文章目录

物理层
- 一、物理层的基本概念
- 二、数据通信的基础知识
- - 2.1 数据通信系统的模型
  - 2.2 有关信道的基本概念
  - 2.3 信道的极限容量
  - - 2.3.1 奈奎斯特定理
    - 2.3.1 香农定理
    - 2.3.2 信噪比
- 三、物理层下面的传输媒体
- - 3.1 导引型传输媒体
  - 3.2 非导引型传输媒体
- 四、信道复用技术
- - 4.1 频分复用 FDM
  - 4.2 时分复用 TDM 和统计时分复用 STDM
  - 4.3 波分复用 WDM
  - 4.4 码分复用 CDM
- 五、数字传输系统
- 六、宽带接入技术
- - 6.1 ADSL技术
  - 6.2光纤同轴混合网(HFC网)
  - 6.3 FTTx技术

物理层

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一、物理层的基本概念

1、物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

2、物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

3、用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

4、主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性

机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

5、数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。

二、数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

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1、一个数据通信系统包括三大部分:源系统(或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统(或接收端、接收方）。

源系统

源点：源点设备产生要传输的数据，又称信源
发送器：源点生成的数字比特流经过发送器编码后在传输系统中进行传输

目的系统

接收器：接收传输系统发送来的信号，将其转换为能够被目的设备处理的信息
终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后将信息输出，又称目的站、信宿

2、通信（目的是传送消息）

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数据(data)：运送消息的实体。
信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号(analogous signal)：代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号(digital signal)：代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。

2.2 有关信道的基本概念

1、信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
- 无线电广播、有线电广播、电视广播
双向交替通信（半双工通信)：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信)：通信的双方可以同时发送和接收信息。

2、基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。

像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。
调制分为两大类:
- 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码(coding)。
- 带通调制：使用**载波(carrier)**进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
  - 带通信号：经过载波调制后的信号。

3、编码与调制

数字-数字编码
用数字信号表示数字数据
模拟-数字编码

模拟信号数字化
数字-模拟调制
基于以数字信号表示的数字数据来改变模拟信号特征的过程
模拟-模拟调制
将模拟信号调制到高频载波信号上，以便远距离传输

4、常用的编码方式

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不归零制：正电平代表1，负电平代表0.
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0,位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

5、基本的带通调制方法

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基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。

最基本的二元制调制方法有以下几种:

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

6、正交振幅调制 QAM

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7、模拟信号调制为数字信号

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在模拟数据通信系统中，信源的信息经过转换，形成电信号，比如人说话的声音经过电话转变为模拟的电信号，这也是模拟数据的基带信号。
模拟数据的基带信号具有比较低的频率，不宜直接在信道中传输，而数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字信号外，语音、图像信息必须数字化处理，需要对信号进行调制，将信号移到适合信道传输的频率范围内，接收端将接收的已调信号再搬回到原来信号的频率范围内，恢复成原来的消息，比如无线电广播。

PCM技术

脉冲编码调制PCM (Pulse Code Modulation) 是模拟数据数字化的主要方法。
PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音数据变换为数字化的语音信号，通过通信信道传送到接收方，接收方再通过PCM解码器还原成模拟语音信号。
语音数据数字化后，其传输速率高、失真小,可以存储在计算机中，进行必要的处理。因此在网络与通信的发展中语音数字化成为重要的部分。

脉冲编码调制包括三部分：

采样：每隔一定的时间间隔，采集模拟信号的瞬时电平值做为样本，表示模拟数据在某一区间随时间变化的值。
量化：量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。量化级可以分为8级、16级,或者更多的量化级，这取决于系统的精确度要求。
编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。

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声音分为128个量化级。（128=2^7)

每个量化级采用7位二进制编码表示。

采样速率为8000样本/秒。

数据传输速率应达到7位×8000/秒=56Kbps。

如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示。

数据传输速率应达到8位×8000/秒= 64Kbps。

2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远,或传输媒体质量越差,在信道的输出端的波形的失真就越严重。

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从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个:

信道能够通过的频率范围-奈奎斯特定理
信噪比–香农定理

基本术语：

码元
时间轴上的一个信号编码单元
- 数字通信:一个数字脉冲
- 模拟通信:载波的某个参数或某几个参数的变化
码元速率/波特率
信号每秒钟变化的次数
数据率/比特率
单位时间内传输的比特数

一个码元可携带1个比特，也可携带多个比特。

比特率=波特率 * log2M

如表示4种状态:0，1、2、3;
每个码元的状态，如2，可以表示10
每个码元可以携带2个比特
例波特率为9600B时，数据传输速率为 9600 * 2 = 19200 bps
码元携带的信息量由码元的状态值M决定.

2.3.1 奈奎斯特定理

对于一个带宽为WHz的理想信道（无噪声)，最大码元速率为2W波特。
$最大数据率=2 W log_2^N (bps)$
N：码元的状态值
因码元传输率受奈氏准则限制，要提高信息的传输速率，就必须使每一个码元能携带更多Bit。

假如用带宽为3 kHz的传统电话信道通过调制解调器来传输模拟信号，受奈奎斯特准则限制，发送方最多发送6 000个码元。

如果信号状态数量=2，即每个码元携带了1比特信息，此时的电话信道最大数据传输速率为6 kbps。
如果设法将信号状态数量提高到4，每个码元携带2比特信息，则此时电话信道
$最大数据传输速率=2 W log_2^N =2 * 3k * log_2^4= 12 kbps。$

2.3.1 香农定理

带宽受限且有噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
$C = W log_2^{(1+S/N)} bps$

W为信道的带宽（以Hz为单位)
S为信道内所传信号的平均功率
N为信道内部的高斯噪声功率

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少

2.3.2 信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即:
$信噪比(dB) = 10 log_{10}^{(S/N)}(dB)$
例如，当SIN= 10时，信噪比为10 dB（分贝），而当SIN= 1000时，信噪比为30 dB(分贝）。

三、物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

3.1 导引型传输媒体

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双绞线

最常用的传输媒体。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
屏蔽双绞线STP (Shielded Twisted Pair)
带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)

双绞线标准

1991年，美国电子工业协会EIA和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准EIA/TIA-568。
1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准（从1类线到5类线)。
对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线(Category 5或CAT5) 。

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同轴电缆

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同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率的数据。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用
75Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用

光缆

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光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高，约为108 MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
原理：只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。

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多模光纤

可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。

单模光纤

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像━根波导那样,它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

光纤通信中使用的光波的波段

常用的三个波段的中心分别位于850 nm, 1300nm和1550 nm。
所有这三个波段都具有25000~30000 GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

光纤优点

(1) 通信容量非常大。

(2) 传输损耗小，中继距离长。

(3) 抗雷电和电磁干扰性能好。

(4) 无串音干扰，保密性好。

(5) 体积小，重量轻。

3.2 非导引型传输媒体

1、将自由空间称为“非导引型传输媒体”。无线传输所使用的频段很广。

2、短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。微波在空间主要是直线传播。

3、传统微波通信有两种方式：

地面微波接力通信：依靠地面的接力站转换信号来实现远距离的通信;每隔50公里左右，就需要设置中继站，受气候影响大
卫星通信：卫星通信:以同步卫星作为中继,实现微波信号远距离通信三颗同步卫星可实现全球覆盖;容量大，时延长;

四、信道复用技术

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复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

4.1 频分复用 FDM

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bTKhECHS-1687080138217)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311175140984.png)]

将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

4.2 时分复用 TDM 和统计时分复用 STDM

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-y568x9ab-1687080138218)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311175339575.png)]

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧）。

每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。
TDM信号也称为等时(isochronous)信号。
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dsH1Q2z8-1687080138218)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311175457570.png)]

统计时分复用 STDM

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7SfiK9lz-1687080138219)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311175556059.png)]

4.3 波分复用 WDM

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5KiViDT4-1687080138219)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311175652502.png)]

4.4 码分复用 CDM

1、常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。

2、各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

3、这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

4、码片序列

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。

如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。

如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的 8bit 码片序列是 00011011。
- 发送比特1时，就发送序列 00011011,
- 发送比特0时，就发送序列 11100100。
  S站的码片序列:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

5、码片序列实现了扩频

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。

由于每一个比特要转换成 m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。
这种通信方式是**扩频(spread spectrum)**通信中的一种。

6、CDMA的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。

7、码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(inner product)等于0:

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JbrKf1rm-1687080138220)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311180202426.png)]

8、工作原理

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-55F1kn8M-1687080138220)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311180250794.png)]

五、数字传输系统

1、在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。

2、与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。

3、目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

4、脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

5、由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准:

北美的24路PCM（简称为T1)
欧洲的30路PCM(简称为E1)
- 我国采用的是欧洲的E1标准。
E1的速率是2.048 Mbit/s，而T1的速率是1.544 Mbit/s。
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

6、区别

速率标准不统一
如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。
不是同步传输
在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。
当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

7、同步光纤网 SONET

同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
对电信信号称为第1级同步传送信号STS-1 (SynchronousTransport Signal)，其传输速率是51.84 Mbit/s。
对光信号则称为第1级光载波OC-1(OC表示OpticalCarrier)。
现已定义了从51.84 Mbit/s (即OC-1)一直到9953.280 Mbit/s(即OC-192/STS-192)的标准。

8、同步数字系列 SDH

ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH(Synchronous DigitalHierarchy)。
一般可认为SDH 与SONET是同义词。其主要不同点是:SDH的基本速率为155.52Mbit/s，称为第1级同步传递模块
(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1,相当于SONET体系中的OC-3速率。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZxB5XauZ-1687080138220)(https://fastly.jsdelivr.net/gh/Code-for-dream/Blogimages/img/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E7%BD%91%E7%BB%9C/image-20230311180730577.png)]

9、意义

使不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。
第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
已成为公认的新一代理想的传输网体制。
SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

六、宽带接入技术

用户要连接到互联网,必须先连接到某个ISP。在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到56 kbit/s。美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200 kbit/s就是宽带。
2015年重新定义为:宽带下行速率要达到25Mbit/s，宽带上行速率要达到3 Mbit/s

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类:

有线宽带接入
无线宽带接入

6.1 ADSL技术

1、非对称数字用户线ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

2、标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400 Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1 MHz。

3、ADSL技术就把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

4、DSL就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。

5、特点

上行和下行带宽做成不对称的。
上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。
ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。
我国目前采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。
这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
DMT调制技术采用频分复用的方法，把40 kHz以上一直到1.1 MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。

6、ADSL的数据率

由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。
通常下行数据率在32 kbit/s 到6.4 Mbit/s之间，而上行数据率在32 kbit/s 到640 kbit/s之间。

7、ADSL的组成

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DSLAM(DSL Access Multiplexer):数字用户线接入复用器
ATU (Access Termination Unit):接入端接单元
ATU-c(C代表端局Central Office)
ATU-R(R代表远端Remote)
Ps (PoTs Splitter):电话分离器

6.2光纤同轴混合网(HFC网)

1、HFC (Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。

2、HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

3、现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。

4、HFC网对CATV网进行了改造。

5、HFC网的主干线路采用光纤

HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node),即光分配结点ODN(Optical Distribution
Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

6、体系结构 — 结点体系结构

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7、HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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8、每个家庭要安装一个用户接口盒克用户接口盒UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即: