有线电视双向传输的同步码分多址S-CDMA技术

　　表面看CATV网络实现双向传输，只要在系统中加上反向模块即可运行，不是件很难的事，实际并非如此，反向上行通道受噪声的干扰极其严重，不但影响了系统的交互操作，也影响了系统下行信号的传输质量，严重的使系统陷于瘫痪。本文论述了应用于CATV网络的S-CDMA传输技术，对其抗噪声干扰的性能进行分析。

　　一、概述

　　CATV电缆是用作宽带传输，有别于其他以太网物理层所采用的基带传输，宽带布线系统可将频带分割成不同频谱，而再通过不同频带去提供不同服务，此种技术已于有线电视广播上广泛采用，在同一电缆上同时提供多种电视频道，由于每一频道都占用不同频带，所以能够互不干扰。

　　要传送声音或电视影像的讯号，必须要有足以装载这些讯号的频带宽度，如果频带不够宽，则无法承载将要传送的讯号，如此就会造成失页（Distortion）。一般而言，要传送声音讯号约需4000赫芝 （KHz），而要传送电视讯号就需要400万赫芝（MHz）的频率。

　　由于CATV（有线电视）网络的电缆部分采用树状的拓朴结构，导致了HFC（光纤同轴电缆混合网）反向通道中的结构噪声严重。其原因有两个：一是所有上行通道的信号都集中在5～65MHz频段之内；二是所有家用电器、工业电器、短波通讯，对这个频段将产生严重的干扰（主要以热噪声、汇入噪声、光端机的噪声、入侵噪声冲击干扰、窄带连续波干扰、用户家中TV接收机的干扰）。致使上行通道性能恶化、S/N（信噪比）大幅度下降、数据误码严重。

　　１、S-CDMA克服上行通道汇聚噪声的技术策略

　　（1）将信道分割，每6MHz为一个通道，这不但限制了通道中的噪声功率，有利于保持s/n的稳定，而且更重要的是避免了各通道间的相互干扰，有效地抑制了各通道和各信号自身的噪声。

　　（2）利用CDMA的扩展及独特的编码技术，使接收设备对S/N的要求降低，接收端的s/N在13dB的恶劣环境下仍能达到10－6的误码率，c/n（载噪比）在0dB以下，极限在-13dB时仍能工作，系统接收端得到20dB的增益。

　　（3）为了克服有用信号的相互干扰，Terayon专门采取了信号同步技术，让通道内各路信号相互同步并具有正交性，从而增加了系统的容量。

　　（4）在14Mｂ／ｓ的速率下又以64ｋｂ／ｓ为一子带分成多路TS（数据传输码流），并以栅格编码方式对这些TS进行交织编码，进一步限制了带宽的噪声累积，提高了系统抗脉冲干扰的能力，使系统得到4.8dB的增益。

　　２、同步和频响矫正两项措施确保了系统的容量

　　（1）同步措施是为了使所有用户的信息码位都能同时到达高端。这是靠连续地进行时延测量以矫正距离和温度变化引起的同步时间差异实现的。

　　（２）频响矫正措施是通过对传输频响特性相反的曲线对信号进行处理，在接收端得到平坦的频响特性，从抗干扰能力和系统容量两方面提高了上行通道的综合指标。

　　二、扩频CDMA技术

　　CDMA （Code Division Multiple Access） 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带（1.2288Mhz），且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 （collision） 问题。CDMA中所提供语音编码技术，通话品质比目前GSM好，且可把用户对话时周围环境噪音降低，使通话更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的体制，更因其传输特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大增强。

　　1 技术背景

　　CDMA，就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。 CDMA的带宽可以扩展较大，还可以传输影像，这是第三代手机为什么选用CDMA的原因。

　　CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争 的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，个CDMA商用系统（被称为IS-95A）被美国高通公司运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本，CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国，10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到2006年4月，韩国有60%的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第27届奥运会中，CDMA技术更是发挥了重要作用。

　　中国联通于2002年1月8日正式开通了CDMA网络并投入商用，2008年10月1日后转由中国电信经营，手机号段为133、153、189及刚刚放号的180号段。

　　女演员海蒂拉玛和她的作曲家丈夫定义Spectrum（频谱）的概念早在1942年。该提出了一个重要的概念“展布频谱技术”此后的这个思路带给了我们这个世界不可思议的变化。5０年代，纽约州的Sylvania公司（台积电老板张忠谋在美国的份工作，就是在这家半导体公司）开始以海蒂和乔治的为出发点作相关的研发。后来在6０年代，相关的展频（Spread Spectrum）技术出现了，美国军方也开始在军事通讯系统中使用展频技术。8０年代冷战结束后，美国军方解除了对展频技术的管制，允许其商业化。然后在1985年，高通在加州成立，以展频技术为基础，研发出CDMAJI（Code Division Multiple Access）系统。

　　2 扩频、码片、Ｇ、相关

　　（１）扩频即扩展频谱，是用特定的扩频码序列填插在数据比特之中，扩频码序列的每个码元（又称码片）的宽度要比数据比特窄很多倍。当扩频序列和数据相乘时，其结果即是扩频后的序列，码片比数据码元窄多少倍，频谱也就扩宽了多少倍。数据码元宽度Ｔｂ和扩频码片宽度Ｔｃ之比称为扩频倍数（又称扩频增益），用Ｇ表示。

　　Ｇ＝（Ｔｂ）／（Ｔｃ）。若以ｄＢ表示，则：Ｇｓｓ（ｄＢ）＝１０ ｌｏｇ（Ｔｂ）／（Ｔｃ）

　　如：每个数据比特被一个长度为５１１的码片序列所填插，频谱就被展宽５１１倍，则Ｇ为２７ｄＢ 。

　　（２）扩频后的功率将散布在更宽的频谱上，原有的功率谱密度相应地降低了。降低的倍数即扩频的倍数，若扩频倍数很大，则将原有的功率谱降到噪声功率的密度以下，这样原有的信号就淹没在噪声之中，外人将无法检测，这就是扩频技术的抗侦察作用。

　　（３）在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列，去接收已扩信号，运算后，就可得到原来的数据信号，此过程是扩频的逆运算，称为相关（又称：解扩）。相关时，只有原来已被扩频的信号才会被还原成本来的数据信号。没有被该扩频信号运算过的任何信号都不会被接收，而是当做噪声被滤波器滤除掉。

　　（４）由Ｓｈａｎｎｏｎ（仙农）信道容量公式可知：Ｃ＝ Ｗ ｌｏｇ（１＋Ｓ／Ｎ）

　　（式中：Ｃ为传输速率、Ｗ为频带宽度）

　　在Ｃ不变的条件不，Ｗ与Ｓ／Ｎ的关系是相反的，即在Ｗ增加的情况下，可在较低的Ｓ／Ｎ下，以不变的Ｃ传递ＩＴ。Ｗ足够大，信号几乎被噪声淹没，也能进行可靠的通信。

　　3 CDMA的原理

　　（１）扩频信号之所以具有极强的抗干扰能力，是因为在接收时要用同样序列的本地扩频码进行相关接收，本地扩频码与扩频信号同步后并相乘，相关后的值为１，恢复了原来的数据信号。而其他非扩频的干扰信号，相关后，实际上是被本地扩频码相乘，变成扩频，把干扰功率分散到很宽的频谱上去。接收机用窄带滤波器滤出所需的数据（基带信号），而干扰的绝大部分功率被排除在外，落在带内的只有极小极小的干扰信号，其功率已不能对信号进行干扰。故Ｇ越大，抗干扰能力越强。

　　（２）当干扰信号本身也是扩频信号，扩频码序列和所要接收的信号又相同，如果本地码序列不和它同步，而是相差一个码片以上的时间，相关后的值为极小，不能被接收。只有本地扩频码与主信号同步时才能被接收，而其他路径来的迟延一个码片以上时间的信号就不会被接收，这一性质的关键在于扩频码必须有尖锐的自相关系数（同步原理）。

　　（３）当干扰的扩频信号是另一种不同的码序列，码序列的长度又相同（即码片周期Ｔｅ一样），但码序列不同，相关后系数为０（这样的码序列称为正交）或极小（这样的码序列称为准正交），也不能被接收。只有与本地码序列完全一致，才能被相关接收（CDMA原理）。

　　（４）当干扰的扩频信号是长度相同的扩频码，但它们的码序列与要接收的信号不同，而又相互正交。当用这些扩频码各自填插不同用户的信号，并在一载频上发射，接收机虽然能接收到，只有与本地扩频码序列相同的接收机才能相关出该用户所发信号的数据，其他用户的信号不能被接收。因此只有这个用户被分散出来，而被接收，这就是码分。码分的关键是所用的扩频码能有多个不同的互相正交的码序列，有多少个正交码序列，就有多少个不同的地址码或码分信道。

　　３、PN码（Ｐｓｅｕｄｏ－Ｎｏｉｓｅ：伪随噪声码、又称伪随机码）

　　综上所述，扩频CDMA的关键是要有一定长度的扩频码（保证有很强的Ｇ），尖锐的自相关系数（保证扩频与相关码址的一一对应），多个互成正交的码序列（保证码分信道相互间的不干扰）。故而码分扩频码必须具有以上码序列的性质。PN码是常用的码分扩频码，其特点如下：

　　（１）在每个码字（即一个码序列长度）周期内，“1”码元的数目与“0”码元的数目至多相差一个。粗略讲“1”码元数与“0”码元数接近相等。

　　（２）码的游程特性，所谓游程即连“1”或连“0”的码元，有四个连1（或连0）的码元，游程长度为4；有3个连1（或连0）的码元，游程长度为3，……如此类推。PN码有如下游程特性：长度为1的游程长度为3，长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为2的游程占1/4，长度为3的游程占1/8,……如此递减。

　　3 CDMA的缺点

　　来自非同步CDMA网中不同的用户的扩频序列不完全正交，从而引起多址干扰； 　　由于使用相同的载频，许多用户共用一个信道，强信号对弱信号有着明显的抑制作用，从而产生“远－－近”效应，影响用户通话。 　　CDMA系统中采用功率控制技术解决“远---近”效应

　　三、S-CDMA技术

　　１、多个扩频通信设备共享同一频带的直接序列扩频通信技术

　　常用的扩频通信技术有直接序列扩频和跳频扩频两种。目前应用的主要以直接序列扩频通信技术为主。

　　所谓直接序列扩频通信，就是直接用具有高码率的扩频序列在发送端扩展信号的频谱，在接收端用相同的扩频序列，将展开的扩频信号相关成原来的信号，多个扩频通信设备可共享同一频带，每个系统使用各自独特的扩展码。

　　目前通信领域中的Ｑｕａｌ

　　Ｃｏｍｍ、摩托罗拉、爱立信等公司，开发的多媒体无线接入系统均采用了直接序列扩频的Ｓ－ＣＤＭＡ技术，Ｓ－ＣＤＭＡ在两个６ＭＨｚ频道内上行，下行对称传输１４。３Ｍｂｐｓ原始数据（８。２Ｍｂｐｓ）。上行和下行数据分别在５４ＭＨｚ和４００７２ＭＨｚ频段内任一个６ＭＨｚ频进内传送。Ｔｅｒａｙｏｎ正计划下行数据工作频段扩展到８７７５０ＭＨｚ。

　　２、测距和均衡使频谱扩展码得以正交

　　S-CDMA传输的高容量是频谱扩展码正交的结果，具体是通过测距和均衡两个过程获得的。

　　测距即保证时间对齐，即所有码字必须同时到达前端。测距是基于用户端和前端之间连续距离的测量，借以计算电缆随温度改变的伸长／收缩，此过程对每６ＭＨｚ通道上运载的业务是透明的。

　　均衡即进行频率矫正，见图一，是通过测量从每个用户到前端的通道响应和通道发射机上调整预编码器来获得的，使通道预编码器的响应倒转来校正通道响应保证正交，这样减少了用户之间的相互干扰并提高了传输容量。

　　３、格子编码

　　在S-CDMA传输系统中，由每个含有６４ｋｂｐｓ的多个ＴＳ来组成每通道传送净负载１４Ｍｂｐｓ的总容量，每个ＴＳ用它自身扩展码进行格子编码、交织并扩展到６ＭＨｚ。格子编码增加了４。８ｄＢ编码增量，交织能处理长周期脉冲噪声（１００ｍｓ不发生错误），频谱扩展提供另外２２ｄＢ处理增量，这样共获得２７ｄＢ的干扰抑制，允许系统运行在负C/N情况下。

　　S-CDMA采用一种新型的调节技术来适应电缆装置的动态噪声特性，见图二；它通过减少调制方案的等级和动态调节每个ＣＭ发射的功率来提高系统的坚实性和减小通道容量，此优良的调节能力确保系统的运行不中断，甚至在C/N为－１３ｄＢ噪声情况下，仍能获得令人满意的效果。

　　４、S-CDMA的优点

　　（１）信息处理增益

　　当扩频信号通过一个有相同编码程序控制的接收器时，达到此目的。通过自动相关运算，仅仅是原信号被放大，这产生了一个２１。５ｄＢ的系统增益，本系统增益实际上是达到传输增强的方法。

　　（２）干扰抑制

　　当一个正通过接收器的窄频道干扰进入一个与发射机里的原信号进程相同的进程时，达到此目的。干扰随后减少（实际是扩展），同时使系统即使在C/N为负值（不完全负载）时也能运行。

　　（３）支持多路存取

　　通过编码的正交特性来实现的。不正交的特性能确保两个非相关编码的分量为零，这样，调到特定编码的接收器将会取消所有编码结果，它调到的那个编码除外。

　　５、S-CDMA与TDMA和FDMA比较

　　TDMA（时分多址接入）与FDMA（频分多址接入）是通过电缆传输高速数据的另两种方法，但它们都有一定的限制。对于TDMA，不同的用户对应不同的时间位置。因此，TDMA需要快速获取，使得数据对窄带干扰非常敏感，在S/N低于某个极限值时，TDMA系统可能不能运行。

　　对于FDMA，各个用户被分配不同的能量用于上行传输，这样一方面需要更智能化更昂贵的设备，另一方面由“跳频”带来的短暂通信中断对于有些业务将是不可接受的，同时当系统移到另一通道中时，由于没有发送任何数据，因此IT量也受动态数据再分配的影响。

　　S-CDMA技术非常圆满的解决了上行路径中进入的干扰和脉冲噪声，这正是HFC中传输双向高速数据时头痛的问题。这里不是在抗噪声和信息量之间求折中，采用扩频和编码功能时S-CDMA可提供１４Ｍｂｐｓ非常可靠的上行TS。带宽分配的好处使CATV网络公司有提供可保证的数据率的能力，而且S-CDMA的６ＭＨｚ通道不干扰邻近通道（他们可能用其他技术，如QPSK）。连同高的数据速率，这些特性使此S-CDMA技术成为CATV网络高速数据传输的有生命力的方法，见表二。

　　６、S-CDMA接入系统的试验

　　１９９６年１１月和１９９７年１月Ｔｅｒａｙｏｎ进行两个电缆系统的现场试验，目的在于强化S-CDMA接入系统试验的条件，两实验都通过６ＭＨｚ通道，个为１１～１７ＭＨｚ第二个为５～１１ＭＨｚ，CM在两个试验中都很成功，在个试验中有三种测试情况：带有３４００个用户或２８９０个CATV用户的一个“干净的”HFC节点；带有６２００个用户或５２７０个CATV用户的一个不干净光节点（已安装，还未调节）；带有３００００个用户或２５５００个CATV用户的８个光节点的集成，见表三。

　　试验显示，系统的能力在一个集中在１４ＭＨｚ的６ＭＨｚ频道用１４Ｍｂｐｓ原始数据率（８。１９２Ｍｂｐｓ连续用户数据）无错码的时间超过９８％。在未除噪声的设备，在９９％的试验时间中，CM运行的ＢＥＲ（误比特率）低于Ｅ－５。

　　所有的测试都在恶劣通道中。通过１１～１７ＭＨｚ的６ＭＨｚ通道状态进行包括：１３ｄＢ原信号对噪声和干扰比；窄带干扰；１１～１２ＭＨｚ的短波；１４ＭＨｚ的业余无线电发射；１７。５和１８ＭＨｚ的遥测电波；严重的侵入噪声；严重的脉冲噪声，主要来自电源线。

　　S-CDMA接入系统在任何情况下９３。８％的时间是无错误运行的，当在一个“不干净的节点”，即未调节节点测试时，S-CDMA提供９９％的电平，这表明此系统在Ｗｅｂ未调节的回传路径可传送高特性数据业务。

　　当对一个干净节点以５ｓ间隔进行BER（误比特率）测试时，此基于S-CDMA的系统在９６。２％的时间内能零错误比特率运行，并且能很快从低于Ｅ－８错误比特率的一些差错中恢复，这表明此系统在克服严重的干扰和噪声上，可确保连续，高质量的链路。

　　基于这些精密的测试，结论是基于S-CDMA的系统能无错误地运行：在低于２０ＭＨｚ有高噪声的上行部分中，高速数据服务是切实可行的；适用于全电缆HEC；适用于有噪声，未处理的设备；适用于含大量高度集成节点的系统中。

　　四、S-CDMA技术应用

　　S-CDMA是同步码分多址的无线接入技术，它采用了智能天线、软件无线电、以及自主开发的SWAP+空中接口协议等先进技术，是一个全新的体系，一个全新的我国拥有完整自主知识产权的第三代无线通信技术标准。

　　１、S-CDMA传输

　　对于CATV网络公司来说，集健全性、可靠性、带宽效率、服务级别管理和安全性于一体的物理传输系统是采用直接序列扩频的，并且数据链路层利用TDMA和S-CDMA的系统。系统在试验中也显示出对窄带和脉冲噪声干扰的韧性。CATV网络公司现在就可以通过整个回传频谱赚取收益，包括使用充满噪声的２０ＭＨｚ以下的频带。

　　在S-CDMA中做基础的符号编号在现有的频道条件下利用１６QAM以提供尽可能高的频谱效率。在满容量的条件下，系统提供对称的８。１９２Ｍｂｐｓ终端用户速率，附有带外接入、控制和管理IT。

　　2 S-CDMA特点

　　（1）提供公用的开放的交换平台；

　　（2）单模块容量、配置：交换矩阵为8k×8k；

　　（3）单台BSC提供BS接口（E1接口）多128个，一台BSC可控制128个BS；

　　（4）SA接口（每个SA接口可动态配置为含2~16条E1链路），可根据实际情况配置V5.2S和E1接口数；

　　（5）一个BSC机框可支持的BTS数量为1~128个，通过增加BSI接口板可实现系统的平滑扩容；当BS数量超过128时，需要增加新的机框；

　　（6）主处理单元MCU、交换网络NET、时钟单元采用热备份方式；

　　（7）设备时钟可工作于主从同步方式和本地外时钟同步方式，并有多种方式可选；

　　（8）统一网管对BSC、BS实时有效地管理、控制、告警采集、性能监测，对设备、用户提供详尽的跟踪、无线资源配置、统计，提供系统的运行状况的查询和实时告警。

　　3 设备调试费用低

　　S-CDMA为CATV网络公司在利用HFC提供成本高效的数据服务方面创造了有竞争力的经济优势。高度健全的S-CDMA系统可以运行在恶劣的噪声条件下。

　　如今的竞争市场要求经营者把宽带服务快速投向市场。只有S-CDMA系统能用减少设备调节所花时间的方法使CATV网络公司快速安排数据服务。

　　五、结语

　　CDMA因其在价格和技术性能上的强大竞争力，受到广大人士的很大关注，在LAN（局域网），PCN（个人通信网），PBX（用户交换机）等方面得到日益广泛的应用。

　　CDMA与常规无线通信技术（如：AM与FM）相比，由于其频带宽度增加，可在较低的S/N下，以不变的传输速率传送信息。甚至频带宽度足够宽时，在信号几乎被噪声淹没的情况下，也能可靠的进行通信。

　　CDMA是一种新的通信体制，是通信领域中的一个重要发展方向，是符合我国国情的经济实用的远程数据通信方式，尤其在多个LAN间联网方面与其它联网方式（如远程访问服务器方式、点对点通讯万式、异步远程联网方式）相比，其高速率（达到2Mbp）更能满足通信的实时性。