表面看CATV網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，只要在系統(tǒng)中加上反向模塊即可運(yùn)行，不是件很難的事，實(shí)際并非如此，反向上行通道受噪聲的干擾極其嚴(yán)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(hào)的傳輸質(zhì)量，嚴(yán)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(jìn)行分析。

　　一、概述

　　CATV電纜是用作寬帶傳輸，有別于其他以太網(wǎng)物理層所采用的基帶傳輸，寬帶布線系統(tǒng)可將頻帶分割成不同頻譜，而再通過不同頻帶去提供不同服務(wù)，此種技術(shù)已于有線電視廣播上廣泛采用，在同一電纜上同時(shí)提供多種電視頻道，由于每一頻道都占用不同頻帶，所以能夠互不干擾。

　　要傳送聲音或電視影像的訊號(hào)，必須要有足以裝載這些訊號(hào)的頻帶寬度，如果頻帶不夠?qū)?，則無法承載將要傳送的訊號(hào)，如此就會(huì)造成失頁（Distortion）。一般而言，要傳送聲音訊號(hào)約需4000赫芝 （KHz），而要傳送電視訊號(hào)就需要400萬赫芝（MHz）的頻率。

　　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(yán)重。其原因有兩個(gè)：一是所有上行通道的信號(hào)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(gè)頻段將產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾（主要以熱噪聲、匯入噪聲、光端機(jī)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(jī)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(yán)重。

　　１、S-CDMA克服上行通道匯聚噪聲的技術(shù)策略

　?。?）將信道分割，每6MHz為一個(gè)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(hào)自身的噪聲。

　?。?）利用CDMA的擴(kuò)展及獨(dú)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(dá)到10－6的誤碼率，c/n（載噪比）在0dB以下，極限在-13dB時(shí)仍能工作，系統(tǒng)接收端得到20dB的增益。

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

　?。?）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(jìn)行交織編碼，進(jìn)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。

　?。?、同步和頻響矯正兩項(xiàng)措施確保了系統(tǒng)的容量

　?。?）同步措施是為了使所有用戶的信息碼位都能同時(shí)到達(dá)高端。這是靠連續(xù)地進(jìn)行時(shí)延測量以矯正距離和溫度變化引起的同步時(shí)間差異實(shí)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(hào)進(jìn)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(kuò)頻CDMA技術(shù)

　　CDMA （Code Division Multiple Access） 又稱碼分多址，是在無線通訊上使用的技術(shù)，CDMA允許所有使用者同時(shí)使用全部頻帶（1.2288Mhz），且把其他使用者發(fā)出訊號(hào)視為雜訊，完全不必考慮到訊號(hào)碰撞 （collision） 問題。CDMA中所提供語音編碼技術(shù)，通話品質(zhì)比目前GSM好，且可把用戶對話時(shí)周圍環(huán)境噪音降低，使通話更清晰。就安全性能而言，CDMA不但有良好的體制，更因其傳輸特性，用碼來區(qū)分用戶，防止被人盜聽的能力大大增強(qiáng)。

　　1 技術(shù)背景

　　CDMA，就是利用展頻的通訊技術(shù)，因而可以減少手機(jī)之間的干擾，并且可以增加用戶的容量，而且手機(jī)的功率還可以做的比較低，不但可以使使用時(shí)間更長，更重要的是可以降低電磁波輻射對人的傷害。 CDMA的帶寬可以擴(kuò)展較大，還可以傳輸影像，這是第三代手機(jī)為什么選用CDMA的原因。

　　CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對更高質(zhì)量無線通信的需求。第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭 的需要而研究開發(fā)出CDMA技術(shù)，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。1995年，個(gè)CDMA商用系統(tǒng)（被稱為IS-95A）被美國高通公司運(yùn)行之后，CDMA技術(shù)理論上的諸多優(yōu)勢在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應(yīng)用。許多國家和地區(qū)，包括中國大陸、中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國和日本，CDMA成為國內(nèi)的主要移動(dòng)通信技術(shù)。在美國，10個(gè)移動(dòng)通信運(yùn)營公司中有7家選用CDMA。到2006年4月，韓國有60%的人口成為CDMA用戶。在澳大利亞主辦的第27屆奧運(yùn)會(huì)中，CDMA技術(shù)更是發(fā)揮了重要作用。

　　中國聯(lián)通于2002年1月8日正式開通了CDMA網(wǎng)絡(luò)并投入商用，2008年10月1日后轉(zhuǎn)由中國電信經(jīng)營，手機(jī)號(hào)段為133、153、189及剛剛放號(hào)的180號(hào)段。

　　女演員海蒂拉瑪和她的作曲家丈夫定義Spectrum（頻譜）的概念早在1942年。該提出了一個(gè)重要的概念“展布頻譜技術(shù)”此后的這個(gè)思路帶給了我們這個(gè)世界不可思議的變化。5０年代，紐約州的Sylvania公司（臺(tái)積電老板張忠謀在美國的份工作，就是在這家半導(dǎo)體公司）開始以海蒂和喬治的為出發(fā)點(diǎn)作相關(guān)的研發(fā)。后來在6０年代，相關(guān)的展頻（Spread Spectrum）技術(shù)出現(xiàn)了，美國軍方也開始在軍事通訊系統(tǒng)中使用展頻技術(shù)。8０年代冷戰(zhàn)結(jié)束后，美國軍方解除了對展頻技術(shù)的管制，允許其商業(yè)化。然后在1985年，高通在加州成立，以展頻技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)出CDMAJI（Code Division Multiple Access）系統(tǒng)。

　　2 擴(kuò)頻、碼片、Ｇ、相關(guān)

　?。ǎ保U(kuò)頻即擴(kuò)展頻譜，是用特定的擴(kuò)頻碼序列填插在數(shù)據(jù)比特之中，擴(kuò)頻碼序列的每個(gè)碼元（又稱碼片）的寬度要比數(shù)據(jù)比特窄很多倍。當(dāng)擴(kuò)頻序列和數(shù)據(jù)相乘時(shí)，其結(jié)果即是擴(kuò)頻后的序列，碼片比數(shù)據(jù)碼元窄多少倍，頻譜也就擴(kuò)寬了多少倍。數(shù)據(jù)碼元寬度Ｔｂ和擴(kuò)頻碼片寬度Ｔｃ之比稱為擴(kuò)頻倍數(shù)（又稱擴(kuò)頻增益），用Ｇ表示。

　?。牵剑ǎ裕猓ǎ裕悖?。若以ｄＢ表示，則：Ｇｓｓ（ｄＢ）＝１０ ｌｏｇ（Ｔｂ）／（Ｔｃ）

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

　?。ǎ玻U(kuò)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(kuò)頻的倍數(shù)，若擴(kuò)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(hào)就淹沒在噪聲之中，外人將無法檢測，這就是擴(kuò)頻技術(shù)的抗偵察作用。

　?。ǎ常┰诮邮斩擞门c發(fā)送端完全相同的擴(kuò)頻碼序列，去接收已擴(kuò)信號(hào)，運(yùn)算后，就可得到原來的數(shù)據(jù)信號(hào)，此過程是擴(kuò)頻的逆運(yùn)算，稱為相關(guān)（又稱：解擴(kuò)）。相關(guān)時(shí)，只有原來已被擴(kuò)頻的信號(hào)才會(huì)被還原成本來的數(shù)據(jù)信號(hào)。沒有被該擴(kuò)頻信號(hào)運(yùn)算過的任何信號(hào)都不會(huì)被接收，而是當(dāng)做噪聲被濾波器濾除掉。

　?。ǎ矗┯桑樱瑁幔睿睿铮睿ㄏ赊r(nóng)）信道容量公式可知：Ｃ＝ Ｗ ｌｏｇ（１＋Ｓ／Ｎ）

　?。ㄊ街校海脼閭鬏斔俾省ⅲ诪轭l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(hào)幾乎被噪聲淹沒，也能進(jìn)行可靠的通信。

　　3 CDMA的原理

　?。ǎ保U(kuò)頻信號(hào)之所以具有極強(qiáng)的抗干擾能力，是因?yàn)樵诮邮諘r(shí)要用同樣序列的本地?cái)U(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)接收，本地?cái)U(kuò)頻碼與擴(kuò)頻信號(hào)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(hào)。而其他非擴(kuò)頻的干擾信號(hào)，相關(guān)后，實(shí)際上是被本地?cái)U(kuò)頻碼相乘，變成擴(kuò)頻，把干擾功率分散到很寬的頻譜上去。接收機(jī)用窄帶濾波器濾出所需的數(shù)據(jù)（基帶信號(hào)），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(hào)，其功率已不能對信號(hào)進(jìn)行干擾。故Ｇ越大，抗干擾能力越強(qiáng)。

　?。ǎ玻┊?dāng)干擾信號(hào)本身也是擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻碼序列和所要接收的信號(hào)又相同，如果本地碼序列不和它同步，而是相差一個(gè)碼片以上的時(shí)間，相關(guān)后的值為極小，不能被接收。只有本地?cái)U(kuò)頻碼與主信號(hào)同步時(shí)才能被接收，而其他路徑來的遲延一個(gè)碼片以上時(shí)間的信號(hào)就不會(huì)被接收，這一性質(zhì)的關(guān)鍵在于擴(kuò)頻碼必須有尖銳的自相關(guān)系數(shù)（同步原理）。

　?。ǎ常┊?dāng)干擾的擴(kuò)頻信號(hào)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(kuò)頻信號(hào)是長度相同的擴(kuò)頻碼，但它們的碼序列與要接收的信號(hào)不同，而又相互正交。當(dāng)用這些擴(kuò)頻碼各自填插不同用戶的信號(hào)，并在一載頻上發(fā)射，接收機(jī)雖然能接收到，只有與本地?cái)U(kuò)頻碼序列相同的接收機(jī)才能相關(guān)出該用戶所發(fā)信號(hào)的數(shù)據(jù)，其他用戶的信號(hào)不能被接收。因此只有這個(gè)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(kuò)頻碼能有多個(gè)不同的互相正交的碼序列，有多少個(gè)正交碼序列，就有多少個(gè)不同的地址碼或碼分信道。

　?。?、PN碼（Ｐｓｅｕｄｏ－Ｎｏｉｓｅ：偽隨噪聲碼、又稱偽隨機(jī)碼）

　　綜上所述，擴(kuò)頻CDMA的關(guān)鍵是要有一定長度的擴(kuò)頻碼（保證有很強(qiáng)的Ｇ），尖銳的自相關(guān)系數(shù)（保證擴(kuò)頻與相關(guān)碼址的一一對應(yīng)），多個(gè)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?jǐn)U頻碼必須具有以上碼序列的性質(zhì)。PN碼是常用的碼分?jǐn)U頻碼，其特點(diǎn)如下：

　?。ǎ保┰诿總€(gè)碼字（即一個(gè)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(gè)。粗略講“1”碼元數(shù)與“0”碼元數(shù)接近相等。

　?。ǎ玻┐a的游程特性，所謂游程即連“1”或連“0”的碼元，有四個(gè)連1（或連0）的碼元，游程長度為4；有3個(gè)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。

　　3 CDMA的缺點(diǎn)

　　來自非同步CDMA網(wǎng)中不同的用戶的擴(kuò)頻序列不完全正交，從而引起多址干擾； 　　由于使用相同的載頻，許多用戶共用一個(gè)信道，強(qiáng)信號(hào)對弱信號(hào)有著明顯的抑制作用，從而產(chǎn)生“遠(yuǎn)－－近”效應(yīng)，影響用戶通話。 　　CDMA系統(tǒng)中采用功率控制技術(shù)解決“遠(yuǎn)---近”效應(yīng)

　　三、S-CDMA技術(shù)

　?。?、多個(gè)擴(kuò)頻通信設(shè)備共享同一頻帶的直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)

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

　　所謂直接序列擴(kuò)頻通信，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻序列在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，在接收端用相同的擴(kuò)頻序列，將展開的擴(kuò)頻信號(hào)相關(guān)成原來的信號(hào)，多個(gè)擴(kuò)頻通信設(shè)備可共享同一頻帶，每個(gè)系統(tǒng)使用各自獨(dú)特的擴(kuò)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(kuò)頻的Ｓ－ＣＤＭＡ技術(shù)，Ｓ－ＣＤＭＡ在兩個(gè)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(gè)６ＭＨｚ頻進(jìn)內(nèi)傳送。Ｔｅｒａｙｏｎ正計(jì)劃下行數(shù)據(jù)工作頻段擴(kuò)展到８７７５０ＭＨｚ。

　?。病y距和均衡使頻譜擴(kuò)展碼得以正交

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

　　測距即保證時(shí)間對齊，即所有碼字必須同時(shí)到達(dá)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(jì)算電纜隨溫度改變的伸長／收縮，此過程對每６ＭＨｚ通道上運(yùn)載的業(yè)務(wù)是透明的。

　　均衡即進(jìn)行頻率矯正，見圖一，是通過測量從每個(gè)用戶到前端的通道響應(yīng)和通道發(fā)射機(jī)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(gè)含有６４ｋｂｐｓ的多個(gè)ＴＳ來組成每通道傳送凈負(fù)載１４Ｍｂｐｓ的總?cè)萘?，每個(gè)ＴＳ用它自身擴(kuò)展碼進(jìn)行格子編碼、交織并擴(kuò)展到６ＭＨｚ。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（１００ｍｓ不發(fā)生錯(cuò)誤），頻譜擴(kuò)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(yùn)行在負(fù)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(dòng)態(tài)噪聲特性，見圖二；它通過減少調(diào)制方案的等級(jí)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)每個(gè)ＣＭ發(fā)射的功率來提高系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)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(yùn)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(diǎn)

　　（１）信息處理增益

　　當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)通過一個(gè)有相同編碼程序控制的接收器時(shí)，達(dá)到此目的。通過自動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，僅僅是原信號(hào)被放大，這產(chǎn)生了一個(gè)２１。５ｄＢ的系統(tǒng)增益，本系統(tǒng)增益實(shí)際上是達(dá)到傳輸增強(qiáng)的方法。

　　（２）干擾抑制

　　當(dāng)一個(gè)正通過接收器的窄頻道干擾進(jìn)入一個(gè)與發(fā)射機(jī)里的原信號(hào)進(jìn)程相同的進(jìn)程時(shí)，達(dá)到此目的。干擾隨后減少（實(shí)際是擴(kuò)展），同時(shí)使系統(tǒng)即使在C/N為負(fù)值（不完全負(fù)載）時(shí)也能運(yùn)行。

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