表面看CATV網絡實現雙向傳輸，只要在系統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，不但影響了系統的交互操作，也影響了系統下行信號的傳輸質量，嚴重的使系統陷于癱瘓。本文論述了應用于CATV網絡的S-CDMA傳輸技術，對其抗噪聲干擾的性能進行分析。

一、概述

        由于CATV（有線電視）網絡的電纜部分采用樹狀的拓樸結構，導致了HFC（光纖同軸電纜混合網）反向通道中的結構噪聲嚴重。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；二是所有家用電器、工業電器、短波通訊，對這個頻段將產生嚴重的干擾（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、數據誤碼嚴重。

        盡管全球各大CATV公司不斷地改造他們的網絡，見表一，其改造后的網絡由于雙向用戶不多，在小范圍、小規模的情況下，是解決了一些問題，但隨著雙向用戶數量的不斷增加，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）技術解決上述問題的設想。此后，Ｔｅｒａｙｏｎ與Ｃｉｓｃｏ合作，于１９９９年后陸續推出了ＴｅｒａｙｏｎＣＭ（Ｃａｂｌｅ Ｍｏｄｅｍ：電纜調制解調器）和Ｔｅｒａ Ｌｉｎｋ１０００兩種Ｓ－ＣＤＭＡ產品，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，使接收設備對Ｓ／Ｎ的要求降低，接收端的Ｓ／Ｎ在１３ｄＢ的惡劣環境下仍能達到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，讓通道內各路信號相互同步并具有正交性，從而增加了系統的容量。

（４）在１４Ｍｂ／ｓ的速率下又以６４ｋｂ／ｓ為一子帶分成多路ＴＳ（數據傳輸碼流），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，提高了系統抗脈沖干擾的能力，使系統得到４．８ｄＢ的增益。

２、同步和頻響矯正兩項措施確保了系統的容量

（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容量兩方面提高了上行通道的綜合指標。

二、擴頻CDMA技術

１、擴頻、碼片、Ｇ、相關

（１）擴頻即擴展頻譜，是用特定的擴頻碼序列填插在數據比特之中，擴頻碼序列的每個碼元（又稱碼片）的寬度要比數據比特窄很多倍。當擴頻序列和數據相乘時，其結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）。碼片比數據碼元窄多少倍，頻譜也就擴寬了多少倍。數據碼元寬度Ｔｂ和擴頻碼片寬度Ｔｃ之比稱為擴頻倍數（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：每個數據比特被一個長度為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地降低了。降低的倍數即擴頻的倍數，若擴頻倍數很大，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，這就是擴頻技術的抗偵察作用。

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

（４）由Ｓｈａｎｎｏｎ（仙農）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接收，本地擴頻碼與擴頻信號同步后并相乘，相關后的值為１，恢復了原來的數據信號。而其他非擴頻的干擾信號，相關后，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據（基帶信號），而干擾的絕大部分功率被排除在外，落在帶內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，這一性質的關鍵在于擴頻碼必須有尖銳的自相關系數（同步原理）。

（３）當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，相關后系數為０（這樣的碼序列稱為正交）或極小（這樣的碼序列稱為準正交），也不能被接收。只有與本地碼序列完全一致，才能被相關接收（CDMA原理）。

（４）當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。當用這些擴頻碼各自填插不同用戶的信號，并在一載頻上發射，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出該用戶所發信號的數據，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），尖銳的自相關系數（保證擴頻與相關碼址的一一對應），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。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，“1”碼元的數目與“0”碼元的數目至多相差一個。粗略講“1”碼元數與“0”碼元數接近相等。

（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

１、多個擴頻通信設備共享同一頻帶的直接序列擴頻通信技術

常用的擴頻通信技術有直接序列擴頻和跳頻擴頻兩種。目前應用的主要以直接序列擴頻通信技術為主。

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成原來的信號，多個擴頻通信設備可共享同一頻帶，每個系統使用各自獨特的擴展碼。

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

２、測距和均衡使頻譜擴展碼得以正交

        S-CDMA傳輸的高容量是頻譜擴展碼正交的結果，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通道上運載的業務是透明的。


         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和通道發射機上調整預編碼器來獲得的，使通道預編碼器的響應倒轉來校正通道響應保證正交，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的總容量，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，允許系統運行在負C/N情況下。 

        S-CDMA采用一種新型的調節技術來適應電纜裝置的動態噪聲特性，見圖二；它通過減少調制方案的等級和動態調節每個ＣＭ發射的功率來提高系統的堅實性和減小通道容量，此優良的調節能力確保系統的運行不中斷，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的優點

（１）信息處理增益

當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。通過自動相關運算，僅僅是原信號被放大，這產生了一個２１．５ｄＢ的系統增益，本系統增益實際上是達到傳輸增強的方法。

（２）干擾抑制

當一個正通過接收器的窄頻道干擾進入一個與發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的。不正交的特性能確保兩個非相關編碼的分量為零，這樣，調到特定編碼的接收器將會取消所有編碼結果，它調到的那個編碼除外。

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據的另兩種方法，但它們都有一定的限制。對于TDMA，不同的用戶對應不同的時間位置。因此，TDMA需要快速獲取，使得數據對窄帶干擾非常敏感，在S/N低于某個極限值時，TDMA系統可能不能運行。它的另一個問題是在一定通道內的競爭，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，這會在雙向數據網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，數據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系統常用頻率再分配技術來盡力避免噪聲，這樣一方面需要更智能化更昂貴的設備，另一方面由“跳頻”帶來的短暫通信中斷對于有些業務將是不可接受的，同時當系統移到另一通道中時，由于沒有發送任何數據，因此IT量也受動態數據再分配的影響。 

        S-CDMA技術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中傳輸雙向高速數據時最頭痛的問題。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非常可靠的上行TS。帶寬分配的好處使CATV網絡公司有提供可保證的數據率的能力，可應用于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，因此它是可分級的，當更多的CATV用戶加入S-CDMA系統時，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，如QPSK）。連同高的數據速率，這些特性使此S-CDMA技術成為CATV網絡高速數據傳輸的最有生命力的方法，見表二。

６、S-CDMA接入系統的試驗

        １９９６年１１月和１９９７年１月Ｔｅｒａｙｏｎ進行兩個電纜系統的現場試驗，目的在于強化S-CDMA接入系統試驗的條件，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節點；帶有６２００個用戶或５２７０個CATV用戶的一個不干凈光節點（已安裝，還未調節）；帶有３００００個用戶或２５５００個CATV用戶的８個光節點的集成，見表三。

        試驗顯示，系統的能力在一個集中在１４ＭＨｚ的６ＭＨｚ頻道用１４Ｍｂｐｓ原始數據率（８．１９２Ｍｂｐｓ連續用戶數據）無錯碼的時間超過９８％。在未除噪聲的設備，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的業余無線電發射；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接入系統在任何情況下９３．８％的時間是無錯誤運行的，當在一個“不干凈的節點”，即未調節節點測試時，S-CDMA提供９９％的電平，這表明此系統在Ｗｅｂ未調節的回傳路徑可傳送高特性數據業務。

        此基于S-CDMA的系統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電纜設備的系統的彈性能力，為網絡公司提供發了靈活的新水平。

        當對一個干凈節點以５ｓ間隔進行BER（誤比特率）測試時，此基于S-CDMA的系統在９６．２％的時間內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，這表明此系統在克服嚴重的干擾和噪聲上，可確保連續，高質量的鏈路。

        基于這些精密的測試，結論是基于S-CDMA的系統能無錯誤地運行：在低于２０ＭＨｚ有高噪聲的上行部分中，高速數據服務是切實可行的；適用于全電纜HEC；適用于有噪聲，未處理的設備；適用于含大量高度集成節點的系統中。

四、S-CDMA技術應用

１、S-CDMA傳輸

        對于CATV網絡公司來說，集健全性、可靠性、帶寬效率、服務級別管理和安全性于一體的物理傳輸系統是采用直接序列擴頻的，并且數據鏈路層利用TDMA和S-CDMA的系統。

        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的數據符號，以及格狀編碼和FEC（前向糾錯）。系統在試驗中也顯示出對窄帶和脈沖噪聲干擾的韌性。CATV網絡公司現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中做基礎的符號編號在現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，不會出現服務中斷。

２、設備調試費用低 

        S-CDMA為CATV網絡公司在利用HFC提供成本高效的數據服務方面創造了有競爭力的經濟優勢。高度健全的S-CDMA系統可以運行在惡劣的噪聲條件下。這急劇降低了設備的調試費用，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營者把寬帶服務快速投向市場。只有S-CDMA系統能用減少設備調節所花時間的方法使CATV網絡公司快速安排數據服務。

五、結語 

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

        基于S-CDMA的HFC寬帶接入系統目前已在國內的天津、遼寧、四川、重慶、湖北、河南、山東、新疆等省、市的CATV網絡中得到應用，取得了良好的效果。 

        CDMA與常規無線通信技術（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。甚至頻帶寬度足夠寬時，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，是通信領域中的一個重要發展方向，是符合我國國情的經濟實用的遠程數據通信方式，尤其在多個LAN間聯網方面與其它聯網方式（如遠程訪問服務器方式、點對點通訊萬式、異步遠程聯網方式）相比，其高速率（達到2Mbp）更能滿足通信的實時性。