【本科优秀毕业设计】基于光纤光栅技术的跳频光码分多址通信系统分析

毕业设计（论文）基于光纤光栅技术的跳频光码分多址通信系统分析摘要光码分多址OCDMA技术是未来高速全光通信网络的备选方案之一,有着其独特的优势它可以更加有效的利用光纤所能提供的巨大带宽，不需要全网的时钟同步，可以实现灵活的用户接入，并且使灵活的光交换成为可能，它的突出特点就是给用户分配特定的地址码从而使多用户共享同一信道目前正处于发展的初期阶段在未来网络的全光化中,OCDMA技术将扮演重要角色本文着重研究光码分多址系统中编解码技术,光纤光栅原理技术,DS/FH编解码技术等关键技术。论文详细介绍了光码分多址的发展现状及其面临的问题。光码分多址技术（OCDMA）是一种极具发展潜力的扩容技术，特别是在光纤光栅技术逐渐完善的条件下，光码分多址技术势必成为未来光通信系统中重要的工具。本文首先对OCDMA系统原理进行了分析和研究；其次对光纤光栅技术的光学特性，滤波特性等原理进行了介绍；最后结合光纤光栅的跳频技术分析OCDMA系统。关键词光纤光栅；光码分多址；光编解码技术；跳频；FHOCDMA系统ABSTRACTOPTICALCODEDIVISIONMULTIPLEACCESSOCDMAISONEOFTHEPOSSIBLERESOLUTIONFORFUTUREALLOPTICALCOMMUNICATIONNETWORKSINOCDMASYSTEMMOREUSERSCANBEACCESSEDINTONETWORKS,ANDTHECOMMUNICATIONBETWEENTHEMDOESNOTREQUIREFORTHESYNCHRONIZATIONMOREOVER,OCDMCANPROVIDEFLEXIBLESWITCHAMONGDIFFERENTCODECHANNELS,WHICHISVERYDIFFICULTINWDMITSNOTEDCHARACTERISTICSLIEINTHATEACHUSERISASSIGNEDAUNIQUESIGNATURECODETOMAKEALLUSERSHARETHESAMECHANNELATPRESENT,ITISSTILLATTHEFIRSTSTAGEOFDEVELOPMENTITWILLPLAYANIMPORTANTROLEINTHEPROCESSOFRELEASINGALLOPTICALNETWORKSTHISTHESISISFOCUSEDONSOMEKEYTECHNOLOGIESINOCDMASYSTEM,INCLUDINGTHEOPTICALENCODING/DECODINGTECHNOLOGIESINOCDMASYSTEM,FIBERGRATINGTECHNOLOGIES,FHSYSTEMS,ANDSOONTHISTHESISEXACTLYINTRODUCESTHECONDITIONOFOCDMASYSTEMANDANALYZESTHEPROBLEMSINOCDMASYSTEMOPTICALCDMATECHNOLOGYISONEOFTHETECHNOLOGIESTOINCREASECOMMUNICATIONCAPACITYWITHABIGPOTENTIAL，ESPECIALLYWHENTHEFBGTECHNOLOGYISMOREANDMOREMATUREOCDMATECHNOLOGYWILLBEANIMPORTANTTOOLINOPTICALCOMMUNICATIONKEYWORDSFBGOCDMAOPTICALENCODING/DECODINGTECHNOLOGYFREQUENCYHOPINGFHOCDMA目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112光通信发展的历史回顾113光通信复用技术的比较314OCDMA技术的发展过程和研究现状515OCDMA实用化面临的问题6151编解码方案和技术的问题6152多址干扰问题6153与现有复用技术的共存和融合问题7154在光纤中传输的色散问题716本文将要研究的问题7第2章OCDMA的分类、系统模型及关键技术921OCDMA的基本技术原理922OCDMA的分类1223OCDMA的系统方案分类14231时域编码系统15232频域编码系统16233跳频系统1724OCDMA中的关键技术20241伪随机地址码序列的设计20242光编解码器的设计21243多用户干扰的消除22244光码分复用网络结构和通信协议2325小结23第3章光纤光栅技术原理2531引言2532光纤光栅的特性25321光纤光栅的光敏性25322光纤光栅的光学特性滤波特性2633光纤光栅的写入技术27331光纤光栅写入的基本原理27332光纤光栅内部的写入结构2834光纤光栅的应用2835小结29第4章跳频光码分多址系统3141引言3142DSOCDMA系统31421DSOCDMA编解码原理31422DSOCDMA系统存在的问题3243光正交码理论33431强码片异步干扰模式36432弱码片异步干扰模式36433码片同步干扰3644跳频系统38441编码系统38442码分多址系统模型39443跳频码分多址及其编码40444信号干扰比率和误码率4145性能分析42451光跳频码分多址（FHOCDMA）和非耦合直接序列码分多址（DSCDMA）42452误码率4346小结44结论45参考文献46附录148附录251附录355致谢72第1章绪论11课题背景通信技术的发展使人类社会进入了信息时代。整个世界通过光纤干线网络连成了一个整体，地球的空间已经越来越小，“地球村”就是通信技术发展的最好体现。社会的信息化使得人们对信息量的需求不断增长，各种各样的新型宽带信息业务大量涌现，如视频点播、视频电话、高清晰度图像传输和视频远程会议等多媒体信息服务，需要人们更好的充分利用现有光纤通信系统的巨大传输容量。为了进一步提高光线庞大的潜在带宽资源的利用率，满足不断增长的电信和INTERNET业务的需求，各种各样的光复用技术被引入到光通信中，如波分复用（WDM）、频分复用（FDM）、时分复用（OTDM）、码分复用（OCDM）等。WDM已经成功地从实验室走向商用化，已被广泛应用于世界各国地干线传输和城域网扩容。但是WDM实现扩容是受限的，可用波长数直接受到可用的传输信道窗口大小和最小信道间隔的限制。光时分复用（OTDM）技术在某种程度上避免了WDM系统存在的一些限制。但这种技术要求严格的色散管理和时钟同步，并且相关器件价格比较高，系统也相对复杂，这些因素限制了OTDM的发展。为了进一步扩大系统容量，结合光纤的巨大带宽和光信息处理技术产生了光码分复用技术。目前，随着光纤光栅技术的发展，OCDMA技术无论在学术上还是在实用化上都进展顺利，理论研究成果和试验报道系统屡见不鲜。12光通信发展的历史回顾光通信是以光波作为载体来传递信息的一种通信方式。光通信的历史可以追溯到3000年前的烽火台。但现代的光通信则是在上世纪七十年代开始的。实现现代光通信的关键是两个光源和传输媒质。1960年第一台红宝石激光器研制成。1962年半导体激光器出现，并于1970年实现了室温下连续工作半导体激光器克服了气体、固体激光器体积大、效率低的缺点，为实用化的通信光源奠定了基础，解决了光通信的光源问题。1970年，美国康宁公司首先拉制出了世界上第一条损耗为20DB/KM的石英光纤，解决了光通信的传输媒质问题。光源和传输媒质解决以后，光通信进入了实用化阶段，发展突飞猛进。30几年来，现代光通信已经历过三代的更替，性能得到了极大提高。第一代光通信七十年代中期到八十年代中期所用光源为085UMALGAAS半导体激光器，传输光纤为多模光纤，光电检测器为硅PIN或APD二极管，典型损耗2DB/KM，无中继传输距离约为1OKM。其标志是1976年美国亚特兰大进行的第一个实用光纤通信系统现场实验，该系统传输速率447MB/S，传输了约1OKM。第二代光通信八十年代中期到九十年代中期开始采用当时刚刚研制成功的13UMINGAASP半导体激光器，光电探测器为锗材料的光电二极管。初期传输光纤为多模光纤，后来开始采用单模光纤。因为在该波段石英光纤具有较低的损耗和最低的色散，所以无中继传输距离更长，传输速率得到提高。典型损耗05DB/KM，无中继传输距离约50100KM，传输速率几百MB/S。第三代光纤通信九十年代中期以后开始使用损耗更低的155UM窗口，传输光纤普遍采用单模光纤。该波段商用单模光纤的损耗只有约02DB/KM，己接近该波段光纤损耗的理论极限，传输速率可达2510GB/S，无中继传输距离可达100150KM。光通信能够以如此惊人的速度发展，这与其自身所具有的一系列优点是分不开的（1）容量大单模光纤可咨利用的带宽高达25THZ。这意味着，如果充分加以开发利用，可以用一根光纤在1S左右的时间内将人类有史以来的所有文字资料传输一遍。但目前光网络中的复用方式时分复用和波分复用还没有完全充分利用光纤带宽。（2）损耗低同轴电缆的传输损耗一般为每百米几DB到十几DB。电缆通信系统的中继距离仅一两公里。而商品光纤在1550NM窗口的损耗只有02DB/KM，无中继距离可达几十至上百公里。（3）易集成18管同轴电缆每米的重量高达LLKG,100芯铅皮对称电缆每来的重量也有29KG，而同等容量的光缆每米只有90G重。此外，光纤具有很好的可绕性，可架空、直埋或者置入管道，陆、海、空等环境下均可使用。（4）性能好光纤材料是电绝缘的，具有很好的抗电磁干扰能力。光信号在纤芯中传播，芯外很快衰减，因而具有很好的保密性，日前还没有在不破坏光纤正常传输的情况下的有效窃听手段光纤的主要成分SI02是自然界中蕴藏最为丰富的材料。这不仅可以节约大量金属，而且成本低。正因为这些优点，现代光通信成为目前人类发明的最为理想的有线通讯方式。经过短短几十年的发展，它己经无可争议地成为信息有线传输领域的骨干。为未来信息高速公路和综合业务数字网ISDN的实现提供了重要的基础。未来光通信的发展方向是全光网，即在光通信网络中实现圣光交换和存储。目前的光网络由于使用较多的电子器件存在电子瓶颈，要实现全光网还有一段很长的距离。由文献3,7可知。13光通信复用技术的比较全光网按复用方式，它主要有三种类型波分复用全光网络WDM，光时分复用全光网络OTDM，光码分复用全光网络OCDM在波分复用WDM光纤通信系统中，一根光纤同时传输具有不同波长的几个甚至几十个光载波，每个光载波以电子速率携带信息，在接收端，采用频率选择器件，如光栅或带通滤波器对多个复用信道进行解复用。该技术的最大优点是可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使系统具有非常大的通讯容量，有效地提高了设备和光纤系统的利用率。缺点是对器件的要求较高，需要快速可调的激光器和滤波器，并且要求激光器和滤波器具有非常大的可调范围和较高的灵敏度，实现难度很大，造价昂贵。另外，在WDM系统中，由于多个波长的同时存在，受光纤非线性特别是四波混频FWM的影响比较大，使系统的用户数受到了一定的限制。光时分复用技术是指在光纤通讯系统中，为了克服高速电子器件和半导体激光器直接调制能力的限制所采用的一种复用方式。它通过把时间划分为不同的时隙，每一个时隙传输一路信号做法，来达到复用扩容的目的。它的技术难点在于超短光脉冲的产生和调制、网同步和光定时提取等。OCDMA，即光码分多址，是应用在光域内的一种扩频技术。在光码分多址系统中，每一个用户预先被分配一个特定的地址码。在发送端，特定的光编码器产生某一目的端的地址码，将数据信息与此地址码调制在光载波之上发送出去，不同用户的数据都在光纤媒质中传输，接受端用特定的光解码器解出属于自己的信息，而携带其他用户信息的光信号，就像噪声一样被过滤掉。它的特点在于（1）通过直接的光编/解码实现光信道的复用和光信号的交换，使数据的传输速率可达“TB/S”的量级。（2）对于数百个用户以下的中、小规模网络，可采用异步OCDMA技术，此时用户之间是异步的，无需全网同步，可实现灵活地组网方式，用户可随时访问网络，无需预约等待和排队缓冲，业务时延非常小；对于用户容量非常大的网络，可采用同步OCDMA技术，虽然也需要网络同步和访问预约，但因是直接采用光信号处理，也可实现超高速数据传输。（3）增加用户数，使业务质量下降和网络阻塞的效应比TDM和WDM系统有所改善。（4）由于CDMA技术经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频带的窄带共存，而不影响其正常工作。（5）对光源性能的稳定性、谱线宽度等要求比WDM大大降低，如用LED替代LD降低成本，而且由于OCDMA系统中谱资源利用率高，还可与WDM结合进一步增加系统的容量。OCDMA网络可采用价格便宜、技术上成熟的G652光纤或G653光纤。光码分多址技术集传输与交换于一体，无需复杂的路由控制和网络管理，对各种不同类型的信息是透明的、开放的，无需全网同步，用户可实时地以异步方式接入、传输和交换，尤其它所具有的低时延、低抖动、高带宽等显著优点，非常适合于实时话音和视频等多媒体信息的接入和交换。所以光码分多址技术在未来全光网，尤其是高速接入网和宽带局域网中，有着良好的应用前景，对该方面的诸多问题进行研究也具有重要而迫切的现实意义。下图为三种不同复用方式对信道带宽的利用图11WDM,OTDM和OCDMA对信道带宽的不同分割方式14OCDMA技术的发展过程和研究现状从前面的三种全光网的复用技术的比较可以看出，光码分多址技术与其它两种技术相比，更适合在全光网中使用，因此它引起了人们广泛的注意。光码分多址接入OCDMA技术，从提出发展至今己有二十多年，其发展历程和目前状况如下二十世纪八十年代初OCDMA技术被提出，八十年代中期由于光学信息处理技术的快速发展，光纤延迟线编解码方案引起了广泛关注，这时的研究主要是针对直接序列扩频DSOCDMA系统方案。1989年，SALEHI等人发表了对OCDMA技术发展具有开创性的文章，提出了光正交码的定义和构造算法，很大程度上解决了光地址码的问题。1992年，EUGENEPARK等提出了时分/空分OCDMA系统。1994年，TANCEVSKI提出了多波长OCDMA系统方案。1998年，LAMCF提出了基于光谱强度和平衡接收的伪双极性编码的实验系统，同年COMMERCIAL技术公司宣布推出CODESTREAMOCDMA系统，该系统可传送128路OC12信号。1999年，HABIBFATHALLAH提出了基于光纤光栅的光快跳频OCDMA系统方案。2000年7月日本邮政省通信综合研究所宣布成功地进行了采用新型光纤多重通信方式的世界最长距离的数据传输试验，这种新型传输方式被称为光符号分割多重通信OCDM。美国CTC公司利用其专利技术开发了一个商用系统系统容120GBITS/S。NASA的研究所也完成了实验性系统的研制并正将其实用化。2001年，加拿大APN公司在NFOEC上正式宣布把APN1008投入市场，APN1008是该公司的第一套采用OCDMA技术的产品，该产品可以和现有的SONET和DWDM网络相兼容。目前，人们除对编解码方案和技术研究外，还把对OCDMA的研究扩一展到多比特率的实验方案和OCDMA协议结构上。国内对OCDMA技术的研究机构很多，北京大学、北京邮电大学、浙江大学、上海交通大学、深圳大学、成都电子科技大学等高校和研究所都在从事相关理论和实验系统方面的研究。15OCDMA实用化面临的问题尽管光码分多址是全光网理想的复用技术，但是目前对其的研究还仅仅停留在理论和原理性实验阶段，它要实用化还面临很多问题。151编解码方案和技术的问题OCDMA技术与电CDMA技术的原理是一样的。电CDMA技术已经是非常成熟，被看成为第三代移动通信的主流技术，但是OCDMA技术却很不成熟，目前仅还在理论探索和原理性实验阶段，离实用化还有一段很长的距离，这里面有很多原因。首先，由于迄今为止的光通信系统主要对于光信号的强度进行调制和检测，这决定了光信号不可能象电信号那样具有负值，与电CDMA系统相比，这种光领域码的单极性决定了光CDMA系统对于码系的要求远比电领域更苛刻，也就是说，电领域的成熟、优良的码系必须经过修正后才能在光领域得到应用。其次，由于我们希望在光领域的CDMA系统中获得比电领域中CDMA系统更大的优势，如带宽更高、可随时上下路而不必事先请求、可支持的同时用户数量更多、在网络上可以同时话音、数据、视频传输。所以，OCDMA的编/解码理论与实现方法是与电CDMA有区别的，从OCDMA提出到目前为止一直是该领域的研究热点。如何实现大容量、低误码的编解码是OCDMA实用化需要解决的问题。目前提出了很多种OCDMA的编解码技术，典型的有光纤延迟线、波导阵列、光纤光栅编解码方案。各种方案各有其优缺点对于OCDMA编解码技术，它的要求是简单、易集率、可寻址、制作容易。光纤光栅OCDMA编解码器很好地符合了这些特点。另外，找到适应多媒体要求的多速率的OCDMA系统地址码也是OCDMA的一个难点。152多址干扰问题OCDMA系统中最大的干扰是来自其他用户的干扰多址干扰。对多址干扰的消除提出了种种技术，主要有光硬限幅器、多用户检测，但这些技术仅停留在理论分析阶段，要做成实际的器件，还是一个很难的问题。153与现有复用技术的共存和融合问题尽管OCDMA与其它两种复用技术有很多优点，但它的成熟度远不如其它两种复用技术。现有的光网络中使用的复用技术就是成熟的波分复用和时分复用技术，如何从现有的复用技术过渡到OCDMA复用技术，也是一个技术和理论难题。154在光纤中传输的色散问题由于OCDMA系统是利用光纤媒质，因此不可避免产生色散问题。OCDMA实用化必须有良好的色散补偿技术。16本文将要研究的问题尽管从OCDMA概念的提出到现在，无论在其理论研究还是初步应用都取得了很大的成就，但是它作为一项新技术，需要研究的问题还很多本论文着重分析跳频码分多址问题跳频码分多址系统是目前OCDMA领域一个研究的热点，特别是光纤光栅的应用为跳频码分多址技术的发展提供了新的动力，在本文中，我们将讨论光纤光栅和OCDMA等方面的技术原理，在此基础上分析跳频码字的设计问题，并对系统的性能做出分析。第2章OCDMA的分类、系统模型及关键技术21OCDMA的基本技术原理OCDMA技术在原理上与电码分复用技术相似。大致的过程是首先给每个用户分配一个地址码，用来标记这个用户的身份。不同的用户有不同的地址码，并且它们互相正交或准正交。在发射端，要传输的数据信号首先经过适当的调制方式，转换成相应的光域上的信号，然后再经过一个编码器进行扩频处理，标记上这个用户的地址信息，成为伪随机信号。编码器是在光域上进行工作的，它是OCDMA技术中的核心内容之一。扩频信号伪随机信号通过光纤网络到达接收端之后，通过解码器进行解码它是编码的逆过程处理，恢复出期望的光信号，再经过光电转换设备，得到电域上的数据信号图21图21光码分多址系统框图从OCDMA的概念出现以来，专家学者们提出了各种各样的系统方案，包括相干的和非相干的系统，同步的和异步的系统以及时域编码和频域编码系统等等。但是，比较起来，非相干的时域编码也称为单极性时域编码系统方案最为直观，它采用强度调制和功率检测光信号只能在非负值域0，1内取值，没有利用到相位信息，这与无线领域扩频通信中地址码可以采用双极性码字1，1是有本质区别的。在无线CDMA中得到广泛应用的扩频码，如GOLD序列，M序列等，虽然在1，1内具有良好的自相关、互相关特性，但在0,1域内并不能保持这一特点，所以就不能应用于这种系统。因此设计出合适的扩频码和相应的调制、解调器就成为OCDMA的关键技术之一。在OCDMA技术中习惯将扩频调制器和解调器称为编码器ENCODER和解码器DECODER光正交码OPTICALORTHOGONALCODEOOC是一组取值于0,1域并且具有良好的自、互相关特性的准正交序列。它具有尖锐的自相关峰值、较低的自相关旁瓣和互相关值。光正交码尖锐的自相关峰值使有用信号的检测更为方便，提高了抑制其它干扰信号的能力。较低的自相关旁瓣值使系统可以按异步方式进行工作，所有的用户可以随时接入网络，发送数据信息而不必进行同步，这样就简化了网络的结构和设备，降低了网络的造价。较低的互相关值使用户尽可能地降低对其它用户的干扰。这三点是设计码字时所要考虑的基本要素。图22是两个正交码的例子，其中码长为32，码重码重为其中“1”的个数为4,为码字的时间宽度，为码片CHIPTCT时间宽度。由文献1,16可知。图22两个光正交码的例子（码长为32，码重为4）图23A中表示图22中第一个光正交码的自相关曲线，B表示图22中两个光正交码的互相关曲线。从图23中可以看出，本例中自相关旁瓣值和互相关值都不超过11。采用这样的码字的系统多址干扰比较小。另外，在图23中，自相关峰和互相关峰都呈三角形，原因是在作自相关和互相关运算时，把码片视为理想的矩形脉冲。由文献2,3,16可知，图24是采用光纤延迟线作为编解码器的单极性扩时OCDMA系统。此系统采用光正交码作为地址码。在发射端，当数据是“0”时，光源不发光，编码器也没有任何输出当发送数据“1”时，光源发射一个短脉冲，进入编码器后，根据码重的大小被分成若干个小脉图23（A）自相关曲线B互相关曲线图24采用光纤延迟线作为编解码器的OCDMA系统冲，每个小脉冲经历长短不同的光纤延时线，每个小脉冲所经历时延的大小完全由地址码决定。编码器的输出是一个小脉冲串，这就是所谓的直接扩时信号。直接扩时信号通过光纤网络在图24中为星型网络到达接收端。在接收端，解码器对该扩时信号进行解扩处理后，输入到判决设备进行判决。在期望用户发“1”的情况下，如果解码器与编码器完全匹配，那么输出一个尖锐的自相关峰值，判决器判定为“1”否则输出一系列低功率的伪随机噪声信号，判决器判定为“0”。这样，所传输的信息比特就被恢复出来了。通常，判决器的阐值需要精心设置，它会明显地影响系统的性能。当然，由于其它用户的信号对期望用户的信号有干扰作用以及接收机中的散弹噪声和热噪声的作用，不可避免地会出现错误判决现象。以上就是单极性时域编码光码分多址系统的简要原理介绍。实际的系统可能会比上述的系统更为复杂。为了使系统更好的工作，往往会多一些必要的设备，比如为了抑制多址干扰而采用的双限幅器方案等。22OCDMA的分类按照不同的标准，OCDMA可划分为不同的类型。根据实现方式的不同，OCDMA可分为相干OCDMA和非相OCDMA。在相干的OCDMA系统中，不同发送端所发送的脉冲信号到达同一接受端的时间延迟之差远大于脉冲的相干时间，这样在接受端形成期望接受信号的相干叠加与不期望信号的非相干叠加，并通过使用平衡接收的方法将后者予以消除，从而大大地减少了多用户干扰。这种OCDMA系统可以采用双极性码，可以采用电CDMA系统的成熟码字，但是相干系统结构复杂，对光源要求高，检测困难，实现难度很大。因此现在实用化的系统都是非相干OCDMA系统。这种系统通常采用单极性码。由于它不能直接采用电CDMA中的双极性码，因此需重新构造地址码。目前有多种地址码，如光正交码、素数码等，但总体来说，单极性码的互相关性能不如双极性码，容量不如双极性码，但非相千系统对器件的要求比相干系统要低。根据地址码所在的空间，OCDMA可分为时域OCDMA,频域OCDMA、空域OCDMA。时域OCDMA就是指地址编码在时域进行，图25画出了用户信息在时域编码的全过程。一个用户信息比特，经编码变成几个光脉冲，这几个光脉冲在时间轴的位置是由地址码确定的。假设其地址码码长为L，则经时域编码后，系统的工作传输速率为数据速率的L倍。频域OCDMA的编码则在波长上进行。图26画出其编码的全过程。一个用户信息比特，编码后的光脉冲时域形状不变，但只有某些波长按地址码决定的规律组合后发送出去，其他波长不发送出去。系统的工作速率没有增加，与原来的信息比特速率一样。空域OCDMA的编码则在空域进行，它对众多的空间光束进行编解码。图27画出一个空域频谱编解码的OCDMA示意图。由文献16,3，4可知。图25OCDMA时域编码图26OCDMA频域编码图27空域频谱幅度编码这个编码器由一对共焦透镜组成、一对衍射光栅和掩模板地址码组成。一对衍射光栅分别放在两个透镜的焦平面上，第一个光栅将入射光信号在空间进行频谱展宽，一个空间幅度掩模放在两个透镜的共焦面上对光信号进行频谱编码，不同的空间掩模即代表不同的用户，编码后的信号通过第二个光栅重新合并成单光束。按编码后的维度分，可以分为一维OCDMA、二维OCDMA、三维OCDMA。一维OCDMA只是取时域编码、频域编码、空域编码三种中的二种，二维OCDMA则是其中的两种，三维则是在二维的基础上再加上偏振等进行的编码。二维OCDMA是现在研究的热点。图28画出了一个二维OCDMA的编码过程。用户信息编码后不仅在时域上的位置由地址码决定，而且频域上波长的选取的位置也有地址码决定，这是一个典型的时域/频域编码的二维OCDMA。图28OCDMA编码23OCDMA的系统方案分类自从1989年JAWADASALEHI发表了关于正交码的开创性的工作之后，许多对这一领域感兴趣的学者进行了广泛而深入的研究和探索，先后提出了许多种OCDMA系统方案，其中有的已经进行了实验验证，并且表现出优良的性能。在这些方案中，有相干和非相干之分，有同步和异步之分，还有时域编码和频域编码之分等等。实际上，一个系统方案可能会同时属于上述几个不同的范畴。不过由于可以实现灵活的异步接入时OCDMA系统的重要优点之一，所以对同步OCDMA系统的研究就相对比较少，但同步OCDMA系统的在相同的前提条件下，可以承载更多的用户。下面就对OCDMA系统的分类作一介绍。231时域编码系统时域编码OCDMA一般分为相干和非相干系统。相干系统利用到了光信号的相位信息。因为相干系统首先对光源的要求比较高，通常是锁模激光器（MLLD）。光纤的色散和非线性效应如何影响携带相位信息的光信号，即光域上的CDMA信号如何受到传输介质的影响并且如何去补偿矫正等问题还没有得到真正解决。另外相干系统还需要进行偏振控制，这些因素都大大增加了实现的难度。实际上，最重要的问题目前集中在编解码器上。对于相干系统来说，可以采用移相键控（PSK）调制方式，在二进制的情况下，有两种相位状态（0和）。这种系统方案，尽管从理论上来讲具有许多潜在的优越性能，但是实现起来难度很大。由文献4可知。相干系统的框图为图29所示图29相干OCDMA系统原理图在扩时编码方案里，除了相干系统，还有非相干系统。它是目前研究最多的一种OCDMA系统方案，其特点在于采用强度调制的功率检测，优点是易于实现，不足之处是多址干扰比较严重，必须要采用特殊的干扰抑制措施才能保证系统正常工作。该系统通常采用光正交码（OOC）素数码（PRIMECODE）以及改进素数码（MODIFIEDPRIMECODE）作为地址码。该类码字统称为单极性非相干码，其码重（CODEWEIGHT）是码字“1”的个数。码重与码长相比，一般都比较小。这样设计的目的是为了减小其它用户对期望用户的干扰，提高系统的性能。但是这无疑使码字的数目减小，系统不能同时承载更多的用户。另外一方面，也不能把码长取得太大，因为对于一个传输数据速率一定的系统来说，增大码长就意味着减小码片的时间宽度。毫无疑问，这将在光纤中引起严重的色散和非线性效应。表21给出了双极性码和单极性码的一些基本性质。在表21中K为码重，F代表码长。表21双极性码和单极性码的性质对比双极性码单极性码调制方式BPSKOOK码片的幅度10或1码片的相位0或不考虑自相关峰值2FK自相关旁瓣或互相关值11232频域编码系统我们前面已经提到，在时域编码OCDMA系统中，当系统需要容纳更多的用户或者提高单路传输速率时，就必须减少码片的宽度，这会在光纤中引起很大的色散和非线性效应。在众多的OCDMA系统方案中除了时域编码系统，还有频域编码系统。在频域编码编码系统中，可以进行变比特率传输，这使得它可以适应于不同的业务需要。频域编码系统可以分为两大类非相干系统和相干系统。非相干系统可以采用廉价的非相干光源（如LED和EDFA的ASE噪声），这是一个很大的优势。图210干频域编码OCDMA系统的示意图在这个系统里，采用LED作为光源，编（解）码器由两个衍射光栅两个透镜和一块掩模板（AMPLITUDEMASK）组成。它们按照图210其中两个透镜应处于同一光轴上，并且需要共焦点。由LED发出的非相干光经过数据信号调制后，先射到第一个镜子上，然后经过衍射光栅把光谱分解开，再经过第一个透镜后到达掩模板。掩模板示意图中的黑色部分表示光不能通过，透明部分则表示光可以通过。黑色部分和透明部分的顺序不同则代表不同的地址码。掩模板可以由液晶显示技术来实现，并且由电极来控制其上不同的部分是否能够透光，从而使掩模板或者说编（解）码器达到可调谐的目的。通过掩模板的光再经过第二个透镜和衍射光栅后，重新合并成一个时域上的光脉冲信号。这个光脉冲信号就携带有地址码信息，和编码前相比，缺失了某些频率分量。它通过光纤网络到达接收端时，将会遇到一个和编码器结构相同的解码器，如果码字相同，就会恢复出数据信息，图210非相干频域编码OCDMA系统和编码前相比，缺失了某些频率分量。它通过光纤网络到达接收端时，将会遇到一个和编码器结构相同的解码器，如果码字相同，就会恢复出数据，否则，输出低强度的噪声信号。在接收端。为了提高系统信噪比，可以使用差动接收方式（图210）。图210中表示其中的掩模板与中WAWA的掩模板呈互补关系。在这种系统中，可以使用M序列哈德玛HADAMARD序列作为地址码。尽管上述的系统方案有很大的优越性，但是它的编解码器实现起来有很大的困难，至少从目前来看还不是很实用。还有一种非相干频域编码的系统，有时也称作周期性频域编码系统，采用非相干宽带光源。它的编解码器采用可连续调谐的法布里珀罗腔或马克泽德干涉仪。不同的码分信道对应于不同的自由谱域（FSR）。系统所能容纳的用户数与法布里珀罗腔的自由谱域和精细度（FITNESS）有关。当FSR一定时，精细度越大，系统所能容纳的用户就越多。233跳频系统在时域编码系统中，提高码速率就意味着减小码片的时间宽度。为了克服这个困难，可以把频域看作另外一“维”，同时在时域和频域上进行编码，这就是二维码，通常也称作跳频码。采用跳频码进行工作的系统称为跳频光码分多址系统（FHOCDMA）。目前最常见的跳频系统的编码器是多波长光纤光栅（FBG）。多波长光纤光栅就是利用光栅写入技术（如掩模板法）在一根光纤上按照一定顺序刻上多个光栅，并且每个光栅对应不同的波长，即不同的反射谱。光栅之间的距离是根据系统的码速率和跳频码的情况事先精心设计好的。数据信号调制后，耦合进入光学编码器多波长光纤光栅。宽带光脉冲遇到光栅后，相应的频率分量被反射回来，剩下的频率分量继续向前传播，直到被另外一个光栅反射回来。被反射回来的光脉冲具有不同的频率分量，并且在时域上有一定的间隔。码片与相邻光栅之间的距离之间的CL关系可以由下式表示212CGCTNL图211采用多波长光纤光栅的跳频系统的编码过程在（21）式中，为码片时间，为光栅中有效群速度指数，C为真CTGN空中光速。一个大的光脉冲进入多波长光纤光栅后再被反射回来，形成了具有一定次序的小脉冲串（这个次序就体现了跳频码），这个过程就是OCDMA跳频编码。图212为采用多波长光纤光栅的跳频系统的解码过程。需要注意的是，互相匹配的编解码器应该按相反的方向放置，才能达到正确解码的效果。在一个网络系统中，如何使这样的编解码器达到可调谐是一个非常重要的问题。众所周知，对光纤光栅的两端施加应力（拉伸或者压缩）可以改变其反射谱（或透射谱）的作用。目前一般是利用这个原理来使编解码器实现可调谐的。LBIN设计了一种具有优良性能的跳频码（图213）。它具有以下三个基本性质（1）所有的码序列都具有相同的长度（在这里，码的长度也就等于编解码器里光栅的个数）。（2）在每一个码序列里，每一个频率最多使用一次。（3）码序列的自相关旁瓣和互相关值都不超过“1”。图213所示的跳频码共有29个频点（频率）和12个时隙，而图中只标出了图212采用多波长光纤光栅的跳频系统的解码过程3个码字“1”“2”“7”。它最大的特点是采用这种码字进行编码的多波长光纤光栅，通过压电（PIEZOELECTRIC）陶瓷在其两端施加应力后，可以自动地成为本码组内的另外一个码字。至于说究竟跳变到哪一个码字，取决于应力的大小（也就是光栅反射谱偏移量的多少），这可以通过调节压电陶瓷上的电压来精心的调节。目前看来跳频编码系统是一种很有前途的技术方案。一方面是因为它同时在时域和频域上工作，克服了扩时系统中码片比较窄的不足的频域编码系统比较难实现光学傅立叶展开的弱点。另一方面，因为它采用光纤光栅作为编解码器，体积小，非常轻便，并且可以很方便地做到可调谐，这这种编解码器就可以实现光学集成，则大大降低它的成本。目前，加拿大图213一种具有29个频点和12个时隙的跳频码UNIVERSITYLAVAL在这一方面的研究处于世界领先水平。24OCDMA中的关键技术241伪随机地址码序列的设计从21节OCDM系统的基本原理可以看出，不同的OCDM编解码方式对伪随机地址码序列的要求是不同的，要根据自己的特点进行码序列设计。适用于时域振幅编码OCDM系统的伪随机地址码序列的设计是研究较深入的领域，其根本思想在于针对光信号单极性，无负极性的特点，在满足自相关和互相关的基本要求下，尽量能够容纳多的用户。已经提出的地址码序列有光正交码素数码准素数码素数码全等码扩展N2全等码同余码扩展同余码等。光波长编码OCDM系统的伪随机地址码序列的构造方法有以下两种基于对原有时域振幅编码OCDM系统伪随机地址码序列的改造和适合于光纤光栅编解码器的码组设计。第一种方法中，码组构造的思想是对单极性直扩码中“1”位置处的光脉冲进行不同频率的组合，构成在时域和频域同时满足一定正交性的跳频扩时码。例如对改进素数码中的“1”脉冲进行基于素数码的时间和波长的组合，因此又被称为二维正交码。二维正交码克服了单极性直扩码可用用户少构造困难相关性差等缺点。波长光纤光栅在OCDMA系统的应用带动了二维正交码的设计。多波长光纤光栅是在光纤的不同位置处写入不同的波长的子光栅，由于子光栅之间的位置不可能相距太远光线长度不能太长，因此要求码组中“1”位置不能相距太远，即稀疏码组不适用于光纤光栅编解码器。BIN于1997年在无线跳频系统中提出的一次重叠序列在光波长编码OCDM系统得到了一定的应用。这种码组的每一个码片位置都是“1”脉冲，不存在“0”脉冲，用户数与波长点数相同，相邻码字之间波长点的关系为顺序增加，该码组虽然克服了码组稀疏的缺点，但是构造困难。伪随机地址码序列的构造一直是OCDM领域的研究热点，除了上述提到的单极性直扩码二维正交码等，还有在空间进一步扩展的三维正交码，随机曼彻斯特码TRUBO码等。242光编解码器的设计光编解码器是OCDM系统的核心部件，OCDM的发展实质就是光解码器和编码器的发展。光编解码器的结构和特性直接影响着系统的功能损耗用户容量误码率成本以及整个系统的灵活性。可以说每一种伪随机地址码序列都可以设计出相应的编解码器。在光振幅编码OCDM系统中，树型网络梯形网络结构应用较多，光波长编码OCDM系统中采用光纤光栅AWG技术，相位编码OCDM系统采用掩模板光纤延时线加移相器和光纤光栅等技术。图214采用树形网络的时域振幅编码OCDM系统可调谐编码器结构图图214就是最早提出的一种结构。一个光脉冲依次通过分波器F1F个不等长的平行光纤延迟线合波器后，成为个较小的光脉冲组LF成的脉冲序列，F是码长，是码重，可以通过码字选择来控制光开关，从而实现地址码的可调谐。不同的延迟序列对应不同的码字，同理，可得到相应的解码器。图215所示为自反馈的AWG编码器，在发送端，宽带光脉冲经过AWG后，首先在波长上分离，不同波长的光脉冲按编码方案经历不同的光纤时延，然后再反馈回制至AWG相应输入端口，从输出端口输出的则是时间和波长上分离的跳频扩时序列。在接收端的光解码器与发送端编码器结构类似，只是光纤延时线的分布与发送端编码器互补，由文献16可得。利用AWG来实现OCDM系统的优点在于光信号处理灵活，可充分利用光波长，难点在于AWG的制造技术成本以及编码器的可调谐性，特别是AWG的端口数直接限制了可用码字的长度。光纤光栅的反射特性使得它可以广泛的应用于OCDM系统的编码器中。利用光纤光栅的部分振幅反射特性，在一根光纤上写入振幅反射率按比例减小的分段光栅，可以构成单极性振幅编码OCDM系统的编解码器；利用光纤光栅的波长选择性，可以构成光波长OCDM系统编解码器；利用光纤光栅的相位反射特性，可以代替难以集成的掩模板而构成光相位OCDM系统编解码器。将光纤光栅应用于OCDM领域是目前研究比较多的课题，也是最有希望将OCDM系统实用化的研究方向。图215基于AWG的自反馈光波长编码OCDM系统编解码器243多用户干扰的消除与WDM和OTDM技术相比，多用户干扰（MAI,MULTIPLEACCESSINTERFERENCE）是OCDM系统特有的问题。由于不同用户之间没有了波长或者时间上的保护，所有用户的光信号重叠在同一波长和时间段上，用户之间的光信号必然存在相互干扰，特别是单极性伪随机地址码的正交性差，解码时不能完全消除由此引起的信道干扰，这种干扰带来的问题就更加突出。多用户干扰一般远远大于OCDM系统中的其他干扰源，如接收机的热噪声散弹噪声APD噪声等，它的存在是限制OCDM系统广泛应用的一个重要因素。目前，用于消除或者减少多用户干扰的主要办法是使用“光硬件限幅器”，它是一种阀值器件，理论分析证明使用光硬件限幅器可以有效的抑制码间干扰，减小系统的误码率。然而，目前对光硬件限幅器的研究大多还停留在理论研究上，其实际实现还有待于光器件的发展与突破。244光码分复用网络结构和通信协议OCDM技术对传输介质而言,是一种共享媒质技术,比较适合业务特征为突发性低密度和非实时性的局域网接入网等共用信道网络系统中传统的接入协议可以简单的分为有冲突接入和冲突避免两种,波分和时分接入方式通过给用户分配不同的波长或者时隙避免了冲突的发生,而码分方式则不同OCDM系统是一种干扰受限系统,当同时接入的用户较少时,它允许多个用户同时接入而没有接入时延,可以方便的为每一个用户动态的分配带宽,用户之间不存在冲突,但是当同时接入的用户数较多,误码率就会增加,整个网络的性能就会下降因此,OCDM技术在网络的构建和通信协议上有自己的不同之处目前OCDM还处于不成熟阶段,人们的研究重点在于对物理层各种问题的解决上,如编解码器的实现对多用户干扰的抑制等,对OCDM网络结构和通信协议的研究还很不成熟但是OCDM技术在构建全光网络上的优点还是引起了人们的研究兴趣,并且由于OCDM具有WDM和OTM所不具备的特点,将其与WDMOTDM相融合,组成混合型的网络也是一个值得我们研究的问题。25小结光码分复用OCDM技术是未来极具发展潜力的一种复用方式，它允许所有的信道同时共享同一带宽，提高了带宽资源的利用率，增强了全光网络的灵活性。OCDMA技术起步比较晚，还处在研究的初始阶段，一些重要的理论问题还有待于今后的进一步解决。在下面的章节中将对以上的问题进行论述。第3章光纤光栅技术原理31引言光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形成的光纤波导器件，它是在光纤中建立的一种空间周期性的折射率分布可以改变和控制光在光纤中的传播行为，根据特定的光纤光栅，光栅可以做成滤波器反射器色散补偿器等，利用光纤光栅可以制成满足各种光纤通信要求的有源和无源器件。由于光纤光栅器件易于与光纤连接对偏振不敏感（适应光纤中光偏振态的随机变化），在光纤通信中与其他光波导器件相比有明显的优势。光纤光栅器件在光纤通信及光纤传感器领域有着广泛的应用被认为是继掺铒光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一重大突破。近年来，光纤光栅技术作为一种新兴技术很快被引入到OCDMA编解码技术中，极大地带动了OCDMA编解码技术的发展。32光纤光栅的特性321光纤光栅的光敏性光敏性是利用光纤材料的光敏性制成的，所谓光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率随光强的空间分布发生相应的变化，变化的大小与光强成线性关系并可永久地保存下来，这样的结果实质上是在纤芯内形成了一个窄带的（投射或反射）滤波器或反射器。利用这一特性可以构成许多性能独特的光纤无源器件（研究表明，光纤光敏性的峰值位于240NM的紫外（UV）区）。光纤光栅光敏特性的动力学原理由于诱导光（紫外光）的作用光纤中原子的某些键被破坏产生的自由电子进入光纤材料的的色心陷阱中从而改变了光纤的吸收散射等光学特性出现了折射率的变化；另外在光照射过程中光纤材料结构释放诱导应力以及结构形状的畸变等导致了折射率的变化。这种光折射效应主要发生在近紫外波段。322光纤光栅的光学特性滤波特性光敏光纤通过激光照射，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。使其内部折射率呈周期性分布，经退火处理后可长期保存，并在500以下保持稳定不变。如图31所示。光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即反射光输入宽光谱透射光纤芯BRAG光栅图31BRAGG光栅结构示意图K2为光栅周期（321/1）式中，是由模式1耦合到模式2所需的光栅周期，、分别为12模式1和模式2的传输常数。若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面给的相位匹配条件可得（301010121/2）如图32所示，K值较大，则很小,这种光栅为BRAGG光栅MFBG。它的基本特性就是一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为BRAGG波长，满足（为有效折射率）（3EFBN2EFN3）若要将正向传播导波模式耦合到正向传播包层模式，包层模传播常数用表示。其中N为模的阶数，则根据相位匹配条件有NC1（3NC1021/24）/00101图32FBG的相位匹配条件由于正向传播导波模式和正向包层模式的传播常数都为正，如图33所示，K值较小，则很大，一般为几百微米，这种光栅为长周期光纤光栅（LPFG）。它的基本特性是一个带阻滤波器。一个给定周期的光栅可使基模与包层内几个不同阶次模的耦合，造成传输谱在不同波长处的损耗凹陷。/20101C012C/21C图33正向传播导波模式耦合到1阶正向传播包层模式的相位匹配条件33光纤光栅的写入技术331光纤光栅写入的基本原理由于FBGFIBERBRAGGGRATING对光的波长和频率具有选择性，可以根据不同的需要而灵活的选择写入的方式。假设光纤光栅的折射率调制函数为,光在光栅中反射后波矢的响应函数可以由光纤光栅的折射率NXFK调制函数