表面看CATV網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向傳輸，只要在系統(tǒng)中加上反向模塊即可運行，不是件很難的事，實際并非如此，反向上行通道受噪聲的干擾極其嚴重，不但影響了系統(tǒng)的交互操作，也影響了系統(tǒng)下行信號的傳輸質(zhì)量，嚴重的使系統(tǒng)陷于癱瘓。本文論述了應(yīng)用于CATV網(wǎng)絡(luò)的S-CDMA傳輸技術(shù)，對其抗噪聲干擾的性能進行分析。

一、概述

        由于CATV（有線電視）網(wǎng)絡(luò)的電纜部分采用樹狀的拓樸結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了HFC（光纖同軸電纜混合網(wǎng)）反向通道中的結(jié)構(gòu)噪聲嚴重。其原因有兩個：一是所有上行通道的信號都集中在５～６５ＭＨｚ頻段之內(nèi)；二是所有家用電器、工業(yè)電器、短波通訊，對這個頻段將產(chǎn)生嚴重的干擾（主要以熱噪聲、匯入噪聲、光端機的噪聲、入侵噪聲沖擊干擾、窄帶連續(xù)波干擾、用戶家中TV接收機的干擾）。致使上行通道性能惡化、S/N（信噪比）大幅度下降、數(shù)據(jù)誤碼嚴重。

        盡管全球各大CATV公司不斷地改造他們的網(wǎng)絡(luò)，見表一，其改造后的網(wǎng)絡(luò)由于雙向用戶不多，在小范圍、小規(guī)模的情況下，是解決了一些問題，但隨著雙向用戶數(shù)量的不斷增加，匯聚噪聲的干擾也日趨嚴重……還是沒有能從根本上解決匯聚噪聲的干擾問題。

        為此，美國Ｔｅｒａｙｏｎ（泰立洋）通信公司于１９９６年４月提出了利用Ｓ－ＣＤＭＡ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｄｅ ＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ：同步碼分多址）技術(shù)解決上述問題的設(shè)想。此后，Ｔｅｒａｙｏｎ與Ｃｉｓｃｏ合作，于１９９９年后陸續(xù)推出了ＴｅｒａｙｏｎＣＭ（Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ：電纜調(diào)制解調(diào)器）和Ｔｅｒａ Ｌｉｎｋ１０００兩種Ｓ－ＣＤＭＡ產(chǎn)品，用于解決上行匯聚噪聲的干擾問題。

１、S-CDMA克服上行通道匯聚噪聲的技術(shù)策略

（１）將信道分割，每６ＭＨｚ為一個通道，這不但限制了通道中的噪聲功率，有利于保持Ｓ／Ｎ的穩(wěn)定，而且更重要的是避免了各通道間的相互干擾，有效地抑制了各通道和各信號自身的噪聲。

（２）利用CDMA的擴展及獨特的編碼技術(shù)，使接收設(shè)備對Ｓ／Ｎ的要求降低，接收端的Ｓ／Ｎ在１３ｄＢ的惡劣環(huán)境下仍能達到１０－６的誤碼率，Ｃ／Ｎ（載噪比）在０ｄＢ以下，極限在－１３ｄＢ時仍能工作，系統(tǒng)接收端得到２０ｄＢ的增益。

（３）為了克服有用信號的相互干擾，Ｔｅｒａｙｏｎ專門采取了信號同步技術(shù)，讓通道內(nèi)各路信號相互同步并具有正交性，從而增加了系統(tǒng)的容量。

（４）在１４Ｍｂ／ｓ的速率下又以６４ｋｂ／ｓ為一子帶分成多路ＴＳ（數(shù)據(jù)傳輸碼流），并以柵格編碼方式對這些ＴＳ進行交織編碼，進一步限制了帶寬的噪聲累積，提高了系統(tǒng)抗脈沖干擾的能力，使系統(tǒng)得到４．８ｄＢ的增益。

２、同步和頻響矯正兩項措施確保了系統(tǒng)的容量

（１）同步措施是為了使所有用戶的信息碼位都能同時到達高端。這是靠連續(xù)地進行時延測量以矯正距離和溫度變化引起的同步時間差異實現(xiàn)的。

（２）頻響矯正措施是通過對傳輸頻響特性相反的曲線對信號進行處理，在接收端得到平坦的頻響特性，從抗干擾能力和系統(tǒng)容量兩方面提高了上行通道的綜合指標(biāo)。

二、擴頻CDMA技術(shù)

１、擴頻、碼片、Ｇ、相關(guān)

（１）擴頻即擴展頻譜，是用特定的擴頻碼序列填插在數(shù)據(jù)比特之中，擴頻碼序列的每個碼元（又稱碼片）的寬度要比數(shù)據(jù)比特窄很多倍。當(dāng)擴頻序列和數(shù)據(jù)相乘時，其結(jié)果即是擴頻后的序列，這時序列的碼元即為碼片的寬度，由于它寬度窄，因此頻譜就變寬了（頻譜寬度和脈沖寬度成反比）。碼片比數(shù)據(jù)碼元窄多少倍，頻譜也就擴寬了多少倍。數(shù)據(jù)碼元寬度Ｔｂ和擴頻碼片寬度Ｔｃ之比稱為擴頻倍數(shù)（又稱擴頻增益），用Ｇ表示。

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

如：每個數(shù)據(jù)比特被一個長度為５１１的碼片序列所填插，頻譜就被展寬５１１倍，則Ｇ為２７ｄＢ 。

（２）擴頻后的功率將散布在更寬的頻譜上，原有的功率譜密度相應(yīng)地降低了。降低的倍數(shù)即擴頻的倍數(shù)，若擴頻倍數(shù)很大，則將原有的功率譜降到噪聲功率的密度以下，這樣原有的信號就淹沒在噪聲之中，外人將無法檢測，這就是擴頻技術(shù)的抗偵察作用。

（３）在接收端用與發(fā)送端完全相同的擴頻碼序列，去接收已擴信號，運算后，就可得到原來的數(shù)據(jù)信號，此過程是擴頻的逆運算，稱為相關(guān)（又稱：解擴）。相關(guān)時，只有原來已被擴頻的信號才會被還原成本來的數(shù)據(jù)信號。沒有被該擴頻信號運算過的任何信號都不會被接收，而是當(dāng)做噪聲被濾波器濾除掉。

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

（式中：Ｃ為傳輸速率、Ｗ為頻帶寬度）

在Ｃ不變的條件不，Ｗ與Ｓ／Ｎ的關(guān)系是相反的，即在Ｗ增加的情況下，可在較低的Ｓ／Ｎ下，以不變的Ｃ傳遞ＩＴ。Ｗ足夠大，信號幾乎被噪聲淹沒，也能進行可靠的通信。

２、CDMA的原理

（１）擴頻信號之所以具有極強的抗干擾能力，是因為在接收時要用同樣序列的本地擴頻碼進行相關(guān)接收，本地擴頻碼與擴頻信號同步后并相乘，相關(guān)后的值為１，恢復(fù)了原來的數(shù)據(jù)信號。而其他非擴頻的干擾信號，相關(guān)后，實際上是被本地擴頻碼相乘，變成擴頻，把干擾功率分散到很寬的頻譜上去。接收機用窄帶濾波器濾出所需的數(shù)據(jù)（基帶信號），而干擾的絕大部分功率被排除在外，落在帶內(nèi)的只有極小極小的干擾信號，其功率已不能對信號進行干擾。故Ｇ越大，抗干擾能力越強。

（２）當(dāng)干擾信號本身也是擴頻信號，擴頻碼序列和所要接收的信號又相同，如果本地碼序列不和它同步，而是相差一個碼片以上的時間，相關(guān)后的值為極小，不能被接收。只有本地擴頻碼與主信號同步時才能被接收，而其他路徑來的遲延一個碼片以上時間的信號就不會被接收，這一性質(zhì)的關(guān)鍵在于擴頻碼必須有尖銳的自相關(guān)系數(shù)（同步原理）。

（３）當(dāng)干擾的擴頻信號是另一種不同的碼序列，碼序列的長度又相同（即碼片周期Ｔｅ一樣），但碼序列不同，相關(guān)后系數(shù)為０（這樣的碼序列稱為正交）或極小（這樣的碼序列稱為準(zhǔn)正交），也不能被接收。只有與本地碼序列完全一致，才能被相關(guān)接收（CDMA原理）。

（４）當(dāng)干擾的擴頻信號是長度相同的擴頻碼，但它們的碼序列與要接收的信號不同，而又相互正交。當(dāng)用這些擴頻碼各自填插不同用戶的信號，并在一載頻上發(fā)射，接收機雖然能接收到，只有與本地擴頻碼序列相同的接收機才能相關(guān)出該用戶所發(fā)信號的數(shù)據(jù)，其他用戶的信號不能被接收。因此只有這個用戶被分散出來，而被接收，這就是碼分。碼分的關(guān)鍵是所用的擴頻碼能有多個不同的互相正交的碼序列，有多少個正交碼序列，就有多少個不同的地址碼或碼分信道。

３、PN碼（Ｐｓｅｕｄｏ－Ｎｏｉｓｅ：偽隨噪聲碼、又稱偽隨機碼）

綜上所述，擴頻CDMA的關(guān)鍵是要有一定長度的擴頻碼（保證有很強的Ｇ），尖銳的自相關(guān)系數(shù)（保證擴頻與相關(guān)碼址的一一對應(yīng)），多個互成正交的碼序列（保證碼分信道相互間的不干擾）。故而碼分擴頻碼必須具有以上碼序列的性質(zhì)。PN碼是最常用的碼分擴頻碼，其特點如下：

（１）在每個碼字（即一個碼序列長度）周期內(nèi)，“1”碼元的數(shù)目與“0”碼元的數(shù)目至多相差一個。粗略講“1”碼元數(shù)與“0”碼元數(shù)接近相等。

（２）碼的游程特性，所謂游程即連“1”或連“0”的碼元，有四個連1（或連0）的碼元，游程長度為4；有3個連1（或連0）的碼元，游程長度為3，……如此類推。PN碼有如下游程特性：長度為1的游程長度為3，長度為1的游程占游程總數(shù)的1/2，長度為2的游程占1/4，長度為3的游程占1/8,……如此遞減。

三、S-CDMA技術(shù)

１、多個擴頻通信設(shè)備共享同一頻帶的直接序列擴頻通信技術(shù)

常用的擴頻通信技術(shù)有直接序列擴頻和跳頻擴頻兩種。目前應(yīng)用的主要以直接序列擴頻通信技術(shù)為主。

所謂直接序列擴頻通信，就是直接用具有高碼率的擴頻序列在發(fā)送端擴展信號的頻譜，在接收端用相同的擴頻序列，將展開的擴頻信號相關(guān)成原來的信號，多個擴頻通信設(shè)備可共享同一頻帶，每個系統(tǒng)使用各自獨特的擴展碼。

目前通信領(lǐng)域中的Ｑｕａｌ
Ｃｏｍｍ、摩托羅拉、愛立信等公司，開發(fā)的多媒體無線接入系統(tǒng)均采用了直接序列擴頻的Ｓ－ＣＤＭＡ技術(shù)，Ｓ－ＣＤＭＡ在兩個６ＭＨｚ頻道內(nèi)上行，下行對稱傳輸１４．３Ｍｂｐｓ原始數(shù)據(jù)（８．２Ｍｂｐｓ）。上行和下行數(shù)據(jù)分別在５４ＭＨｚ和４００７２ＭＨｚ頻段內(nèi)任一個６ＭＨｚ頻進內(nèi)傳送。Ｔｅｒａｙｏｎ正計劃下行數(shù)據(jù)工作頻段擴展到８７７５０ＭＨｚ。

２、測距和均衡使頻譜擴展碼得以正交

        S-CDMA傳輸?shù)母呷萘渴穷l譜擴展碼正交的結(jié)果，具體是通過測距和均衡兩個過程獲得的。

  測距即保證時間對齊，即所有碼字必須同時到達前端。測距是基于用戶端和前端之間連續(xù)距離的測量，借以計算電纜隨溫度改變的伸長／收縮，此過程對每６ＭＨｚ通道上運載的業(yè)務(wù)是透明的。


         均衡即進行頻率矯正，見圖一，是通過測量從每個用戶到前端的通道響應(yīng)和通道發(fā)射機上調(diào)整預(yù)編碼器來獲得的，使通道預(yù)編碼器的響應(yīng)倒轉(zhuǎn)來校正通道響應(yīng)保證正交，這樣減少了用戶之間的相互干擾并提高了傳輸容量。

３、格子編碼 

        在S-CDMA傳輸系統(tǒng)中，由每個含有６４ｋｂｐｓ的多個ＴＳ來組成每通道傳送凈負載１４Ｍｂｐｓ的總?cè)萘?，每個ＴＳ用它自身擴展碼進行格子編碼、交織并擴展到６ＭＨｚ。用前向糾錯和交織來加強信號擴展、ＴＳ可耐受脈沖噪聲、窄帶干擾和寬帶高斯噪聲。格子編碼增加了４．８ｄＢ編碼增量，交織能處理長周期脈沖噪聲（最大１００ｍｓ不發(fā)生錯誤），頻譜擴展提供另外２２ｄＢ處理增量，這樣共獲得２７ｄＢ的干擾抑制，允許系統(tǒng)運行在負C/N情況下。 

        S-CDMA采用一種新型的調(diào)節(jié)技術(shù)來適應(yīng)電纜裝置的動態(tài)噪聲特性，見圖二；它通過減少調(diào)制方案的等級和動態(tài)調(diào)節(jié)每個ＣＭ發(fā)射的功率來提高系統(tǒng)的堅實性和減小通道容量，此優(yōu)良的調(diào)節(jié)能力確保系統(tǒng)的運行不中斷，甚至在C/N為－１３ｄＢ噪聲情況下，仍能獲得令人滿意的效果。

４、S-CDMA的優(yōu)點

（１）信息處理增益

當(dāng)擴頻信號通過一個有相同編碼程序控制的接收器時，達到此目的。通過自動相關(guān)運算，僅僅是原信號被放大，這產(chǎn)生了一個２１．５ｄＢ的系統(tǒng)增益，本系統(tǒng)增益實際上是達到傳輸增強的方法。

（２）干擾抑制

當(dāng)一個正通過接收器的窄頻道干擾進入一個與發(fā)射機里的原信號進程相同的進程時，達到此目的。干擾隨后減少（實際是擴展），同時使系統(tǒng)即使在C/N為負值（不完全負載）時也能運行。

（３）支持多路存取

通過編碼的正交特性來實現(xiàn)的。不正交的特性能確保兩個非相關(guān)編碼的分量為零，這樣，調(diào)到特定編碼的接收器將會取消所有編碼結(jié)果，它調(diào)到的那個編碼除外。

５、S-CDMA與TDMA和FDMA比較 
 
        TDMA（時分多址接入）與FDMA（頻分多址接入）是通過電纜傳輸高速數(shù)據(jù)的另兩種方法，但它們都有一定的限制。對于TDMA，不同的用戶對應(yīng)不同的時間位置。因此，TDMA需要快速獲取，使得數(shù)據(jù)對窄帶干擾非常敏感，在S/N低于某個極限值時，TDMA系統(tǒng)可能不能運行。它的另一個問題是在一定通道內(nèi)的競爭，并且此競爭影響鄰近通道因為來自不同競爭的能量會引起放大器的過載，這會在雙向數(shù)據(jù)網(wǎng)中引起嚴重的信息量和性能問題。

        對于FDMA，各個用戶被分配不同的能量用于上行傳輸，由于每個用戶占有一個特定窄通道，數(shù)據(jù)非常容易受噪聲的攻擊，這是因為寬帶干擾能進入用戶占有的頻道，為此FDMA系統(tǒng)常用頻率再分配技術(shù)來盡力避免噪聲，這樣一方面需要更智能化更昂貴的設(shè)備，另一方面由“跳頻”帶來的短暫通信中斷對于有些業(yè)務(wù)將是不可接受的，同時當(dāng)系統(tǒng)移到另一通道中時，由于沒有發(fā)送任何數(shù)據(jù)，因此IT量也受動態(tài)數(shù)據(jù)再分配的影響。 

        S-CDMA技術(shù)非常圓滿的解決了上行路徑中進入的干擾和脈沖噪聲，這正是HFC中傳輸雙向高速數(shù)據(jù)時最頭痛的問題。這里不是在抗噪聲和信息量之間求折中，采用擴頻和編碼功能時S-CDMA可提供１４Ｍｂｐｓ非?？煽康纳闲蠺S。帶寬分配的好處使CATV網(wǎng)絡(luò)公司有提供可保證的數(shù)據(jù)率的能力，可應(yīng)用于ABR（自動比特率選擇）、CBR（固定比特率選擇）和VBR（可變比特率選擇）信息S-CDMA不屬于競爭的系統(tǒng)，因此它是可分級的，當(dāng)更多的CATV用戶加入S-CDMA系統(tǒng)時，它們的高峰時間不會為有限的帶寬而競爭，因此避免了沖突和降低Ｗｅｂ特性。而且S-CDMA的６ＭＨｚ通道不干擾鄰近通道（他們可能用其他技術(shù)，如QPSK）。連同高的數(shù)據(jù)速率，這些特性使此S-CDMA技術(shù)成為CATV網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钣猩Φ姆椒ǎ姳矶?br />
６、S-CDMA接入系統(tǒng)的試驗

        １９９６年１１月和１９９７年１月Ｔｅｒａｙｏｎ進行兩個電纜系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗，目的在于強化S-CDMA接入系統(tǒng)試驗的條件，兩實驗都通過６ＭＨｚ通道，第一個為１１～１７ＭＨｚ第二個為５～１１ＭＨｚ，CM在兩個試驗中都很成功，在第一個試驗中有三種測試情況：帶有３４００個用戶或２８９０個CATV用戶的一個“干凈的”HFC節(jié)點；帶有６２００個用戶或５２７０個CATV用戶的一個不干凈光節(jié)點（已安裝，還未調(diào)節(jié)）；帶有３００００個用戶或２５５００個CATV用戶的８個光節(jié)點的集成，見表三。

        試驗顯示，系統(tǒng)的能力在一個集中在１４ＭＨｚ的６ＭＨｚ頻道用１４Ｍｂｐｓ原始數(shù)據(jù)率（８．１９２Ｍｂｐｓ連續(xù)用戶數(shù)據(jù)）無錯碼的時間超過９８％。在未除噪聲的設(shè)備，在９９％的試驗時間中，CM運行的ＢＥＲ（誤比特率）低于Ｅ－５。

        所有的測試都在惡劣通道中。通過１１～１７ＭＨｚ的６ＭＨｚ通道狀態(tài)進行包括：１３ｄＢ原信號對噪聲和干擾比；窄帶干擾；１１～１２ＭＨｚ的短波；１４ＭＨｚ的業(yè)余無線電發(fā)射；１７．５和１８ＭＨｚ的遙測電波；嚴重的侵入噪聲；嚴重的脈沖噪聲，主要來自電源線。 

        S-CDMA接入系統(tǒng)在任何情況下９３．８％的時間是無錯誤運行的，當(dāng)在一個“不干凈的節(jié)點”，即未調(diào)節(jié)節(jié)點測試時，S-CDMA提供９９％的電平，這表明此系統(tǒng)在Ｗｅｂ未調(diào)節(jié)的回傳路徑可傳送高特性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

        此基于S-CDMA的系統(tǒng)成功克服了來自多窄帶干擾和脈沖源的噪聲，這表明，通過不需要安裝濾波器的全電纜或ＨＦＣ電纜設(shè)備的系統(tǒng)的彈性能力，為網(wǎng)絡(luò)公司提供發(fā)了靈活的新水平。

        當(dāng)對一個干凈節(jié)點以５ｓ間隔進行BER（誤比特率）測試時，此基于S-CDMA的系統(tǒng)在９６．２％的時間內(nèi)能零錯誤比特率運行，并且能很快從低于Ｅ－８錯誤比特率的一些差錯中恢復(fù)，這表明此系統(tǒng)在克服嚴重的干擾和噪聲上，可確保連續(xù)，高質(zhì)量的鏈路。

        基于這些精密的測試，結(jié)論是基于S-CDMA的系統(tǒng)能無錯誤地運行：在低于２０ＭＨｚ有高噪聲的上行部分中，高速數(shù)據(jù)服務(wù)是切實可行的；適用于全電纜HEC；適用于有噪聲，未處理的設(shè)備；適用于含大量高度集成節(jié)點的系統(tǒng)中。

四、S-CDMA技術(shù)應(yīng)用

１、S-CDMA傳輸

        對于CATV網(wǎng)絡(luò)公司來說，集健全性、可靠性、帶寬效率、服務(wù)級別管理和安全性于一體的物理傳輸系統(tǒng)是采用直接序列擴頻的，并且數(shù)據(jù)鏈路層利用TDMA和S-CDMA的系統(tǒng)。

        對于上行帶寬抵抗噪聲侵入，S-CDMA允許頻率和暫時擴展每個傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號，以及格狀編碼和FEC（前向糾錯）。系統(tǒng)在試驗中也顯示出對窄帶和脈沖噪聲干擾的韌性。CATV網(wǎng)絡(luò)公司現(xiàn)在就可以通過整個回傳頻譜賺取收益，包括使用充滿噪聲的２０ＭＨｚ以下的頻帶。

        在S-CDMA中做基礎(chǔ)的符號編號在現(xiàn)有的頻道條件下利用１６QAM以提供盡可能高的頻譜效率。在滿容量的條件下，系統(tǒng)提供對稱的８．１９２Ｍｂｐｓ終端用戶速率，附有帶外接入、控制和管理IT。系統(tǒng)在極端苛刻的條件下，為維護信號的完整性可以適度減小傳輸容量，給出端到端的出錯性能，不會出現(xiàn)服務(wù)中斷。

２、設(shè)備調(diào)試費用低 

        S-CDMA為CATV網(wǎng)絡(luò)公司在利用HFC提供成本高效的數(shù)據(jù)服務(wù)方面創(chuàng)造了有競爭力的經(jīng)濟優(yōu)勢。高度健全的S-CDMA系統(tǒng)可以運行在惡劣的噪聲條件下。這急劇降低了設(shè)備的調(diào)試費用，方法是最大限度地減少，高通濾波器和專用電纜線的安裝；增加新用戶時去掉濾波器再重新安裝。

        如今的競爭市場要求經(jīng)營者把寬帶服務(wù)快速投向市場。只有S-CDMA系統(tǒng)能用減少設(shè)備調(diào)節(jié)所花時間的方法使CATV網(wǎng)絡(luò)公司快速安排數(shù)據(jù)服務(wù)。

五、結(jié)語 

        CDMA因其在價格和技術(shù)性能上的強大競爭力，受到廣大專業(yè)人士的很大關(guān)注，在LAN（局域網(wǎng)），PCN（個人通信網(wǎng)），PBX（用戶交換機）等方面得到日益廣泛的應(yīng)用。

        基于S-CDMA的HFC寬帶接入系統(tǒng)目前已在國內(nèi)的天津、遼寧、四川、重慶、湖北、河南、山東、新疆等省、市的CATV網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用，取得了良好的效果。 

        CDMA與常規(guī)無線通信技術(shù)（如：AM與FM）相比，由于其頻帶寬度增加，可在較低的S/N下，以不變的傳輸速率傳送信息。甚至頻帶寬度足夠?qū)挄r，在信號幾乎被噪聲淹沒的情況下，也能可靠的進行通信。 

        CDMA是一種新的通信體制，是通信領(lǐng)域中的一個重要發(fā)展方向，是符合我國國情的經(jīng)濟實用的遠程數(shù)據(jù)通信方式，尤其在多個LAN間聯(lián)網(wǎng)方面與其它聯(lián)網(wǎng)方式（如遠程訪問服務(wù)器方式、點對點通訊萬式、異步遠程聯(lián)網(wǎng)方式）相比，其高速率（達到2Mbp）更能滿足通信的實時性。