（无线电物理专业论文）啁啾和色散对ocdma系统光接收机灵敏度的影响研究.pdf

摘要 对半导体激光器进行直接调制时将产生频率惆啾， 且光脉冲 信号在单模光纤中传输时由于群速度色散的存在， 将导致其脉冲 发生变化，造成码间干扰，从而影响光接收机的灵敏度。光纤 c d m a ( o p t i c a l c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s )相对于传统 的时分复用系统和波分复用系统， 具有真正实现各用户平等、 随 机异步接入、 无需延迟等待等有点， 其系统的误码性能主要受多 用户码间干扰和光接收机噪声的影响。用于光纤c d m a 系统的光 脉冲往往工作在皮秒量级带有惆啾的高斯脉冲信号。 这样的脉宽 极短的高斯惆啾信号在光纤中传输时会受到群速度色散的影响 而导致脉冲展宽， 进一步也就会导致误码率的恶化。 本文在考虑 了多址干扰、放大器自 发辐射噪声和光接收机噪声的前提之下， 研究了群速度色散对光纤 c d m a系统光接收机误码率 b e r ( b i t e r r o r r a t e的影响， 并用精确的码间干扰公式， 进行了理论研究和 数值模拟， 得出了在一定用户数、 码重、 码长等前提下， 色散和 惆啾对光码分多址系统误码率影响的理论公式， 并用计算机编程 模拟仿真， 得出相应的曲 线。 结果发现: 色散对光纤c d m a 系统 接收机的误码率影响较大， 而选取适当的ra 啾可以克服因为色散 而 导 致 的 误 码 率 上 升、 研 究 结 果 对 光 纤c d m a 系 统 的 分 析 和 设 计 有一定的指导意义。 关键词:惆啾、光纤 c d m a 、光接收机、误码率、掺饵光纤放大 器 兰 h 以学厕 砂 尧 盆 劳世老戈 ab s t r a c t f r e q u e n c y c h i r p m a y p r o d u c e w h e n t h e l a s e r d i o d e ( l d ) i s d i r e c t ly m o d u l a t e d , a n d t h e o p t i c a l s i g n a l m a y b e b r o a d e n o r c o m p r e s s d u e t o t h e g v d w h e n t h e s i g n a l i s p r o p a g a t e d b y t h e s i n g l e - m o d e f i b e r , a n d t h e s e n s i t i v ity m a y a l s o b e a ff e c t e d . o v e r t d m a n d wd m, a d v a n t a g e s o f o c d ma a r e t h a t i t d o e s n o t n e e d t u n a b l e d e v i c e , r o b u s t a g a in s t fr e q u e n c y i n s t a b i l i t i e s a n d p e r f o r m a n c e a ff e c t e d o n l y b y s i m u l t a n e o u s u s e r s . t h e o p t i c a l p u l s e u s i n g i n o p t i c a l c o d e - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( o c d ma ) i s g a u s s s i g n a l w i t h c h i r p w h i c h b r e a d t h i s a t s . t h i s k i n d o f s i g n a l m a y b e a f f e c t e d b y t h e g v d w h e n i t i s t r a n s m i tt e d b y f i b e r , a c c o r d i n g l y t h e o p t i c a l m u l t ip l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ( o m a i ) r i s e a n d t h e b e r i s d e t e r io r a t e d . i n t h i s p a p e r , t h e p e r f o r m a n c e v a r i e ty d u e t o t h e g v d a n d t h e c h i r p h a v e b e e n s t u d i e d c o n s i d e r i n g o ma i , a m p l i f i e d s p o n t a n e o u s e mi s s i o n( a s e ) n o i s e a n dr e ce i ve r noi s e.t h e f o r mu l a o f b e r i s g i v e n , n u m e r i c c a l c u l a t i o n i s d o n e , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c u r v e i s w o r k e d o u t . t h e r e s u l t s s h o w t h a t g v d i n fl u e n c e b e r i n t e n s i v e l y , w h i l e a p p r o p r i a t e c h i r pc a n i mp r o v et h e p e r f o r m a n c e t h e o p t i c a l r e c e iv e r i n o c d ma s y s t e m. t h e s t u d i e s p r o v i d ea s i g ni fi c a n t r e f e r e n c e f o r d e s i g n a n d a n a l y s i s o f o p t i c a l r e cei ve r . k e y wo r d s : c h i r p ; o c d ma ; o p t i c a l r e c e i v e r ; b i t e r r o r r a t e ; e d f a 丫 7 3 1 7 6 3 原 创 性 声 明 本人郑重声明:本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人己经发表或未发表 的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已 经注明引 用 的内 容外， 不包含任何其他个人或集体己 经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名: *弄- 日 期 : 弃 礴 卫 川 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。 本人完全了解兰州大学有关保存、 使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅;本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名二 oa l -5 师 签 名 : ,a 。期: 2 6 e f . 4. z o 兰劝 只.笋f i 宪 生笋戎居戈 1引言 o c d m a ( o p t i c a l c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 带来了 光 传输的 新 概 念。o c d m a 技术是将c d m a ( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 技术和光纤通信技术 结合起来的一种扩频通信技术， 具有无延迟异步接入、 交叉保密性好、 网络控制 简单、 配置灵活、 业务透明性好、 信道共享等许多优点， 很适合应用在全光网络 和高速局域网中。 1 9 8 3年， j a c k s o n等人用单模光纤抽头延迟线制作出 全光编码器和解码器， 并研 究了 它在非相干系统中的 应 用0 。 这 项研究被视作在时 域实 现o c d m a 系 统 的开端。 1 9 9 0 年， s a l e h i 等人将频谱相位编码的 概念和超短光脉冲技术应用到全光相 千o c d m a系统的实现之中， 对编码前后光脉冲的时域和频域信号的统计特性 进行了 分析，并研究在理想情况下系统的误码性能12 ) 1 9 9 8年， m a ri c 等人研究了 在全光o c d m a 平台上实现多 种速率传输的可能 性， 提出了并行和串 行两种实现方案3 ， 为 在o c d m a 上传输多媒体信息提供了 理论依据。 2 0 0 0 年， h u a n g等人在文献 4 中将光纤布喇格光栅 ( f b g ) 应用到全光频 谱幅度编码o c d m a 系统中，并采用m 序列为地址码。 随着各种o c d m a 实现方案的成熟， 如何提高它们的性能也逐渐提上议事日 程。 1 9 9 4 年， b r a n d t - p e a r c e 等人将多用户检测 ( m u d ) 技术用于抑制全光非相干 时域 o c d m a系 统 中的 多址 干扰 o m a i ( o p t i c a l m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ) ， 他们采用的多用户检测器是非线性的多级检测器， 理论分析表 明: 与传统的相关检测器相比， 多级检测器的性能较优， 且可以提供更多的用户 容量，而其计算复杂度远远低于理论上的最佳多用户检测器。 2 0 0 1 年， k i m 等人将己 在无线通信中成功应用的t u r b 。码应用到o c d ma 系 统中，以 取代传统的信道编码技术 ( 例如r s 码、 卷积码等)， 进一步改善了系 统的 性能石 ， 。 2 0 0 1 年之后， o c d m a 系统的实验室应用慢慢走向 成熟， 不过随之而来得也 发 现了光纤传输中的一些问 题， 发 现了以 前没有出 现得新情况。 新情况引发新问 .兰 照犬 .李研充空拿世绘 戈. 题 ， 现 在 研究方向 主 要 集中 在如 下 三 个方 面 7 1- i 1 : 光正 交 码的 设 计、 光 纤 特性 对 系统性能的影响、以及o c d ma 通信系统的研究。 在系统的性能方面，1 9 8 9 年s a l e h i 等人在文献 1 2 l 3 中 提出了 o c d m a 系统 的 原 理 框图 和理 想状 况下的 性能 分 析， 1 9 9 4 年， h y u c k 等 人在 文 献 4 1 中 分 析了 系 统的放大器自 发辐射噪声a s e ( a m p l i f i e r s p o n t a n e o u s e m i s s i o n ) 和接收机噪声 对系统自 身误码性能的影响。 2 0 0 0 年 v .k .j a i n 等人在文献 1 5 ) 中 综合考 虑了 用 户间的 多 址干扰、 放大器的自 发辐射噪声及光接收机噪声的对系统误码性能的影响， 但是没有考虑到传输过程 的光纤本身所固有的性质对系统误码性能的影响。 由于o c d m a 系统中， 信号占 用频带宽， 编码后码片的传输速率非常高， 光脉 冲往往工作在皮秒量级， 因 此光信道对光脉冲的影响、 光脉冲之间的相互作用影 响等问 题就不可忽略， 这 在光振幅编码系 统中 更 加突出 s 1 。 由 于色散容易 导致 脉 冲展宽， 而脉冲展宽又会导致多用户码间干扰的增加， 从而导致系统误码性能的 恶化侧。 在文献 is 中， 虽然考虑到了 色散和凋啾的影响， 不过没有给出色散影响 的具体幅度和改善方法， 而且所用的 码间干扰公式也是一 个近似公式。 那么在考 虑多用户码间干扰、 放大器自 发辐射噪声和接收机噪声的前提下， 色散对系统的 误码性能到底有何影响， 影响的幅度有多大， 用什么方法去改善由于色散而导致 的误码率恶化也就成为值得关注的问题。 本文在调研了上述文献的基础之上， 在综合考虑了多用户码间干扰、 放大器 自 发辐射噪声和接收机噪声的前提下， 研究了色散对o c d m a 系统误码性能的影响， 以及如何用预惆啾的方法去改善因为色散而导致的系统误码性能的恶化。 本文从非线性的薛丁i q 方程入手， 在忽略了高阶色散、 吸收效应和非线性效 应之后， 解出惆啾高斯脉冲在单模光纤中传输时的脉冲展宽情况; 并在此基础上， 修正了 o c d m a 系统中综合考虑了 多用户码间干扰、 放大器自 发辐射噪声和接收机 噪声条件下传送“ 1 / 0 ” 时的信号电 平和噪声方差， 进而带入误码率的计算公式， 得出误码率后， 再将这个结果带入到精确的多用户干扰公式， 从而得出最后总的 误码率，完成相关的理论研究。 把理论结果用计算机m a t l a b 模拟仿真，得出了 色散对o c d m a 系统误码性能影 响以 及惆啾对恶化的改善等曲 线。结果发现:色散对o c d m a 系统误码性能的影响 兰八 以r李钾璐空笋左触 戈- 很大，根据色散的正负去预置相应的咽啾可以改善因为色散而导致的o c d m a 系统 误码性能的恶化; 在处理分析的过程中， 发现了 一个现象， 即正 色散要用正凋啾 去改善， 负色散要用负惆啾去改善， 但是在正色散的前提下， 并非惆啾取值越大 越好， 在负色散的前提下， 也并非负惆啾越大越好， 而是要选取适当的正负惆啾 改善正负色散导致的系统误码性能的恶化。该结果对o c d m a 系统的分析和设计具 有一定的参考意义。 2 o c o m a 系统概述 2 . 1 o c d m a 的基本原理( 19 7 c d m a技术在移动通信中已经取得了很大成功，将这种码分多址技术应用 到光纤通信系统中，就得到了o c d ma通信系统，两者的技术原理相似。在发 送节点，编码器对数据流的每个比 特 “ 1 ”按规律编码，形成光脉冲序列，比 特 0 ” 不编码，由全零序列代替。每个节点的码型不同，代表不同用户地址。 通 过光纤和星形祸合器， 将编码后的光序列发送到每个接收节点。在接收端， 如 果译码器与编码器匹配， 译码信号为自 相关输出，得到大自 相关峰( 同时伴有小 的旁瓣) ， 否则为互相关输出。 译码信号通过光阂值开关或高 速光电 接收 器接收， 在比较器中，输出的电信号与闽值相比较，若信号值大于闭值， 输出“ 1 ”:反 之则输出“ 0 ， 从而恢复原始数据。 按编码方式的不同，可分为时域编码( d s -c d m a )和频域编码( f h -c d m a ) a 在d s -c d m a中， 每一个传输比特用脉冲时域序列组成的码字来定义;f h -c d m a 中，码片或字节的载频相应于定义好的码序列而变化。与光纤的巨大带宽相结 合， o c d m a所需解决的许多问题， 如: 噪音干扰能力， 克服远近效应， 抗多径衰落能 力， 都不再重要，人们更关心的是它的多址功能;码型选择时，更强调的是其正 交性和容纳用户能力。 在这方面， o c d m a具有其新的 特点和优势。 2 . 2 o c d m a , o t d m a 和w d m 的比较 o c d m a 技术是将c d m a 技术和光纤通信技术结合起来的一种扩频通信技术， 具 有无延迟异步接入、交叉保密性好、网络控制简单、配置灵活、业务透明性好、 信道共享等许多优点， 很适合应用在全光网络和高速局域网中。 但是由于扩频码 的选择、 光编解码等关键技术还不成熟， 有很多技术还处于实验室研究阶段， 这 在很大程度上制约了o c d m a 的发展。 下面简要介绍o t d m 和w d m 系统的原理和主要技 术， 并对o c d m a , o t d m , w d m 三种系统的局限 性和实用性做一个比 较。 2 .2 . 1 o t d m系统 o t d m系统采用超短脉冲光源产生的高重复频率为时钟频率的超短光脉冲， 经掺饵光纤放大器( e d f a ) 放大后分成u 路， 每路光脉冲由各支路信号单独调制， 调制后的信号经过不同的时延后用合路器合并成一路高速o t d m 信号。经光纤传 输到接收端后首先进行时钟提取， 提取到的时钟作为控制信号送到解复用器， 解 出 各 个支路信号， 再对每个支路 信号单 独接收12 .3 ， 它的 主要技术有下面三 种: ( 1 ) 超短光脉冲光源 光源必须产生高重复频率 ( 5 -2 0 g h z )、占空比相当小的超窄光脉冲，以增 加复用的倍数，扩展谱宽。 ( 2 ) 光时分复用/ 解复用技术 在o t d m 系统中，光时分复用/ 解复用技术是实现高速传输的关键。o t d m 的光 时分复用/ 解复用器必须能够快速稳定无误码地工作，控制功率低，与偏振无关 且定时抖动小。 ( 3 ) 光定时提取技术 光定时提取技术同样是o t d m 不可缺少的技术。特别是在1 0 0 0 b i t / s 以上的光 传输系统中，接收端采用重新定时的时钟产生控制光脉冲，时隙特别短，因此， 希望控制光的时间抖动尽可能小，就必须尽量降低重新定时的时钟相位噪声。 2 .2 .2 wd m系统 w d m 系统是采用波分复用器在发送端将不同波长的光信号复用， 祸合到光缆 线路上的同一根光纤中传输， 在接收端由分波器将组合波长的光信号解复用， 处 理后恢复出原始信号送入不同的终端。 w d m 采用1 5 2 5 -1 5 6 5 二波段的8 , 1 6 或更多 的波长，且一般系统所采用的信道波长是等间隔的。w d m 是目 前较为成熟、应用 较多的技术，它主要存在以 下几个问 题侧: ( 1 ) 光源的波长稳定问 题 在w d m 系统中，必须对光源的波长进行精确的设定和控制，否则由 于各种原 因引起的波长漂移必然造成系统无法实现稳定、可靠地工作。 ( 2 ) 光纤的色散和非线性效应问 题 光纤的色散和非线性效应对w d m 系统传输性能有很大影响， 尤其是对高速、 兰 劝 吠学获沦全癸 戎，老戈 长距离的通信更为明显，以色散为例:在g 6 5 2 光纤上2 . 5 g b i t / s 系统的色散受限 距离是9 2 8 k m ，但是对1 0 b i t / s 系统的色散受限距离仅为5 8 k m o ( 3 ) 掺饵光纤放大器 ( e d f a )的增益平坦问题 由于e d f a 的使用，w d m 系统的增益偏差经过多级放大之后，偏差累积使得信 道信号恶化，从而影响系统正常工作。 2 .2 .3 比较 作为全光网的三种主要复用技术， o c d m a , o t d m 和w d m 有着各自的优点和局限 性，详细的比较如表1 所示。 2 . 3 系统框图p 8 目 前对o c d m a系统的研究中， 绝大多数情况下， l a n都采用的是星形祸合网络结 构( 如图1所示) ， 网中每个用户的信号可以到达网络另一侧的任何一个用户的接 收机， 该系统传输距离大致为用户之间的距离， 因此可以根据用户规模的大小选 定地址码， 然后将该光码址分配给系统中的用户。如果把o c d m a 系统应用到m a n 中， 则必须采用环形网络结构， 设环网总共有n个节点， n个用户数据在汇节点 处汇合，通过本地局端接入到每个节点之上。 因此，在设计m a n 的o c d m a 传输系 统时基本有两个方案: 一是可以考虑对总共nx 。个用户中的每个用户都分配一 个唯一的 地址码， 然后对每个用户数据进行编码， 通过本地局端接入到环网的每 个节点， 即共需要分配n x n 个 地址码， 这种o c d m a 传输系统通常需要较大的码容 量， 二是可考虑在n个本地局端的节点上分配一个唯一的地址码， 用户数据通过 汇节点到达本地局端， 然后进行编码接入到环网中的每个节点， 这样所需要的地 址码总共为n个，如图2 。本文采用后一种方式。该m a n 中的o c d m a 传输系统相对 于l a n 来说，网径大，码片传输的距离较长，可能传输的距离为两个节点之间距 离的n倍 图 1 l a n 传输系统 兰般才i g 研男 t 学窟落戈 表1 o c d m a , o t d m 和w d m 的区别 类别主要优点局限性经济性应用性 o c d m a 可提高光纤的利用率， 降低网 络成本， 简化网 络管理， 可实 现无延迟异步接入，信道共 享: 提高了网络的容量和信噪 比， 改善了系统性能; 增强了 保密性、 网络灵活性和业务透 明性;o c d m a 系统可传送任 何数字信号， 易于和现有设备 兼容。 _ ,廿 系统所需 器件少， 成本低， 网络构建 简单，灵 活，具有 很好的经 济效益口 目 前对o c d m a 技术的研 究越来越多， 虽然大多 数研究还局限在实验 室。但已有 c o m m e r i c i a l 公司推出 c o d e s t r e a m d c d m 系统， 前景广阔。 竺 兰 夕;为 主 工 又 术如超短光 脉冲、 相位控 制技术、 光编 / 解码技术的 优化等 问题 需要解决。 o t d m 有较高的速率带宽比， 对掺饵 光纤放大器 ( e d f a ) 的增益 平 坦度要求低， 使e d f a 的应用管 理简化， 克服了 各路功率叠加 产生的四波混频非线性效应 和拉曼散射间题， 在一根光纤 上传输单一波长的信号， 可解 决复用端口的竞争。 目前所需的 关键 元件仍 在实验室，一 些关键技术 如光定时提 取 技术和光 时分复用/ 解 复用 技 术还 没有得 到很 好的解决，设 备较复杂， 色 散影 响较其 他两种严重。 实现o t d m 的器件特 别昂贵， 且制作和 实现均有 一 定 困 难，组网 成本高。 目前国内外一些实验 室已 有成功的试验 日 本 n t t 已 实 现 了 1 6 * 6 . 3 g b i t / s 2 0 0 k m的 传输试验)， 但大规模 商用还要很长时间。 即 m 可充分利用光纤的巨大带宽 资源， 可传输特性完全不同的 信号， 有利于电 信多业务信号 的综合和分离; 可降低一些器 件的性能要求， 如激光器的频 稳等:可实现大容量传输。 非线性串绕、 受激拉 曼散 射和四波混 频等非线性 效应对w d )d 系 统影响严重: 对器件性 能 要求高，实际 的波长复用 数 目没有预 期的多。 可商用的 设备多， 但光分插 复用器等 网元器件 造 价 很 高，网络 成本高。 技术相对成熟，目 前很 多的物m 系统投入商 用， 应用于骨干网、 城 域网中。 兰 全 班式 学碌 m 李左进父 , 图2 ma n传输系统 2 .4 光编i 解码器 o c d m a编/ 解码器是实现o c d m a通信系统的 关键技术之一。光编码器用 来将经过数据调制的激光源发出的光脉冲进行编码， 产生相应的地址码序列， 解 码器是实现匹配相关解码。o c d ma系统常用的光编/ 解码器有以下几种。 ( 1 ) 光纤延迟线编/ v码器 光纤延迟线编/ 解码器是o c d ma系统常用的一种编/ 解码器， 它的结构有好 多种，如抽头型、并联型和梯型。其中梯型编/ w码器的性能要优于其他两种结 构的编/ 解码器。 ( 2 ) 可调式光纤延迟线 ( t d l ) 编解码器(2 3 1 t d l 基于梯型网 络结构而产生， 用2 x 2 光电 开关代替光纤藕合器， 接收器 可 看作为光纤延迟线，当 码重为n 时， 所需的光电开关数为1 0 9 2 n ，此方法的 优 点是使用的扩频序列较多，而且采用光电开关，使得系统配置可编程化。 ( 3 ) 相干光相关编解码器 相干光相关编码器采用了 超短光脉冲技术、 傅立叶频谱变换技术和光栅技术 等， 其光编码器由一对共焦面的凸透镜和一对放置在其焦平面上的衍射光栅以及 其共焦面上的相位掩膜板组成。解码器与编码器结构类似，但相位掩膜板不同， 是共扼匹配的。 此方法的优点是光纤的色散和非线性影响较小， 可以应用与长距 离的光通信中。 2 . 5 o c d m a系统的分类 2 .5 . 1 相干系统和非相干系统 从信号处理角度来讲，,o c d ma 系统可分为相千系统和非相干系统。 非相干系 统中，信道编码采用光强调制方式， 利用光信号的 有无来表示二进制的 “ 0 ” 和 l ;，终端采用平方律检测光信号，信号是功率叠加而不是振幅叠加。非相千 系统容易实现， 但实现多址功能时， 编解码器结构复杂， 码间串扰不可避免， 误 码率较高。 在相干编码系统中， 利用光的相干特性， 对光的相位进行编码， 接收 端检测光的相位， 信号是振幅叠加。 由 于发送端机之间的延迟时间差远大于相干 时间， 形成了期望接收信号的相干叠加与不期望接收信号的非相干叠加， 非相干 叠加的信号作为背景噪声可在梯形网络解码器的接收端使用平衡接收光电管消 去， 大大减少了多用户引起的千扰。 可调节的参量除了脉冲序列的延迟时间之外， 又多了一个相位因素， 使得它可利用现有的外部光相位调制器来编码， 更接近实 用状况。由于相干系统可以使用已 有的双极性码， 容许更短的序列长度， 不同的 相干信道可使用同一码字， 所以提供的用户数更多， 传送数据速率更高， 且误码 率低。 但是要求系统能控制和稳定光脉冲的相位， 传输时要求光脉冲偏振态保持 不变， 还要求编译码之间的延迟时间小于相干时间。 目 前还有一些课题有待解决。 2 . 5 .2一维和二维系统2 1 ) 按照编码维数，o c d m a 系统可分为一维o c d m a 系统和二维o c d m a 系统。在一维 o c d m a 系统中，用户地址码是在时域上扩展的 0， 1 序列，要求这些地址码具有 良 好的自 相关性和互相关性， 这将导致码序列很长， 扩频系数很大， 编解码器结 构复杂。 二维o c d m a系统中， 每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同时 还在空间或波长上扩展。在相同扩频系数下，二维o c d m a系统不仅码字数增多， 而且同时使用的用户数也大有提高， 发展潜力较大。 二维o c d m a系统常采用的方 案有3 种: t / s o c d m a ( 时分/空分o c d m a ) :同一码字中的不同脉冲调制在不同 光纤信道上，并行传输方式， 同步解调。 w d m 十 o c d m a :同一码字可以在不同 波 长上重复使用，在相同扩频系数下，码字数和并发用户数都成倍增长。o m w o c d m a ( 多波长o c d m a ，有时也称跳频o c d m a ) :同一码字中的不同脉冲调制在不同 光纤波长上，每个码字( 也可看成矩阵) 同时在时域和波长上扩展。3 种方案的比 较如下: t / s o c d m a系统需要多个祸合器， 而且要求每对编解码器中 不同空间信 道的时延要完全相同。 w d m+o c d m a 系统误码性能优于m w o c d m a ，但是码字数要 远小于m w o c d m a . 2 .5 .3单比 特和多比 特传输系统 按同一序列周期中传输的比特数，o c d ma系统可分为单比特和多比特传 输系统。 在单比特系统中在每个序列周期仅传输用户的一个比特数据， 而在多比 兰动 又学厕 臼 艇 盆 李世若 戈 特系统中， 每个序列周期传输多个比特数据。 在接收端的比特判断中使用最大相 关值的方法， 编码器把用户数据的多个比 特转换为一个光正交序列的循环移位形 式， 不同数据对应不同的移位， 该移位在光纤中传送。 解码器并行地把信号与本 地产生的用户序列的各种移位形式进行相干性处理， 找出 所接收的相对应的移位 形式， 某处的移位所对应着多个比特组成一个数据块的值。 这种方法可以大大减 小误码率。 2 . 6 o c d m a的应用 2 .6 . 1在计算机局域网中的应用 在计算机局域网中， 对介质的控制访问使得众多用户可以 共享信道等系统资 源， 对网 络的响应时间、 吞吐量和效率起着十分重要的影响。目 前常用的局域网 介 质访问 控制方法主要分为时分和频分两种， 前者如a l o h a , c s m a / c d t o k e n r i n g 和t d m a等， 后者如f d m a等。 而这些方法都有各自的局限性， 导致网络最终的吞 吐量有限，以光纤分布式数据接口f d d i 为例，光纤网的数据速率也仅为 1 0 0 - 1 0 0 0 m b p s 。随 着 未 来 光 纤 到小 区、 光 纤 到 户 的 实 现， 计 算 机局 域网 所 要 求 的网 络吞吐量将达到 t b / s的级别以 上， 这样高的要求是目 前所有的 介质访问 控 制方 法都无法实 现的， 只 有采用全光 o c d m a 技术可以 达到以 上技术要求2 5 1 采用全光o c d m a 技术作为介质访问 控制方法的 全光纤计算机局域网， 其理 论的 数据 速率可以 达到十 几g b p s ，网 络吞吐量可以 达到t b / s 的 级别。由 于 采用 了 码分多址技术， 局域网中不同 用户可以同时随时随地发送数据， 而不再需要复 杂的网络控制协议 ( 介质访问的协议也相应简单化) ， 而且网络将具有更好的安 全性和抗干扰特性， 网络性能也不随负荷增加而下降， 非常适合突发性业务。 另 外，全光网络的实现也更加容易，实现真正的全透明网络。 2 .6 .2在光纤传感器网络中的应用 由于光纤传感器的高灵敏度等优良 特性， 现在已被大量应用。 目 前的一个研 究方向是将多个传感器组成网络， 使用单个激光源和检测器， 以减少成本， 尽量 利用光纤带宽， 并为网络内所有的传感器提供统一的参数标准。 可以有多种方法 解决传感器网络的复用问题， 而其中一个有发展前途的就是采用全光o c d m a 技 术， 实 现相 干复 用261 扩频后的光脉冲经过不同的 传感器回路的光纤长度不同， 使得在接收端的扩 频信号的时延不同，以识别不同的传感器。同时，由于采用了扩频技术， 利用扩 频增益提高了 接收端信号的 信噪比， 从而减少信号均化的时间， 加快传感器的反 映速度。 和其它光复用技术相比， 采用全光o c d ma 技术的相干复用更适合于用 光集成回路来实现高带宽的光复用器，并具有尺寸小和适合大批量生产的 优点。 由于从不同传感器出来的光信号具有相同的形状， 在相同的光纤内传输， 因而它 们遭受到的大多数环境扰动是一样的。 而接收端反映的是不同光信号之间的相对 相位关系，因而这项技术具有很强的内在的抗干扰能力。 2 . 6 . 3 在光纤接入网中的应用 2 1 世纪是信息社会的时代， 由国家骨干电信网构成的高速通信网为国家信 息基础设施 ( n i l )提供了高速信息传送的通道，接入网就是这个通道的最后一 公里。接入网是在业务接p ( s n i ) 和相关用户网 络接口 ( u n i ) 之间的一系列传送 实 体， 其中 无源光纤接入网 ( p o n ) 采用 无源的光功率分配技术实 现资 源共享和传 送多种业务，由于它频带宽， 容量大， 扩容升级方便， 适合高速数据和宽带业务 ( 如 v o d 、 广播电 视等) 的 发展， 将成为未 来通信网 的 基础设施之 一2 7 目 前， 光接入网中采用最多的多址技术是t d m a ， 它是通过对时隙的分配来 实现多址接入的。为了防止各光网络单元 ( o n u )之间的串扰，o n u 之间须保 持精确的同 步， 不同用户的数据帧之im须有一定的保护时隙， 光线路终端( o l p ) 还要对o n u 不断地进行测距。不仅如此，由于上行业务的随机性和突发性，需 要进行带宽的动态分配来提高利用率。 所以基于t d m a 方式的接入网系统既无法 高效地利用光纤的带宽资源， 又存在电 子速率的限制， 所以容量不高， 无法适应 高速数据的传递和宽带业务的发展。 将全光o c d m a 作为多址接入技术用于光纤接入网中，除了其本身所具备的优 点之外， 不存在复杂的测距和同步问题， 而且光器件可以 提供比电器件高得多的 处理速度。 c d m a 技术用于无线接入系统己 取得了巨大的成功， 因为它在抗衰落 和抗干扰方面有着特殊的优势， 将此技术用于光接入网， 不仅有同样的优势， 而 且还会有更好的性能， 这是因为在光纤传输通道中， 噪声抑制和传输控制都比在 无线接入系统中大大地简化。所以 全光c d m a 是光纤接入网理想的多址接入方 式。 2 .6 .4 有线电视业务 在刚刚兴起的有线电视业务中，o c d m a 的使用可以使用户拥有巨大的下行带 宽， 解决网络中漏斗噪声造成的上行信号被带宽和窄带千扰所导致的系统性能恶 化 2 9 1 。 而且 可以 通过对扩频 码的 控 制来实 现对收 看电 视节目 的 用户的 控制， 是电 视公司计费变得极为方便。 2 , 7 影晌系统性能的几个因素 2 .7 . 1 光纤色散 o c d m a 系统以光纤作为传输信道，由于光纤固有的色散存在，使得自 相关脉 冲将被展宽，峰值功率降低， 从而导致不完善解码、 劣化系统的接收信噪比、 误 码率增加、 限 制用户的数据速率， 是影响 系统的 重要因素之一2 9 3 。 光纤色散对系 统的影响可分为两部分?0 1 : 色散导 致的每个码片脉冲展宽和色散导致的编码光脉 冲序列内各个码片的相对位置移动。 补偿色散影响的一种比 较直接的 方法就是色散补偿法3 0 1 ， 即 对系统整个工作 波长范围进行色散补偿， 减小或抵消传播过程中色散导致的各个波长光脉冲相对 群速度时延。 2 .7 .2 多用户干扰 在o c d m a 系统中，由于所有用户共享同 一光纤信道， 所有的信号重叠在同一 波段上进行传输。 这将导致多用户干扰， 即若系统中同时有n 个用户发送信号时， 在某个指定接收机与信息发送用户取的同步以后，它所受到的总干扰是其余n - 1 个用户的互相关函数的叠加。 研究表明， 当码长、 码重和判决门限不变的情况下， 随着用户数的增加， 系统的误码率也会增加， 但只会越来越接近某一个值， 而不 会无限制地增长下去。 减少多用户干扰的方法有两种: 在接收端放置光硬限幅器 和采用多脉冲检测解码器。 2 . 7 .3 远近效应的影响 在多 址情况下， o c d m a 通信的误码率会增高， 距离远近相差越大， 这种影响 就越明显，即o c d m a 通信存在远近效应问题。同无线c d m a 相比，信号在光纤信道 中 传输， 其衰减要比在无线信道中小的多， 在用户数比较多且集中时， 远近效应 对o c d m a 影响较小， 但是当o c d m a 用于光接入网时， 各个光网络单元到光线路终端 之间的 距离差可能很大， 有的甚至在1 0 k : 以 上。 而且嫩光器输出功率的 波动和光 祸合器损耗的变化都会引 起接收端各用户信号光功率差别的 进一步扩大。 抑制远近效益的方法主要有3 1 1 : 在线路损耗固 定的 情况下， 可以 用增益抑止 光纤放大器来补偿用户信号光功率的损耗; 在光路系统设计上， 尽量使各环节的 离散差错开， 如激光器功率小的 用户采用附加损耗小的光祸合器端口; 在各解码 器之前加一个光硬限幅器，使各个用户的接收光脉冲功率相等。 3 o c d m a系统接收机简介( 15 光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将光信号转换成电 信 号，恢复光载波所携带的原始信号。 采用直接强度调制一 直接检测 ( i m - d d )方 式，并带有前置放大器e d f a和光滤波器的光接收机组成框图如图3 所示。 图3 接收机框图 扩 频 后 的 信号 是n 路 叠 加 在 一 起 的 超 短 惆 啾 高 斯 光 脉 冲串 , (t ) ， 这 些 信 号 在 经过光纤传输时， 光纤特有的性质会改变它的传输特性， 这些性质有: 色散、 非 线性效应等等。经过这些因素作用后的光信号通过光纤，到达光接收机。 在光接收机中， 光信号经光放大器放大和光滤波器滤除部分噪声后， 与期望 用户的地址码相互卷积，得到的光信号经过光电检测转换成电 信号后送入积分 器， 并判决恢复为1 / 0 信号。 o c d m a系统的检测器接收到的信号与传统的光接 收机不同的是多电平不等概信号， 而不是传统的两电 平等概信号， 这给处理带来 了一定的 难度。 数字光纤通信中常用的光电 检测器主要是p i n光电二极管和a p d雪崩光电 二极管。 p i n光电二极管没有倍增， 使用简单，工作电 压偏低。 a p d雪崩光电 二极管具有很高的内部倍增因子，它与合理设计的前置放大电路结合，可以使 a p d工作在最佳倍增状态， 这样的数字光接收机能够得到比 采用p i n的 数字光 接收机更高的灵敏度。但由于a p d需要较高的工作偏压 ( 几十伏至两百伏)且 倍增特性受温度影响较严重， 使用起来较复杂， 所以 常用的是p i n ， 本文就是采 用p i n光电检测器。 光电检测器输出的电流信号很小， 而且是由f 个不同的小信号组成， 积分器 把这些小的电流积分成大的信号， 送到判决器中去， 在判决器中， 该信号与门限 . 兰 班述 . 笋翻兑生笋理 ， 触戈 电平相互比较，如果高于门限电平则输出 1 ,如果低于门限电平则输出0 ，从而 恢复扩频之前的数据。 在处理过程中， 容易对判决器造成误码效应的因素有: 多用户码间干扰， 光 接收机噪声等等。 色散造成光脉冲展宽， 增加多用户的码间干扰， 进而造成误码 率的下降，同时， 光源信号的a)9啾也会对误码率有一定的影响， 本文就是在考虑 了放大器的自发辐射噪声、 接收机噪声的前提之下， 研究了色散对光接收机误码 率的影响，并用光源惆啾去改善因为色散而恶化的接收机的误码性能。 4光电检测器和光放大器的主要特性 4 . 1 p i n 光电二极管有如下常用技术指标: 4 . 1 . 1 波长响应范围 从 光电 二 极管 的 工作 原 理 知， 只 有 光 子能 量b y 大 于 半导 材 料 禁带 度e g 才能 产生光电效应，因此对不同的半导体材料，存在上限波长 从 ， g e - p i n和 i n g a a s - p i n的截止波长为1 .7 u m ，可用于1 .3 u m和1 . 5 5 u m的长波长光检测。 4 . 1 .2响应度r 所谓响应度，是指光电 检测器的 平均输出电 流i p 与其平均入射光功率p 。 之 比，即 ( 4 . 1 ) ， 一 六 p a (1 ( 4 . 2 ) 4 是电子电量;h o w是耗尽层的宽度; 量子效率 几 是光子能量 一 9 - a 0w ) ( i 一 p ) h 是普朗克常量u 是光频:a 。 是吸收系 r 是入射端面的反射系数。 衡量光电检测器光电转换效率高低的另一个物理量是量子效率 几 ，其表达 中;.3为 式数4.式 _ 1 , b y 9 p a ( 4 . 3 ) 光电检测器的量子效率与响应度的关系为 ( 4 . 4 ) 全理才学贫 呢空李夕级戈 4 . 1 .4响应速度 响应速度通常用响应时间来表示。 响应时间为光电二极管对矩形脉冲的响应 一电 脉冲的上升或下降时间。它主要受以下三种因素影响: 结电容对响应时间的影响 光电二极管耗尽层结电容c a ，负载电阻r b ，限制的截止频率 ( 带宽)为 关 朴 二 共 - 1 7 1 - d 入 b ( 4 . 5 ) 光生载流子通过耗尽层的渡越时间对响应时间影响 渡越时间: tf 对信号的高频成分产生的不良 影响:一，有较大的相位滞后; 二， 信号幅度受到较大削弱。可见t 。， 引起了高频失真，限制了 器件的带宽。由 t u 限制的光电二极管的截止频率 ( 本征响应带宽或所能检测到的信号带宽)为 s , 二 二 下 - _ , 目 前，i n g a a s - p i n的带宽可达2 0 g h z a ( 4 . 6 ) 对p i n来说光生载流子的扩散时间对响应时间影响很小。 4 . 1 . 5 线性饱和 线性饱和是指光电二极管有一定的功率检测范围， 当入射光功率强时， 光电 流和光功率将不成正比， 从而产生非线性失真。 p i n当入射光功率低于毫瓦量级 时不会发生饱和。 4 . 1 . 6 暗电流及表面漏电流 无光照时，p i n作为一种p n结器件， 在反向偏压下也有反向电流流过，此 电流为暗电流。 表面漏电流是由于器件表面物理特性不完善和加有偏置电压引起的， 它可通 过合理的设计，良 好的结构和严格的工艺来降低。 4 . 1 .7 噪声特性 光电二极管的噪声包括量子噪声、 暗电流噪声、 漏电流噪声和负载电阻的热 噪声， 除负载电阻的热噪声外， 其它都为散弹噪声。 散弹噪声的概率密度分布为 泊松分布， 采用高斯近似法， 把其概率密度分布看作高斯分布。 散弹噪声是由于