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符合我国有线电视双向传输的同步码分多址S-CDMA技术
发布时间：2006-10-14 4:15:12		收集提供：gaoqian


江苏冯传岗一、概述　　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。　　尽管全球各大ＣＡＴＶ公司不断地改造他们的网络，见表一，其改造后的网络由于双向用户不多，在小范围、小规模的情况下，是解决了一些问题，但随着双向用户数量的不断增加，汇聚噪声的干扰也日趋严重……还是没有能从根本上解决汇聚噪声的干扰问题。　　为此，美国Ｔｅｒａｙｏｎ（泰立洋）通信公司于１９９６年４月提出了利用Ｓ－ＣＤＭＡ（ＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ：同步码分多址）技术解决上述问题的设想。此后，Ｔｅｒａｙｏｎ与Ｃｉｓｃｏ合作，于１９９９年后陆续推出了ＴｅｒａｙｏｎＣＭ（ＣａｂｌｅＭｏｄｅｍ：电缆调制解调器）和ＴｅｒａＬｉｎｋ１０００两种Ｓ－ＣＤＭＡ产品，用于解决上行汇聚噪声的干扰问题。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１、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，这时序列的码元即为码片的宽度，由于它宽度窄，因此频谱就变宽了（频谱宽度和脉冲宽度成反比）。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）＝１０ｌｏｇ（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＝Ｗｌｏｇ（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。２、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码是最常用的码分扩频码，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。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ＱｕａｌＣｏｍｍ、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。用前向纠错和交织来加强信号扩展、ＴＳ可耐受脉冲噪声、窄带干扰和宽带高斯噪声。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（最大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。它的另一个问题是在一定通道内的竞争，并且此竞争影响邻近通道因为来自不同竞争的能量会引起放大器的过载，这会在双向数据网中引起严重的信息量和性能问题。　　对于ＦＤＭＡ，各个用户被分配不同的能量用于上行传输，由于每个用户占有一个特定窄通道，数据非常容易受噪声的攻击，这是因为宽带干扰能进入用户占有的频道，为此ＦＤＭＡ系统常用频率再分配技术来尽力避免噪声，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最头痛的问题。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，可应用于ＡＢＲ（自动比特率选择）、ＣＢＲ（固定比特率选择）和ＶＢＲ（可变比特率选择）信息Ｓ－ＣＤＭＡ不属于竞争的系统，因此它是可分级的，当更多的ＣＡＴＶ用户加入Ｓ－ＣＤＭＡ系统时，它们的高峰时间不会为有限的带宽而竞争，因此避免了冲突和降低Ｗｅｂ特性。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最有生命力的方法，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，第一个为１１～１７ＭＨｚ第二个为５～１１ＭＨｚ，ＣＭ在两个试验中都很成功，在第一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。　　此基于Ｓ－ＣＤＭＡ的系统成功克服了来自多窄带干扰和脉冲源的噪声，这表明，通过不需要安装滤波器的全电缆或ＨＦＣ电缆设备的系统的弹性能力，为网络公司提供发了灵活的新水平。　　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。　　对于上行带宽抵抗噪声侵入，Ｓ－ＣＤＭＡ允许频率和暂时扩展每个传输的数据符号，以及格状编码和ＦＥＣ（前向纠错）。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。系统在极端苛刻的条件下，为维护信号的完整性可以适度减小传输容量，给出端到端的出错性能，不会出现服务中断。２、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。这急剧降低了设备的调试费用，方法是最大限度地减少，高通滤波器和专用电缆线的安装；增加新用户时去掉滤波器再重新安装。　　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，受到广大专业人士的很大关注，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。　　基于Ｓ－ＣＤＭＡ的ＨＦＣ宽带接入系统目前已在国内的天津、辽宁、四川、重庆、湖北、河南、山东、新疆等省、市的ＣＡＴＶ网络中得到应用，取得了良好的效果。　　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。摘自　中国有线电视导航

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