cable modem中的TDMA与S-CDMA系统

zjol

2003-01-24 广州电子技术网


cable modem技术是利用HFC网传送各种多媒体IP数据信号，是CATV网的一个很有前途的增值业务，目前cable modem(简称CM）有两种系统，一种是TDMA系统、一种是S-CDMA系统。

一、TDMA系统

TDMA系统又叫时分多址系统，由头端设备CMTS和用户端设备CM组成一个完整的数据传输和交换通道，CMTS与CM间分上下行两个通道进行通信，下行通道的带宽为6M，采用64QAM的调制方式，下行通道的频段通常都安排在550MHZ--750MHZ上，数据速率达36mbps，一个CMTS能管2000个CM，这些CM都共享这一下行通道，即CMTS以广播形式（一点对多点）通过下行通道发送多址数据信息。每个CM都拥有一唯一的地址码，CM通过下行信号中的地址码与自己的地址码进行判别是否是自己的信息，也就是说，每个CM都侦听下行传输的所有数据包，只有地址码与之匹配的CM才能接收。即所谓多址控制。这有点象邮递员送信，每封信（数据包）都有一个用户住址（地址码），邮递员就是根据这个住址准确地将信送到用户（CM）的手中。下行通道对CNR的要求大于30db，因为数据信号的性质与噪声的性质相似，所以当噪声过大时容易引起较大的误码率，使数据包丢失。

上行通道用作用户端向头端发送数据信息的通道，由于它是一种汇聚式的通讯（多点到一点），所以汇聚噪声成了最大的技术问题（主要是各种侵入噪声），为此采用了抗噪性能较好的QPSK调制方式，上行通道的频段通常都安排在5MHZ---40MHZ上，上行通道带宽分为：400KHZ、800KHZ、1.6MHZ、3.2MHZ几个档次。数据速率在320 K--5Mbps之间。之所以将上行通道分为这几个档次主要是考虑到上行通道的CNR值，如果通道的CNR值过低则可以将上行通道的带宽设置的窄一些，但它是以牺牲数据传输速率为代价的。通常所使用的带宽为1.6MHZ，此时数据速率为2.5Mbps。对CNR的要求为大于25db（这个值是为了保证误码率为1X10E-8情况下的值）。

CMTS将上行通道划分成一个个小时隙，将每个小时隙都分配给在线的CM，CM在属于自己的小时隙内发送信息时是独占整个通道带宽的。小时隙的分配是根据在线的CM数量实行动态分配的，例如某一CM下线后，系统会将原来属于这个CM用的时隙释放出来分配给其他在线CM。

当在线的CM较多时，分配给CM的时隙就较少，由于每个CM的物理位置均不同，它们经过的路由长短不一，所以每个CM传送数据到CMTS时的时间均有差异，即每个CM与头端数据交换时均存在时延误差的问题，由于这个时延的存在又由于CM的工作时隙较少，这样就不能保证在规定的时隙内CM发送的数据CMTS能够准确地接收。所以CMTS对其下属的所有CM的时延量均要做到“心中有数”，这样CMTS在对每个CM分配时隙时都将时延量考虑进去，从而确保数据的正确传送。这个过程我们称之为测距，这种测距在每次CM起动时都要进行。

由上述可见，TDMA系统中，上行信号是采用时分复用方式进行工作的，而下行信号是采用多址控制方式进行工作的，所以称为时分多址系统。

二、S-CDMA系统

从上面的论述我们知道，TDMA系统的上下行数据的传送速率是不相同的（上下行业务流量的比率从1：20到1：3）即不对称，之所以出现这种情况是因为受到上行通道的汇聚噪声影响所至。当今随着对新的对称业务如视频会议、电话、E-MAIL的需求日益增长，由于这些业务要求收发的比特数是近乎相等的，所以上行信道的汇聚噪声和新业务的需求形成了一对矛盾，我们需要一个在充满噪声的环境中能够解决上行数据传输容量的技术支持，S-CDMA系统的提出就是为了解决这一问题而应运而生的。

S-CDMA又叫同步码分多址系统，其上下行带宽都在6M，下行通道与TDMA系统是相似的，与TDMA系统不同处是上行通道。一般采用16QAM调制方式，数据速率达14Mbps。它应用了直接序列（扩谱码）扩频技术，扩频技术通俗来说是采用了给定频带范围内，尽量减少平均输出功率的办法，也即将发信机输出信号的频谱以中心频率为中心尽量展宽，此时噪声信号的频谱还集中在中心频率附近，在收信端使用相应的装置把展宽的有效信号重新压缩到中心频率附近，而使噪声信号不再集中在中心频率附近。这样一来就可以非常有效地消除噪声及其它干扰信号的影响。扩频技术使信号的抗噪声能力增强，所以它可采用频带利用率较高的16QAM调制方式，以获得较高的数据速率。S-CDMA系统之所以能有较强的抗噪能力，完全是由于采用了扩频技术，扩频技术有两种：1、直接序列扩频技术，2、跳频扩频技术，S-CDMA系统用的是第一种扩频技术。根据仙农的信道容量公式C=Wlog2(1+s/n)，在速率C不变的条件下，频带宽度W与信噪比S/N的关系是相反的，即在频带宽度W增加的情况下，可在较低的信噪比以不变的传输速率传递信息。当带宽足够大时，在信号几乎被噪声淹没的情况下，也能可靠地通信。在发信端输入的数据先经数据调制，形成带宽为B1的基带数字信号，然后由扩频编码发生器产生的伪随机噪声序列码（简称PN码）去调制数字信号，形成带宽为B2的扩频信号，由于B2》B1，所以扩频信号的功率密度极低。扩频信号再经调制到射频上发送出去。在通信中的各通信用户使用各自的PN码可以同时使用带宽为B2的同一频段，而在接收端，先将收到的射频信号变频至中频，解出带宽为B2的扩频信号，然后用相同的扩频码进行解扩，把展开的扩频信号还原为原来的信号。扩频系统可以极大限度地共享相同的频道资源，由于每个系统都具有与众不同的伪随机序列码来减少来自其它设备的干扰，只有具有与发信端相同伪随机序列码的收信才可以重组或压缩扩频信号来获得其中加载的有效信息。故而多个CM可同时使用同一频带（这与TDMA系统不同，TDMA是一个CM独占整个通道，而S-CDMA是最多128个CM同时使用同一通道，超过128个CM的则再采用时分复用，所以说S-CDMA是既码分又时分），只要采用不同的伪随机序列码，就不会相互干扰。所以，扩频系统具有信道复用的优势。也就是说在CMTS的收信端使用不同CM的伪随机序列码作解扩，来恢复不同CM传送来的数据信息实现多址通信，这就是所谓的码分了。反映扩频通信性能的重要参数是扩频增益G，它是频谱扩展后信号带宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即G=B2/B1，由于B2》B1，所以信号经解扩后的信噪比改善，通常可达10db。

由于多个CM共用一个上行通道，为了减少可能产生的码间干扰，在S-CDMA系统中，还必须完成在头端接收设备端伪随机序列码的同步，这里的同步是指各CM信号的扩频码起始位置在前端接收设备处是对齐的，这样的好处是地减少了扩频序列间的相互干扰。由于各CM的物理位置是随机的，到达前端接收设备的时延不相同，为了使扩频序列在前端接收设备中达到同步，则一定要对各CM的扩频序列的相位进行调整，这个过程与基于TDMA的时间测距过程是相同的。也就是说S-CDMA也需要一个延时测距过程，通过这个时延来确定每个CM的扩频序列的初始相位，这种测距在每次CM起动时都要进行。由于直扩系统随着伪随机序列码的加长，要求的同步精度就高，所以且每隔一定的时间要进行复测，从而不断刷新复测数据，确保各扩频序列的同步。另外，CM还将一些相关参数（如接收电平、发射电平、信道S/N等）不断与前端设备（控制器）进行交换刷新，所以，S-CDMA系统在用户没有上传数据时也因为CM要以前端设备传送以上所说的两种基本信息，以使上行通道一直保持工作。

S-CDMA系统的上行通道最高速率是14Mbps，当通道的C/N值下降时，系统将会自动降低数据速率、提高CM的发射功率来适应。系统是通过降低调制系统的阶数（如从32QAM降至16QAM或8QAM）来实现降低通道的传输速率的。这个过程是平滑过度的，确保了不干扰系统的运行。经实验证明：上行通道的C/N为15db时，系统还能全速运行，当上行通道的C/N降为6db时，系统仍能正常工作，此时速率由14Mbps下降至360Kbps，当C/N小于4db时系统将无法工作，丢包率超过90%。

由此可见，S-CDMA的上行通道是采用同步码分复用方式的，所以称为同步码分多址系统。