位信息把信号放置到一个通带上。信道可以时分、频分和码分复用的方式被多个用户共享。
• 大多数广域网的关键因素是电话系统。电话系统的主要组件有本地回路、中继线和交换机。ADSL在本地回路上可提供高达40Mbps的数据率，具体做法是将本地回路分割成许多个可同时运行的子载波。这样的速度远远超过了电话调制解调器的速度。PON将光纤引入住户，可提供比ADSL还要高的接入速率。中继线传送数字信息，用WDM（波分复用）对光纤进行多路复用就可以在其上提供许多条高容量链路，同时通过TDM使得许多用户共享每条高速链路。电路交换和包交换都很重要。
• 移动电话广泛应用于语音通信和数据通信。它们已经经历了三代（现在是四代，5G时代来临）。第一代是模拟的，由AMPS主宰。第二代2G是数字化，GSM主宰。第三代3G是数字的并且以CDMA为基础，现在部署的有WCDMA和CDMA2000。
• 另一种网络接入系统是有线电视系统。它已逐渐从同轴电缆变为混合光纤同轴电缆，从单纯的电视演进为电视和Internet。它的潜在带宽很高，但实际带宽主要取决于其他用户，因为它是共享式的。