（光学工程专业论文）光码分复用ocdm关键技术及应用研究.pdf

摘要 摘要 光码分复用( o c d m ) 结合了光纤通信和码分复用( c d m ) 的技术特点，在 宽带通信网，如光分组交换( o p s ) 、无源光网络( p o n ) 及保密信息传输等方面 的应用都具有一定技术优势，是国际上光通信领域的研究热点之一。对于o c d m 技术及应用的研究，近年来国内外出现蓬勃发展之势，但o c d m 要真正达到实用 化还存在一些技术难题。本论文试图对o c d m 一些关键技术问题及其应用进行深 入的研究，包括以下几个方面：1 ) 具有良好相关特性、适合保密性或支持大容量 的光地址码构造方法研究；2 ) 新型高性能光编解码器设计及仿真研究；3 ) 提高 o c d m 系统性能的新方法研究；4 ) o c d m 在o p s 网络中光标签处理的应用及实 验研究；5 ) o c d m 在保密信息传输网络中的应用及实验研究。 具体而言，主要有以下六个方面的研究工作和创新点： ( 1 ) 为了增强基于o c d m 技术信息传输系统的保密性，本文采用选取不同本源 根的方法构造出了多组光正交码( m g o o c ) ，给出了m g o o c 基本概念， 初步探讨了m g o o c 的特性。将m g o o c 应用到信息传输系统中，提出了 保密信息与非保密信息分离传输的方法，从理论与实验上验证了该方法的可 行性和有效性。最后，研究了基于m g o o c 的o c d m 实验系统，进行了实 验测试与分析。 ( 2 ) 基于同余算子构造光正交码( o o c ) 的方法是国际学者广泛关注的问题，特 别是基于二次同余算子的o o c 构造法。为了提高o c d m 系统的用户容量， 本文将二次同余扩展到三次同余，提出了基于三次同余的o o c 构造方法。 此外，研究了基于三次同余o o c 二维地址码的构造方法，进行了计算机仿 真与性能研究。 ( 3 ) 基于光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ，p h c ) 易于现实光信息延时和相位改变的特 性，提出了基于p h c 的新型非相干和相干光编懈码器方案，建立了这两种 新型光编解码器的理论模型，进行了数值计算。研究结果表明基于p h c 的 非相干和相干光编解码器方案具有较好的灵活性与光编解码性能，且易于 小型化。 摘要 ( 4 ) 为了进一步提高o c d m 系统的传输性能，在采用传统前向纠错码( f e c ) 的基础上，提出了在o c d m 系统中采用可调级联纠错的方法，研究了基于 可调级联纠错码的o c d m 系统性能，并比较研究了在o c d m 系统中应用多 种纠错码方案的系统性能，数值结果表明了采用级联纠错方法改善o c d m 系统性能的有效性。另外，针对相干o c d m 系统，提出了基于随机相位信 息提高相干o c d m 系统性能的新方法，进行了系统仿真，验证了该方法的 可行性。 ( 5 ) 采用多重o o c 排列组合标识光标签，能有效提高o p s 网络支持的光标签数 目，提出了基于多重( 可调) o o c 序列的光标签处理方法，进行了理论仿 真。研究了基于多重o o c 序列光标签的o p s ( m o o c s o p s ) 系统性能， 进行了数值计算与讨论，从理论上验证了该方案的可行性和可扩展性。 ( 6 ) 针对m o o c s o p s 系统中光标签的单脉冲产生与光标签接收的非连续和突 发特性，设计了基于f p g a 产生用于光标签的单脉冲方案与光开关控制模 块，并完成了硬件制作和相应的单元实验验证；设计并实现了用于随机、突 发及低功率的m o o c s o p s 光标签接收的模块单元；根据m o o c s o p s 系 统要求，设计并实现了基于m g o o c 的布拉格光纤光栅( f b g ) 光编解码 器；在关键部件的设计与实验的基础上，研究了m o o c s o p s 的系统性能， 进行了实验测试与结果分析，实现了m o o c s o p s 实验系统。 关键词：光码分复用( o c d m ) ，多组光正交码( m g o o c ) ，多重光正交码序列 ( m o o c s ) ，光分组交换( o p s ) ，保密信息传输 n a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o c d m ) t e c h n i q u e , w h i c hc o m b i n e dw i t ht h e v i i t i l e so fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e l e s sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c d m ) i s b e i n gc o n s i d e r e dt oh a v ew i d ea p p l i c a t i o n st os o m ef i d d s ，s u c ha so p t i c a lp a c k e t s s w i t c h i n g ( o p s ) s y s t e m ，p a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k s ( f o g ，s e c r e ti n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n ，a n ds oo n r e c e n t l y , t h er e s e a r c ho fo c d mt e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o n s h a sb e c o m et h eh o t s p o ti no p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d s h o w e v e r , t h e r ea r es t i l ls o m e t e c h n i c a ld i f f i c u l t i e si np r o c e s so fh e a d i n gt op r a e t i c a l i t yo fo c d mt e c h n i q u e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , s o m em a i nt e c h n i q u e su s e di no c d ms y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o n sa r e s t u d i e d ，i n e l u d i n go p t i c a la d d r e s sc o d e s 谢t l lg o o dc o r r e l a t i o n s ，h i g hs e c u r i t yo rg r e a t c a p a c i t y , h i g h - p o w e r e do p t i c a le n d e e o d e r s ，s o m ea p p r o a c h e s t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fo c d ms y s t e m ，a p p l i c a t i o n so fo c d m t oo p sa n ds e c r e ti n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n t h em a i nw o r k sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i n o r d e rt o i m p r o v et h es e c u r i t y o ft r a d i t i o n a lo c d m - b a s e di n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n ，an e wc o n s t r u c t i o nm e t h o df o rm u l t i p l eg r o u p so p t i c a lo r t h o g o n a l c o d e s ( o o c ) ( m g o o c ) i sp r o p o s e d t h i sm g o o cu s e di no c d ms y s t e mi s r a n d o m l yc h a n g e d t oi n t e r f e r e e a v e s d r o p p i n g t h e r e f o r e ，t h es e c u r i t y o f m g o o c - b a s e d0 c d mn e t w o r k sc a nb ei n c r e a s e d t h ed e f i n i t i o na n d e h a r a c t e r i s t i c so ft h em g o o ca r eg i v e na n da n a l y z e d i na d d i t i o n ，an e wo c d m s c h e m eb a s e do nm g o o ca n dt r a d i t i o n a l o p t i c a ln e t w o r k s i s p r o p o s e d t h i s m e t h o dc a nt r a n s m i ts e c r e ta n do p e ni n f o r m a t i o ni n d e p e n d e n t l y , a n dh a sl o wc o s t u n d e rac e r t a i n c a s e ( s u c ha ss e c r e ti n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nt h eo p t i c a l n e t w o r k s ) ，a n dm a k e st h et r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r k su p g r a d ee a s i l y l a s t l yt h e m g o o c - b a s e do c d ms y s t e mi sd e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h ec o n s t r u c t i o nw a yo ft h eq u a d r a t i cc o n g r u e n to p e r a t o r - b a s e do o c ， t h ec u b e dc o n g r u e n to p e r a t o ri si n t r o d u c e dt oc o n s t r u c to o c ，a n di t sc o r r e l a t i o n s a n dp e r f o r m a n c ea l ed i s c u s s e d o n ed i m e n s i o n a lc u b e dc o n g r u e n t - b a s e do o ci s i i i a b s t r a c r e x t e n d e dt ot w od i m e n s i o n a lc o n g r u e n t - b a s e d0 0 ca n dt r a d i t i o n a l0 0 c ，o r c o n g r u e n t - b a s e do o c a n dq u a d r a t i cc o n g r u e n t - b a s e do o c ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g c o d e s & r en a m e da sc c c o o ca n dq c c c c ct w od i m e n s i o n a lc o d e sr e s p e c t i v e l y t h ec o n s t r u c t i o n sf o rt h e s ec o d e sa r ed e s i g n e d ，a n dt h e i rc o r r e l a t i o n sa n d c a p a c i t i e sa r es t u d i e d s o m eo ft h e s ec o d e s & r eu s e di no c d m ，a n dt h e i r p e r f o r m a n c e sc o n f i r mt h ev a l i d i t yo f t h ec o d e s ( 3 ) o p t i c a le n d e c o d e r s & r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h ep r a c t i c a b i l i t yo fo c d mt e c h n i q u e t h e r e f o r e ，m e y & r ea l s os t u d i e dw i d e l y t h ec o h e r e n ta n dn o n - c o h e r e n to p t i c a l e n d e c o d e r sb a s e do np h o t o n i c sc r y s t a l ( p c ) & r ep r o p o s e df o rt h ef i r s tt i m e t h e t w om e t h o d s ，t o g o t h e rw i t ht h e i rt h e o r e t i c a lm o d e l s & r ei n t r o d u c e d i no r d e rt o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h et w os c h e m e s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t a n dt h er e s u l t sc o n f i r mt h et w o d e s i g ns c h e m e s t h e s em e t h o d sh a v et h e a d v a n t a g e so fi n t e g r a t i o na n dm i n i a t u r i z a t i o n ( 4 ) i m p r o v e m e n ta n de v a l u a t i o no fo c d ms y s t e m sp e r f o r m a n c e & r ea t t r a c t e do n e s a t t e n t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fo c d ms y s t e m ，an o v e lm e t h o d u s i n ga l t e r a b l ec o n c a t e n a t e dc o d et op r e e n c o d ei sp r o p o s e dt or e d u c et h ei m p a c to f s y s t e mi m p a i r m e n ta n dm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) i no c d ms y s t e m t h ec o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o nf o rd i f f e r e n tc o n c a t e n a t e dc o d et y p ea n df o r w a r d e r r o rc o r r e c t i n g 口e c ) s c h e m ea r ec a r r i e do u tb ys i m u l a t i o n t h eb i te r r o rr a t e ( b e r ) i sd e r i v e db yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee f f e c to fs o m en o i s e s ，d i s p e r s i o np o w e r p e n a l t ya n dt h em a i t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c e t h i ss c h e m ep e r m i t si m p l e m e n t a t i o no fa c o s te f f e c t i v eo c d m s y s t e m ( 5 ) t h ea p p l i c a t i o no fo c d mi no p sn e t w o r k si sf o c u s e dw i d e l y m u l t i p l eg r o u p s o o cs e q u e n c e s - b a s e d o p t i c a ll a b e l s f o ro p s ( m o o c s o p s ) n e t w o r k s & r e p r o p o s e d t h em o o c s - o p ss c h e m ei sp r o j e c t e da n di t sk e yp a r t s & r ep e r f o r m e d w i t hv p i s i m u l a t i o no ft h i ss y s t e mi sp e r f o r m e da n dt h er e s u l t sv m f yt h a ti ti s e f f e c t i v e l a s t l yt h e o r e t i c a la n a l y s i so fm o o c s - o p ss y s t e m sp e r f o r m a n c ei s p r e s e n t e d ，a n ds o m en u m e r i c a lr e s u l t s & r eo b t a i n e d ，w h i c hs h o w 也a tt h i ss c h e m ei s v a l i d i t yi na s p e c to fs y s t e mp e r f o r m a n c e i v ( 6 ) t oa c h i e v e t h e p r a c t i c a b i l i t y o ft h em o o c s o p sn e t w o r k s ，s o m e k e y t e c h n o l o g i c a lp r o b l e m sa l er e s o l v e d ，s u c h 鹤t h ep r o c e s s i n go fm o o c s - b a s e d o p t i c a ll a b e l s ，t h ed e s i g no ft h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n d t h e i re x p e r i m e n t a lt e s t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l ep u l s ef o ro p t i c a ll a b e lw i lr a n d o ma n d b u r s t ，t h et u n a b l eo p e r a t i o no fm o o c s - b a s e do p t i c a ll a b e l s ，w h i c hh a st h em o d u l e w i t l lf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) f o rs i n g l ep u l s eg e n e r a t i o na n d c o n f i g u r i n go fo p t i c a ls w i t c h e s ，i sd e s i g n e da n di t sv a l i d i t yi sd e m o n s t r a t e db y e x p e r i m e n t t h eo p t i c a l r e i 。e i v e f 、析廿l m u l t i p l ea m p l i f i e r s ，b r o a d e n n e t a n d c o m p a r e ri sd e s i g n e d , f a b r i c a t e da n dd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t b a s e do nt h e a b o v ew o r k s ，m o o c s - o p ss y s t e mi se s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f y t h a tm o o c s - o p sc a l lw o r k p r o p e r l y k e y w o r d s ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o c d m ) ，m u l t i p l e - g r o u po p t i c a l o r t h o g o n a lc o d e s ( m g o o c ) ，m u l t i p l eo p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ss e q u e n c e s ( m o o c s ) ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，s e c r e c yi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：二臣篁l 日期：叫年，胡节日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：互蕴垒 导师签名： 日期：研年z 一月节e l 第一章绪 论 1 1引言 第一章绪论 随着社会和经济的不断发展，低速、窄带、单一形式的通信已不能满足人们 的需求，迫切期望高速通信、多媒体通信及综合业务数字网的实现。为了进一步 提高通信速率，宽带传输介质及高速信号处理技术急需解决。光纤的出现，使通 信手段发生了巨大变革，尤其是光纤制造工艺的提高，光纤特性更为卓越，以光 纤作为传输介质的光通信网络被认为是进行宽带、高速和灵活通信的一种可行途 径。目前光通信网络大都采用“电处理、光传输 的通信方式，尽管单模光纤理 论带宽在低损耗窗口可达3 0t h z ，由于电子“瓶颈效应 ，限制了人们对光纤巨大 带宽资源的充分利用。为了进一步挖掘光纤带宽资源，目前出现的主要光学多路 复用：密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 【2 】、光 时分复用( o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , o t d m ) 【3 】、光正交频分复用( o p t i c a l o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o o f d m ) 4 和光码分复用( o p t i c a lc o d e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , o c d m ) l 5 - ) o 等技术。 近年来o c d m 技术及应用得到了国际学者的广泛关注。o c d m 结合了光纤通 信和码分复用( c d m ) 的技术特性，具有很强的技术优势和广阔的应用前景【6 ，9 以o 】。 o c d m 技术的研究可追溯到2 0 世纪7 0 年代末，1 9 7 8 年e m a r o m 等人提出在光 信号处理中采用光纤延迟线网，被认为是目前大部分o c d m 技术实现和应用研究 的基础。o c d m 技术通过使用不同的地址码序列来区分用户，将许多接入用户同 步地复用到相同的频带和时隙上，实现多个接入用户共享同一光纤信道和提高系 统的总容量。因此o c d m 技术是充分挖掘光纤潜在传输能力，扩大接入网系统容 量的一种有效技术【8 一。与w d m 、o t d m 和o o f d m 技术相比，o c d m 技术具有 如下优势：1 ) 不需网际间同步，网络设计灵活，系统误码率仅依赖于被激活的用 户数；2 ) 可实现异步通信，允许用户无延时随机接入，可支持变比特率传输和突 发业务；3 ) 每个接入用户充分利用了整个系统的时域和频域分量，易于增加新用 户；4 ) 易于实现透明的全光网络，信道统计复用增益高；5 ) 较好抗干扰和保密 特性；6 ) 增加了控制服务质量的灵活性。 2 0 世纪8 0 年代中后期【1 1 1 ，当时s a l e h i 等人设法利用单模光纤的额外带宽，将 电子科技大学博士学位论文 低速率信息的电信号变换成高速率的光脉冲序列来实现随机的异步通信业务，且 不需要集中的网络控制器。随后，国外出现了许多o c d m 技术及应用方面的理论 及实验研究报道，研究内容主要集中在o c d m 的光正交码( o o c ) 设计及计算机 仿真【1 2 。1 4 】、系统性能理论研究及数值估计1 5 。1 7 ，2 0 1 、系统方案设计与理论研爿7 ，1 0 ， 1 8 - 1 9 ，光编解码器设计与实验 2 1 之6 】，o c d m 技术及其应用的研究与实验演示【2 7 0 5 】 等。o c d m 主要分为相干和非相干系统，相干o c d m 系统具有更大的吞吐量和更 高的灵敏度，但系统结构复杂，成本昂贵，曾很少引起人们的重视，但由于技术 的进步，人们对高性能o c d m 系统需求的增加，目前相干o c d m 系统的研究重 新得到了广泛的关注【3 6 , 3 7 1 。同时随着具有良好相关特性的单极性o o c 不断发展， 使得非相干o c d m 系统的研究也成为目前研究重点之m e 3 s , 3 9 】。近年来在国际学术 盛会o f c n f o e c 、e c o c 和a p o c 上都有大量o c d m 技术及应用方面的研究进 展报道，特别是2 0 0 8 、2 0 0 9 年在美国召开的o f c n f o e c 国际会议上，有大量有 关o c d m 方面的研究报道，主要集中在光编解码器实验，o c d m 单元及系统实 验和o c d m 应用的实验演示【4 洲】。代表性实验有：日本大阪大学采用超结构光纤 布喇格光栅( s s f b g ) 在g e p o n 实现6 4 0g c h i p s 的o c d m 应用实验演示，美 国t e l c o r d i a 报道的o c d m 光编密码应用研究，日本的n 1 t 采用阵列波导光栅编 解码器进行的相干o c d m 系统实验等。另外，近年来研究者们也开始对o c d m 的 安全性和应用等方面进行了较深入地研究，特别是在美国和日本，已经开始了一 些由国家资助的重大研究项目，例如在美国，由d a r p a 启动了一项数千万美元的 o c d m 研究计划；在日本，o c d m 技术已被政府列入未来光通信网络发展的战略 计划之一。目前o c d m 技术在理论和实验演示上都取得了长足的发展，部分关键 部件已经走向商业化，例如2 0 0 4 年日本的o l d 商业技术公司就推出了采用f b g 实现的o c d m 光编解码器产品。随着空间光相位调制技术、平面光波电路技术、 s s f b g 制作技术及阵列波导光栅制作技术的日益成熟，使得制作高速、可靠、紧 凑的光编解码器技术不断得到发展。基于超短光脉冲的相干o c d m 系统逐渐引起 许多研究者的兴趣。在近三年召开的o f c n f o e c 国际会议上，日本的n i c t 等报 道了一种相干o c d m 实验系统，发射端采用差分相移键控的信号格式来调制光波 的相位，接收端采用平衡探测的方式来提取用户的基带信号，从而改善了系统中 的多用户接入干扰噪声和信号间的差拍噪声，提高了相干o c d m 系统的性能。 国内对o c d m 技术的研究始于上世纪9 0 年代初，主要研究单位有清华大学、 北京邮电大学、上海交通大学、深圳大学、解放军理工大学、浙江大学、电子科 技大学及中国科学院光电所等，研究工作主要集中在地址码的构造、光编解码器 2 第一章绪论 的设计与仿真、半物理实现及系统性能分析等方面。 目前，随着光通信技术的不断发展，o c d m 技术已成为国内外光通信领域研 究的热门课题之一。o c d m 技术特别有望在国防军事、金融保险及部分民用系统 中扮演重要的角色。 1 2o c d m 基本原理 o c d m 是在电c d m 技术基础上演变出来的，它是将电c d m 技术应用于光纤 信道，对用户信号的处理采用全光手段，克服了传统通信网络中所谓的电子“瓶 颈效应 。o c d m 的基本原理是以扩频通信为基础，将用户低速率信息的电信号变 换成高速率的光脉冲序列，在光纤介质中进行传输【7 1 。o c d m 系统主要由用户数 据源、超短脉冲激光器、光调制器、光c d m 编码器、光星型耦合器、光c d m 解 码器、光电探测器及电阈值检测器等组成。o c d m 系统发送端，用户信息比特流 ( 电信号) 通过控制光调制器的状态，进一步调制超短脉冲激光源，激光源发射 的光脉冲经过光调制器处理后进入光c d m 编码器。信息比特为“0 时，将没有 被调制的光脉冲进入光c d m 编码器，即光编码器输出一个全零序列。信息比特为 “1 ”时，经光c d m 编码器后，产生载有用户信息特征的扩频序列，光编码器输 出一个光脉冲序列。携带用户信息特征的光脉冲序列进入星型光耦合器，并经光 纤信道传输到达接收端，然后到达光接收机，通过光解码器，完成接收信号与接 收端扩频序列间的相关运算，输出一个自相关峰，再经光电探测器转换为电信号， 最后通过电阈值检测器，恢复出发送端用户的信息比特流。 在o c d m 系统中，o c d m 光编解码器的作用非常重要，它实现用户低速数 据比特流与高速光脉冲序列之间的变换。每个数据比特周期乃被分成1 ，个时间段， 每个时间段疋称为码片周期，= t b 疋称为码序列的长度或扩频增益【l 。o c d m 光编码器按照特定的时间延迟( 码片周期疋整数倍) ，在一些特定码片时段内产生 一个光脉冲，这样就形成了一个光脉冲序列，称为用户地址码，每个地址码中光 脉冲的数目k 称为码重。 光纤通信网络有多种拓扑结构，如环行、总线形、星形等。o c d m 系统通常 采用无源星形网络拓扑结构，在这种结构中，星形耦合器是网络的中心，每个用 户通过o c d m 光编解码器分别与星形耦合器的两个端口相连，每个发送用户的信 息数据经o c d m 光编码器进行扩频后输入无源星形耦合器，星形耦合器将每个输 入端的光信号均匀地分配给每个输出端的接收用户，从逻辑层次上看这种网络拓 3 电子科技大学博士学位论文 扑结构是一个广播式选择性网络。 1 3o c d m 关键技术 1 3 1o c d m 系统中地址码 o c d m 技术的主要目标之一是从接收到的存在其它用户干扰的信号中提取发 送端期望用户的信息数据，而用户地址码是用来实现这一目标的唯一手段。另外， o c d m 系统用户数容量不仅取决于系统传输性能，地址码数目也是重要因素之一， 同时o c d m 系统保密性也与地址码相关。因此o c d m 系统的地址码特性尤为重 要【4 5 捌】，有关地址码构造及自互相关特性、码字容量和有利o c d m 系统保密性的 地址等方面的研究备受关注。 在电c d m 系统中，由于电磁场的振幅和相位可以被直接探测，故可选用包含 ( 1 + 1 ) 的双极性地址码。但在o c d m 系统中，由于光源技术还不够成熟，系统 的硬件实现比较复杂，且系统的造价昂贵，因此采用双极性码字的相干o c d m 系 统难于实现。目前o c d m 系统大部分还集中在强度调制和直接探测( i m d d ) 的 非相干系统，在此类系统中探测器直接检测到的是光信号能量，因此主要使用的 地址码是包含( o ，+ 1 ) 的单极性码。如光正交码( o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ，o o c ) 4 5 - 4 9 、素数码( p r i m ec o d e , p c ) 5 0 ，5 1 1 、改进素数码( m o d i f i e dp r i m ec o d e ，m p c ) 【5 2 1 、扩展素数码( e x t e n dp r i m ec o d e ，e p c ) 【鲍5 5 1 、2 n 素数硝1 2 ，5 3 1 、二次同余码 ( q u a d r a t i cc o n g r u e n tc o d e q c c ) 5 6 , 5 7 1 、二维跳频扩时码f 5 8 5 9 】及三维码【缸6 2 】等。 对一个最佳的地址码而言，除了具有良好的相关特性外，还必须有比较大的 码字容量，因为码字容量的大小直接影响o c d m 系统能接入的用户总数。o o c 构 造的码字容量理论为【6 3 】： 多( v ，七，) 【后( ( v 七- 一0 。歹j ( - t ) 其中，k 为码字码长和码重。从公式( 1 1 ) 得知，当改变v 和k ，可以得到更多的 码字数目西，但当码长变长，则码片( c h i p ) 周期变小，光纤的色散将严重限制 o c d m 系统的传输性能。因此在一维地址码的基础上，将光脉冲由原来的时域扩 展到波长域、空域或偏振域，使地址码的构造可利用更多的自由度，可以改善码 的相关性能，增加码字容量。时空多维地址码可用一个矩阵表示，矩阵的行表示 4 第一章绪论 空域，列表示时域，其特性可用四元组( s 正墨0 ，1 ) 表示，s 、r 分别为空间信 道数和时间码片数。三维地址码可用一个三维矩阵表示，矩阵的行表示波长域， 列表示时域，每个g , r xt 矩阵表示一个空间信道或一个波长时间平面，每个空间 信道有一个或多个光脉冲，其特性可用四元组( s 形i v , 墨0 ，1 ) 表示。当为多个 光脉冲( 每个空间信道形个光脉冲) 时，其特性可用四元组( s xg , r x 正s 形0 ，1 ) 表示，如多波长o c d m 系统【叫，q o c o o c 6 5 1 ，p c p c ：5 6 等。 自2 0 0 5 年以来，有学者对采用传统方法实现o c d m 通信的保密性提出了质 疑，并有研究者理论分析了o c d m 系统的保密性斛6 7 , 6 8 】。目前该方向上的研究主 要有【6 7 - 7 0 ：2 个码字更换控键，采用非相干宽谱光源和双极性编码，减低信息的信 噪比( s n r ) 及增大码字空间等，但这些方法恶化了o c d m 系统的性能，或对光 电子器件要求较高。从地址码构造与使用方法的角度研究改善o c d m 系统保密性 的报道尚少，本文研究了采用码字构造及使用方法增强o c d m 系统的保密性，该 方法具有较好的实用性。 总之，探索新型一维地址码构造方法、进一步提高传统一维地址码相关特性 和改善其码字容量，在新型一维地址码基础上构造具有更大容量的多维地址码和 研究具有优良特性的地址码一直是o c d m 研究领域的关键技术之一。同时改善 o c d m 系统的信息传输保密性也将是地址码设计中重新考虑的新问题。另外，在 基于i m d d 的o c d m 系统中，研究双极性码在该o c d m 系统中的应用也成为地 址码研究的另一新方向。 1 3 2o c d m 光编解码器 光编解码器是o c d m 系统的核心，其结构和特性直接影响着o c d m 系统的 总体性能，也是决定o c d m 系统可否投入实际应用的关键。目前o c d m 光编解 码器技术的难点有：1 、产生相干超短脉冲光源；2 、光编解码器中掩膜板共轭， 对分离光器件空间位置的严格要求；3 、光编解码信号受色散及非线性等的影响， 很难保持相位不变；4 、光编解码受衍射光栅分辨率限制；5 、光编解码器集成性 和可调性等。 o c d m 光编解码器主要是采用光纤延时线( f o d l ) i s , 7 4 、空间光调制器( s l m ) 【5 1 、阵列波导光栅( a w g ) 1 2 4 、平坦光路( p l c ) 7 1 】、光纤布拉格光栅( f b g ) 【1 3 ， 2 5 1 、超结构光纤布拉格光栅( s s f b g ) 2 s 】、微机电系统( m e m s ) 7 3 】和光子晶体 ( p h c ) 【2 1 ，2 3 】等技术实现。根据o c d m 系统所采用的地址编码方式不同，光编 5 电子科技大学博士学位论文 解码器采用的技术可以分为非相干和相干两种。 a ) 非相干o c d m 光编解码器 非相干光编解码器采用时延参量实现o c d m 地址码信息的映射，此类光编 解码器主要有：1 ) 光纤延时线光编解码器，该方案是通过使用不同长度光纤延时 线来进行编解码。光纤延时线编解码器采用的技术主要分为固定延时线【| 7 4 】和可调 延时线【_ 7 5 】。该技术实现简单，但不易集成化；2 ) 光纤布拉格光栅( f b g ) 光编解码 器，该方案是通过压电方式调节f b g 的中心波长实现对入射的宽带光谱实施有选 择地反射，将其分解为一系列的谱片，即以用户的地址序列码控制反射谱片的选 择，形成与用户地址序列码对应的频谱序列【2 5 1 。该技术易于实现集成化和可调， 当采用该技术实现相干光编解码时，由于受到光纤信道和光电器件的影响，致使 相位信息不精确；3 ) 光扫描编解码器，该方案是光信息经过放大后到达编码调制 板，再通过编码调制板自上而下的扫描，经过编码板上端的光信号最先出来，下 端信号最后出来，即经过编码板调制后输出的光序列就是用户的扩频信号序列【| 7 6 】。 该技术实现容易，但不易集成化和调制精度不高；4 ) 薄膜腔编解码器，该方案是 通过控制薄膜的折射率分布，使得光在左端面各点发生全反射，而在右端面的某 些点上全反射，另一些点上部分反射，发生全反射或部分反射的位置由用户地址 码确定【”】。该技术易于集成化，但工艺较复杂，成本较高。 除上述非相干光编解码器方案外，还有采用集成阵列波导( a w g ) 、p h c 等技 术实现的光编解码器，也有采用光延时线、p h c 、f b g 或a w g 等组合实现的二 维、三维等多维非相干光编解码器。 b ) 相干o c d m 光编解码器 相干光编解码器是通过 对相位调制来实现光编解码 的。相干光编解码器可分为时 域和频域相干光编解