（光学工程专业论文）二维ocdma通信系统研究.pdf

皇主型苎奎兰堕主兰堡笙茎 一 摘要 光码分多址( o c d m a ，o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是未 来高速全光通信网络的各选方案之一，是目前光通信研究领域的热点。与 其他的复用方式相比，o c d m a 目前还处于相对不成熟的阶段。 本文主要研究二维o c d m a 系统。在二维o c d m a 系统中，每个用户 的地址码序列是二维的，即每个地址码序列的光脉冲不仅在时域上扩展，同 时还在空间或波长域上扩展。由于增加了一个自由度( 空间或波长) ，二维 o c d m a 系统的性能比一维o c d m a 系统有很大的提高。在相同的扩频 系数下，不仅码字数增多，同时可使用的用户数也有较大的提高。j 最重要的 是二维o c d m a 系统的实现对现阶段的光纤通信现状比较现实，成本也 要比双极性o c d m a 系统低的多。 论文首先对光码分多址技术的基本原理、编解码结构方案以及关键技 术进行了介绍，并对光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势进 行了总结，指出同其它复用方式相结合的混合全光网络和采用光纤光栅编 解码器是光码分复用技术最有希望的发展方向。 第二章对二维o c d m a 系统的分类和系统结构进行了研究，并对基 于f b g 编解码结构的快跳频o c d m a 系统进行了系统仿真和分析。结果 表明，采用f b g 光栅编解码结构的f f h o c d m a 系统具有良好的匹配 滤波性能，而且与光纤连接简便、传输波长可控，是一种很有发展前景的 光码分多址系统。 第三章针对二维o c d m a 系统的性能进行了分析。通过对跳频扩时 o c d m a 系统误码率上限的研究，给出了误码率随影响系统性能的各个参 数以及有无光学硬限幅器时的变化曲线，分析表明：通过减少码片之间的 碰撞概率k 2 f l 以及使用光硬限幅器可以有效地改善系统的性能。首次 推导了考虑接收机噪声的二维o c d m a 系统的性能，给出了仿真结果和 分析，对两种典型的二维o c d m a 系统( m wo c d m a 和w d m + o c d m a ) 的性能进行了比较分析。最后对改善二维o c d m a 系统的性能提出了建 议和总结。 第四章针对在光码分多址网络中实现多速率传输的要求，提出了一种 电子科技大学硕士学位论文 采用并行多信道结构的多速率二维o c d m a 系统。通过对该系统的理论 分析和仿真研究可以看出，该系统克服了传统光码分多址系统用户数少的 缺点，能实现多种速率信息的传递，而且每个用户都采用相同的光编码 器，简化了系统的复杂程度，而且较多的用户数和较好的系统误码性能也 说明了系统的可行性和实用性。 第五章为全文总结。 关键词：光码分多址，接收机噪声，跳频扩对码，光纡布拉格光栅，多 速率光码分多址 电子科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t o p t i c a l c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ( o c d m a ) i so n e o ft h e p o s s i b l e r e s o l u t i o n sf o rf u t u r ea l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，w h i c hi s a h o t t o p i c i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n r e s e a r c h c o m p a r e d w i t ho t h e r m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e s ，i ti s s t i l la tt h es t a t eo f i n f a n c y t h em m n r e s e a r c ho ft h i sp a p e risf o c u s e do nt w od i m e n s i o no p t i c a lc o d e d i v i s o nm u l t i p l e x i n ga c c e s ss y s t e m t w od i m e n s i o n a lc o d ei se n c o d e di nt i m e a n d w a v e l e n g t h o rt i m ea n d s p a c ed o m a i n ，s o t h e p e r f o r m a n c e o ft w o d i m e n s i o no c d m a s y s t e mi s b e t t e rt h a no n ed i m e n s i o no c d m a s y s t e m i t i c a na c c o m m o d a t em o r eu s e rs i m u l t a n e o u s l yt h a no n ed i m e n s i o no c d m a s y s t e ma n d t h ei m p l e m e n ti sm o r ee a s i e rt h a nb i p o l a ro c d m a s y s t e m f i r s t l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l e ，s y s t e ms c h e m e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sa r e i n t r o d u c e d t h e d e v e l o p m e n t ，r e s e a r c h s t a t u sa n dt r e n d so fo c d m a t e c h n o l o g i e s a r ea l s o s u m m a r i z e d c o m b i n i n g w i t ho t h e r m u l t i p l e x i n g t e c h n o l o g i e sa n du s i n gf i b e rg r a t i n g sa st h ee n c o d e r d e e o d e ra r et h et r e n d so f o c d m a s y s t e m t h es o r t sa n da r c h i t e c t u r e so ft w od i m e n s i o no c d m as y s t e m sa r e i n v e s t i g a t e d i nt h es e c o n d s e c t i o n o p t i c a l f a s t f r e q u e n c y h o p c d m a s y s t e m b a s e do ne n c o d e r d e c o d e ro ff b gi s i n v e s t i g a t e db y s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sp r e f e r a b l ep e r f o r m a n c eo ft h e m a t c h e d f i l t e r i n g i t i s e a s i l yi m p l e m e n t e da n dt h ew a v e l e n g t h st r a n s m i t t e d c a nb e c o n t r o l l e d t h i ss y s t e mi so n eo ft h ep r o m i s i n go p t i c a lc d m a s y s t e m s t h ep e r f o r m a n c eo ft w od i m e n s i o no c d m a s y s t e mi sa n a l y z e di nt h e t h i r ds e c t i o n t h eu p p e r b o u n d so nb e ro fo c d m a s y s t e mu s i n gt h et i m e s p r e a d i n g w a v e l e n g t hh o p p i n gc o d e si si n v e s t i g a t e dw i t ho rw i t h o u tu s i n gt h e o p t i c a l h a r dl i m i t e r t h e t h o r o u g hi n v e s t i g a t i o n a n d a n a l y s i s o nt h e p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e m i s p e r f o r m e db y s i m u l a t i o na n di t g e t s s o m e v a l u a b l er e s u l t s t h e p e r f o r m a n c e o ft w od i m e n s i o no c d m a s y s t e m c o n s i d e r i n gr e c e i v e r n o i s e si s a n a l y z e d a n dr e s u l t si s g o t t e n f o rt h ef i r s t t i m e t w ot y p i c a ls y s t e mo ft w od i m e n s i o no c d m a s y s t e m sa r ec o m p a r e db y i i j 电子科技大学硕士学位论文 s i m u l a t i o n a tl a s t ，s u g g e s t i o no fi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft w od i m e n s i o n o c d m a s y s t e mi ss u m m a r i z e d o nt h ed e m a n do ft h em u l t i r a t et r a n s m i s s i o nj n0 c d m an e t w o r k ，w e a d v a n c eam u l t i r a t et w od i m e n s i o no c d m a s y s t e mu s i n gp a r a l l e ds t r u c t u r e i nt h ef o r t h s e c t i o n b ya n a l y s e a n d s i m u l a t i o n ，w o c a ns e et h e s y e t e m o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo ft r a n d i t i o n a io c d m a s y s t e ma n da l lt h eu s e r s u s et h es a m ee n c o d e r sa n dd e c o d e r s ，s oi ts i m p l i f i e dt h ei m p l e m e n to f s y s t e m t h es u m m a r i z a t i o no fa l lt h ep a p e ri sg o ti nt h el a s ts e c t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a l c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ，r e c e r v e rn o i s e ，t i m e s p r e a d i n g w a v e l e n g t hh o p p i n gc o d e ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，m u l t i r a t e o c d m a 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：噬盆 日期：如箩年箩月乃日 关于论文使用授权的说明 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：魅丝导师签名：垣型k 日期：年月日 皇! 型苎奎兰堡圭兰堕笙苎一一 第一章绪论 1 1概述 光纤通信技术是随着人们对信息量需求的不断增长而飞速发展起来 的，特别是近年来各种宽带的新型信息业务大量涌现，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业务，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。光纤这种传输媒质在实 际应用中几乎可以为人们提供无限的带宽。在1 3 0 0 n m 和1 5 0 0 n m 两个窗 口，各约有1 0 0 n m 的平坦带宽，而实际中这超过3 0 t b s 的巨大带宽留有 很大的潜在资源有待人们去开发。9 0 年代以来，为了提高通信系统的性 价比和经济有效性，满足不断增长的电信和i n t e r n e t 业务的需求，如何充 分利用这一庞大的潜在带宽资源成为光纤通信技术发展的关键问题。 为了进一步挖掘光纤的带宽资源，出现了光学多路复用技术，主要有 光波分复用( w d m ) 、光时分复用( o t d m ) 和光码分复用( o c d m a ) 。 以及近年来出现的混合w d m o t d m 、w d m o c d m a 系统。 光时分复用( o t d m ，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 ) 是将调制后的光 信号在时间上多路复用后输入光纤传输，在接收端实现光信号的解复用。 o t d m 关键技术包括高重复率超短光脉冲源、超短光脉冲传输技术、时 钟恢复技术、时分复用信号处理和色散管理传输技术。由于应用于 o t d m 的光器件价格较高，系统复杂度高等原因，o t d m 技术仍很不成 熟，但是o t d m 所具有的优势，如组网灵活、单波长传输可以克服 w d m 系统中的四波混频等，使得o t d m 仍成为光纤通信系统研究的热 点，是未来高速、大容量光纤通信系统的方案之一。 在w d m 技术中，每一个信道采用不同的光波长在同一根光纤中同时 传输。不同的信道可以根据需要传输不同的速率和数据格式。随着掺铒光 纤放大器的广泛应用，以及大范围可调谐光源等技术的成熟，w d m 技术 从实验室走向了商用化，已被广泛应用于世界各国的干线传输和城域网扩 容。w d m 可以细分为：w w d m ( w i d e w d m ) ，通道间隔大于或等于 2 5 r i m ) ，m w d m ( m i d w d m ，通道闯隔大于3 2 r i m ，小于2 5 n m ) ，d w d m 电子科技大学硕士学位论文 f d e n s e - w d m ，通道间隔小于等于3 2 r i m ) 。通道可以是等间隔的，也可以是 非等间隔的，采用非等间隔是为了减少光纤中f w m ( 四波混频) 的影响。 波分复用技术要求光载波要有精确的波长控制，接收端要有精确调谐的光 滤波器，才能避免干扰，准确接收。在波分复用技术中，波道数不能太 多。目前投入商用的波分复用是4 0 波道( 4 0 2 5 g b i t s ) ，研究到达的水平 为2 7 3 x 4 0 g b i t s 。 码分多址( c d m a ) 技术是一种扩频通信技术，该技术具有极佳的保 密性能。c d m a 以扩频通信为基础。山农在信息论中提出：在保持信息传 输速率不变的前提下，提高信息的带宽则可以降低信噪比。由此可知，我们 把一个数字信号扩展成一个频谱无限宽的窄脉冲序列，将大大提高信号的 抗干扰能力。光码分多址( o c d m a ，o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 是近年来兴起的另一种充分利用现有光纤带宽的复用技术。在o c d m a 系统中，用户被预先分配一个特定的地址码，各路信号在光域上进行编 解码来实现信号的复用，所有用户同时占有整个带宽，在时间和频率上重 叠，利用地址码在光域内的正交性来实现彼此的区分。它是将码分多址通 信和光纤通信相结合的一种新型通信方式，该方式结合了两种通信技术的 特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景。而且具有良好相关特性的 扩频序列标识用户，可以同步或异步地将多个接入用户复用到相同的频带 和时隙上，实现多个用户共享同一光纤信道和提高系统的容量，是种全 新的频率资源利用思路。 虽然w d m 、o t d m 和o c d m a 技术是实现高速、大容量光纤通信系 统的不同技术方案，有各自的优缺点，但它们之间并不相互排斥。在建设 下一代全光网上，每一种技术都可以构筑大容量的光纤通信系统，但都存 在不足，因此近年来这三种技术互补共同构筑大容量的光纤通信系统成为 一种趋势。例如，w d m 和o t d m 结合可以降低单信道o t d m 的速率， 从而减少超短光脉冲传输和色散管理的难度，同时可以降低w d m 信道之 间的非线性串扰，另一方面，在o t d m 信道或者w d m 波长上附加简单 的伪随机序列，可以使得路由技术更具有灵活性，大大简化全光网的复杂 性。目前，混合w d m o t d m 5 】、w d m o c d m a | 6 1 的系统均已实现超过 t b s 的传输容量。 2 电子科技大学硕士学位论文 1 2 光码分多址技术基本原理 光码分复用的思想来源于无线的码分复用技术，下表为二者的比较： 表1 1无线c d m a 技术与o c d m a 技术的比较 无线c d m a o c d m a 载波微波波段 光波 容量干扰受限干扰受限 干扰抑制天线设计、功率控制光限幅器、多用户检测 传输问题等损耗、远近、多径干扰色散、非线性等 光码分多址系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开关、可调 光c d m a 编码器、光星型耦合器、可调光c d m a 解码器、光电探测器、 电阈值检测器等组成。 0 c d b l a 典型系统框图如图1 - i 所示： 丽 光 耦 a 日 嚣 鲨茎璺h 耋i h 慧hi m a 解码_ 1 探测r 1 主卜1 丞 可调光il 光电li 电阐 ) m a 解码r 1 探测r _ 1 值器 d 硼m a ：码h 秦；h ：陲解码jl 探测ll 值器l 匝 图卜1 光码分多址系统组成框图 在系统的发送端，用户信息比特流( 电信号) 通过控制光开关的状 态( 交叉态和直通态) ，从而进一步控制超短脉冲激光源，当用户信息比 特为“1 ”时，光开光置于直通态，激光源发射的光脉冲通过光开关进入 可调光c d m a 编码器，信息比特为“0 ”时，光开关置于交叉态，激光源 发射的光脉冲不能通过光开关进入可调光c d m a 编码器，不进行编码， 经可调光c d m a 编码器后，产生载有用户信息特征的扩频序列，即信息 比特为“1 ”时，光编码器输出一个光脉冲序列，信息比特“0 ”时，光编 码器输出一个全零序列。携带用户信息特征的光脉冲序列进入星型光耦合 器，劳经光纤信道传输到达接收端，然后均匀地分配给每一个接收机，通 墨噩蒸 一函磊 皇三翌至盔兰塑主兰篁笙茎一 过接收端的光解码器，完成接收到的信号与接收端扩频序列问的相关运 算，输出一个自相关峰，经光电探测器转换为电信号，最后通过电闽值检 测器，恢复出发送端用户的信息比特。 从图中可以看出，与w d m 和o t d m 技术相比，0 c d m a 的不同在于 发送端和接收端光编解码器的加入。由于o c d m a 技术中编解码方式多 种多样，基于不同光编解码器结构的o c d m a 系统原理也不尽相同，但 它们对伪随机地址码序列的要求必须满足以下几点： f 皂相关峰值越大越好， i # 1 f 自相关旁瓣值薯墨+ ，( 歹o ) 越小越 i = l 好； f 互相关峰值t 咒越小越好。 垆i 其中x 和y 为码序列中任意两个码字，f 为码长，下标i 和j 则表示 时间位移。般自相关峰值至少能达到码重的大小，而自相关旁瓣值和互 相关峰值由于采用的码序列不同而不同。通过设计适用于光域的码序列， 如光正交码( o o c ，o p t i c a lo r t h o g o n a lc o d e ) 3 0 i ，素数码【1 7 1 、准素数码 f 3 、2 8 素数码f 3 引、全等码、平方同余码f 3 卦、扩展平方同余码等，自相关 旁瓣值和互相关峰值可以达到最小值“1 ”，此处“1 ”为归一化的光脉冲 能量。 1 3 光码分多址关键技术 由于0 c d m a 技术采用很多新的理论，光学信号处理技术也远未成熟， 所以有很多问题需要解决，归纳起来，o c d m a 发展过程中的关键技术 有以下几方面： 1 3 1 光地址码理论 由于o c d m a 技术的特殊性，传统的用于无线c d m a 的m 序列、 g o l d 码等不适用于o c d m a 领域，因此必须研究新的光地址码。好的光 地址码应具有高的自相关主峰、低的自相关侧峰和低的互相关输出峰值。 较小的互相关输出峰值和自相关侧峰可以保证系统为更多的用户同时提供 电子科拄大学硕士学位论文 接入服务和每个用户拥有更大的接入速率，较大的码字空间可以保证系统 拥有较大的容量。码字对光编解码器的结构和性能也有很大影响，并直 接影响系统的复杂性、灵活性和成本。光地址码的主要参数有码长、码 重、自相关限、互相关限等。另外码集的构造复杂性也是较重要的评价因 素。 典型的码源有素数码及其改进码、光正交码。素数码构造算法简单， 但其自相关旁瓣值和互相关峰值较大，码字个数较少。由于其较大的自相 关旁瓣值不利于实现同步，所以只适合异步o c d m a 系统。改进的素数 码由素数码循环移位获得，用于同步o c d m a 系统，其同步输出取样的 自相关输出和互相关输出均为】，所以输出信噪比较高，面且码字个数大 大增加。光正交码是一种性能优异的光地址码，其互相关输出峰值和自相 关侧峰均为1 ，相关输出的信嗓比较高，既适合同步o c d m a 系统，也 适合异步o c d m a 系统，而且其较小的异相自相关输出有利于实现同 步。光正交码的缺点是在码字空间较小，系统容量不大，而且其构造算法 较复杂。光正交码可以用于直接扩频系统，也可以用于跳频o c d m a 系 统。针对不同的系统研究更好的光地址码仍是一个重要的研究领域。 另外，双极性o c d m a 系统由于采用双极性编码技术，可以完全采 用无线c d m a 技术中常用的g o l d 、w a l s h 等码集。 1 3 2 光编解码器技术 光编解码器是o c d m a 系统的核心部件，在发送端光编码器将数据 比特映射成扩频序列，在接收端光解码器利用相关解码原理将扩频序列恢 复为数据比特。光编解码器的结构和特性直接影响着系统的功率损耗、 用户规模、误码率、成本以及整个系统的灵活性。 在现有的光码分多址编解码器方案中，一般采用基于光纤延迟线的并 行结构编解码器和梯形编解码器，分别如图卜2 、图卜3 所示。 在并行结构编码器中，输入光脉冲由光分路器分成路( 为码重) ， 每一路光纤延迟线的长度各不相同，然后经光合路器后形成编码的光脉冲 序列，光解码器的结构与光编码器的结构对称设计。利用可调光纤延迟线 电子科技大学硕士学位论文 图1 2 ：并联光纤延迟线编码器图1 3 ：梯形网络 和延迟控制器可以实现任意寻址。梯形结构光编解码器由光纤延迟线和 耦合器按梯形构成，可以将一个脉冲扩频成一个脉冲序列。梯形光解码器 的延迟线设计与光编码器对称。梯形光编解码器具有结构简单、功率损 耗小等优点，适用于时域扩频o c d m a 系统。利用光开关代替其中的光耦 合器，可以实现灵活寻址。 另外，还有基于频域编码的编解码器、跳频o c d m a 编解码器和 相干o c d m a 解码器等很多方案，但设计性能更好、更实用的编解码器 仍是一个重要研究方向。 对o c d m a 系统来讲，多用户干扰( m a i ) 是系统的主要误码源，在解 码嚣中采用平衡接收可以有效抑制m a i 。另外采用同步方案，系统的抗 m a i 性能较异步方案有较大提高。另一个提高系统误码性能的方法是在 电域对数据采用前向纠错码( f e c ) 进行编码，理论分析表明，采用f e c 编 码可以有效降低系统误码率。 另一个提高光解码器抗v i a l 能力和输出信嗓比的有效方法是采用双 光硬限幅器，即在光相关器前后各放个光硬限幅器( 双稳态阈值器件) ， 可以有效提高光解码器的解码性能。但目前这种器件还不实用。 1 3 ，3 超短脉冲光源技术 光源发出的光脉冲宽度直接影响到系统所能达到的通信速率和误码率， 所以研究如何形成超短脉冲成为一个重要的问题。一般来讲，o c d m a 系 统要求光源发出的光脉冲尽可能窄，占空比很小( 反比于扩频系数) ，单位脉 冲能量尽可能大。对于数据速率与扩频系数之积小于1 0 g h z 的系统，现 有通信系统中使用的高速激光爨可以满足要求，但对于数据速率与扩频系 6 电子科技大学硕士学位论文 数之积大于1 0 g h z 的系统，需研制超短脉冲光源。目前比较典型的超短 脉冲形成方法有锁模法、增益开关法、电吸收连续光选通调制法及正色散 光纤压缩法等，其中增益开关法是比较理想的超短脉冲光源，如何抑制相邻 光脉冲间的相干性和降低占空比还有待研究。 1 3 4 光功率控制技术 o c d m a 系统与无线c d m a 系统有着类似的功率控制问题。各用户 有着不同接入距离和不同发射功率，在多个用户同时接入的情况下，相对 功率较强( 对接收方) 的光脉冲序列将对较弱的光脉冲序列产生严重的码 间干扰，所以功率控制问题显得更加突出。可以采用类似无线c d m a 系 统的反向链路开环和闭环功率控制措施。 1 3 5 光学逻辑运算技术 全光学的“a n d ”，“o r ”，“x o r ”等逻辑运算和光存储对于 o c d m a 编码和解码过程都是关键性技术，这些技术的成熟将极大地促 进o c d m a 的进一步发展。 1 3 6 码字同步技术 对同步o c d m a 系统来讲，码字同步是一个关键性的技术。由于绝 大多数o c d m a 系统接收机都是基于非相干光的匹配滤波原理，另外光存 储和光逻辑运算等技术还不成熟，所以匹配滤波法和突发同步法比较适合 o c d m a 系统的同步捕获，o c d m a 系统同步后的相位跟踪采用非相干跟 踪方法比较适合。具体的同步实现技术还需进一步研究。 1 3 7 光码分复用网络结构和通信协议 o c d m a 技术对传输介质来说，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，o c d m a 系统是一种干扰受限系统，当同时接入的用户 数较少时，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 7 电子科技大学硕士学位论文 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，超过一定闽值时，系统性能下降，误码率增大，可以说这时发生了 冲突。因此，o c d m a 技术在网络的构建和通信协议上有自己的不同之 处。 目前o c d m a 还处在不成熟阶段，人们的研究重点在于物理层各种问 题的解决上，如编解码器的实现、对多用户干扰的抑制等，对o c d m a 网络结构和通信协议的研究还很不成熟。但是o c d m a 技术在构建全光 网络上的优点还是引起了人们极大的研究兴趣，例如o c d m a 技术同其 他复用方式结合的混合网络研究。 1 4 光码分多址编解码结构方案 o c d m a 编解码结构的实现方法，归纳起来可分为时间域、频率域 和空间域等几种。在时间域寻址方式中又可分为相干和非相干两种，在 时间寻址方式中，数据是以一个在时间上连续的高速脉冲序列的形式传 输的，编解码也是在时间域上进行的。频率域寻址方式中，数据是以光 谱编码的形式传输的，解码也是光谱的匹配过程。 评价o c d m a 编解码器的主要考虑是：所采用光扩频码的特性、系 统性能边界( 误码率) 、系统所能允许的最大用户数、硬件成本及技术可 行性等。光码分多址系统的评价标准包括采用的码型、处理数据的速 度、实现的难度和网络用户数等，使光码分多址系统的实用非常重要。 下面对o c d m a 系统的几种典型方案和光编解码器给予一定介绍： 1 4 1 非相干时域系统【4 9 1 非相关时域系统采用直接检测法，在接收端使用平方率检测光信 号，信号是功率叠加而不是振幅叠加。系统结构包括并行光纤延迟线、 梯形网络和可调谐延迟线，采用单极性码。图1 - 2 为并行光纤延迟线构 成的编码器，1 m 分光器将输入超短光脉冲分成m 份，脉冲输入到一列 并彳亍光纤延迟线中，经过不同延迟后，在台光器中相互叠加重新构成编 码序列，由于是非相干光脉冲，叠加的结果是光强相加，所以形成一个 近似于6 函数的光脉冲序列。为了发送给不同用户，设计了码字选择开 电子科技大学硕士学位论文 关。译码器与编码器结构相同，且对光脉冲的响应函数也相同。译码器 中也包括一列并行光纤延迟线，其长度对应编码序列中“1 ”的位置。在 光纤延迟线中，编码序列经过再延迟合再组合，构成译码信号，输出到 阙值器件，判决输出。 这种非相干o c d m a 的编解码器的光纤延迟线网络易于实现，延时 精度容易控制，编解码器结构相同，但是也存在一系列的技术困难：( 1 ) 光功率预算，忽略光纤衰减、星形耦合器分路损耗和插入损耗，解码后的 自相关输出功率仅为编码器输入脉冲功率的k m 2 ，k 为码重，同时解码器 输出的旁瓣分布了总能量的( k m 2 一1 ) ( k 朋2 ) ，使得信嗓比降低，劣化 了系统性能；( 2 ) 寻址问题，固定的光纤延迟线网络无法更改地址杩，使 用光开关虽然可以达到自由寻址的目的，但成本过高，需1 ：m 、m ：1 耦合器、m 个光开关和m 个延迟线，所以这种光纤延迟线网络的编解码 器结构适合光接入网，不太适合l a n ；( 3 ) 需要较多硬件。 为了克服该方案的上述缺点，可采用梯形网络，如图1 - 3 所示。网络 由n 对光纤串接，包括n + 1 个3 d b 耦合器。在每个耦合器中，信号非相 干迭加。每臂上的延迟线反映了码中“l ”的位置。每个脉冲通过网络 后，产生2 “个脉冲。基于梯形网络结构的可调光延迟线方案，其耦合器 被2 2 可调光开关取代，采用素数码、扩展二次全等码或区组复用码。 它的主要优点是由于采用光电开关，整个传输结构可以编程控制，能产生 各种区组码。 为了实现非相干编译码器，必须考虑：( 1 ) 码长问题。为了能提供尽 可能多的用户数，码字必须长，以致光脉冲非常短，通常小于1 0 p s 。理 论上，全光非相干码分多址系统可在使用光阈值器件检测自相关峰值的同 时，展宽脉冲，从码片宽度t 。还原到数据宽度t ，但很难实现。脉宽很 窄的光脉冲经过分光和延迟，再复合将会与自身相干涉，带来干涉噪声； ( 2 ) 网络的性能受到网络中其他用户串扰的影响：( 3 ) 由于使用平方率 检波，会产生严重的混频嗓声，即光拍频嗓声。 1 4 2 相干时域系统n 6 】 相干时域系统利用光的相干特性，对光的相位编码，接收端检测光的 电子科技大学硕士学位论文 相位。其优点是系统容量大，可以使用已有的双极性码。 相干o c d m a 系统中，编解码器也采用梯形网络结构，只是对其光 学参量控制的要求较高：光源单色性好，波长稳定；延迟线延迟精确：有 相位控制措施。光编解码器结构上严格对称，编码器将一个超短光脉冲编 码成一个带有各自相位信息的脉冲序列，经过光纤传输后，解码器将各脉 冲象非相干梯形网络一样进行解码，输出的重叠脉冲之间发生相干，自相 关的主峰为几个相同脉冲的振幅相加，而旁瓣则是几个反向脉冲的振幅相 消，为0 ，互相关( 多用户干扰) 的输出也极小，信噪比大大提高。在相 干o c d m a 中，能量损失极少，可达1 2 ；一条通信链路需要两根光纤， 但光编解码器均为两输入、两输出，因此可同时供两个用l 户使用，容量并 没有下降；利用一根光纤也可实现编解码，主要是主峰能量较少一半，侧 峰有一定输出；另外可以利用根光纤的两个偏振态分别作为一个信道传 输，节约了成本，同时克服了两根光纤内光信号的相位扰动；编解码器中 的延迟量较小，可利用集成光学技术制造，若技术成熟，体积和成本可大 幅下降。 图卜4 相干0 c o m a 豹梯形光网络 由于光相干编译码采用相干复用方法，可利用m a c h z e h n d e r 干涉系 统构成的相干梯形网络，如图1 4 所示。在系统中，一臂为已编码的信 号，调制干涉仪中的光波相位，另一臂非调制参考信号。两束光与其他用 户的类似信号相干复用。在接收端，匹配干涉仪的一臂也带有相位调制 器，通过与发送端同步的相位调制，将被编码的数据译码。平衡式接收电 路检测光信号，如果为匹配信号，采用相关检测方式，输出信号大：反 之，则采用强度检测方式，输出信号小，类似噪声。 图1 5 串连m z i 网络 宅子科技大学硕士学位论文 与非相干系统相比，相干系统容许更短的序列长度，在不同的相干信 道可使用同一码字，以增加用户数。此外，编码还可为系统提供很好的保 密性能。 相干编码系统可使用双极性码，提供的用户数多，传送数据速率高， 信噪比高，误码率低。但要求系统能控制和稳定光脉冲的相位，传输时， 要求光脉冲保持偏振不变。另外，光源的相干时间也很重要，要求延迟时 间小于相干时间。设光源谱最大半宽度( f w h m ) 为2 n m ，对应于相干时 间为3 9 9 p s ，这要求编译码之间的延迟小于7 9 8 9 m ( 在单模光纤中) ，这 个精度目前实现很困难。由于这些原因，光码分多址的研究主要集中在非 相干系统。然面随着光源等光器件研究的进展，相干光码分多将成为研究 热点。 1 4 3 频域扩谱编码和译码系统n “5 叫 上述讨论方案都是在时域内编码，相当于对脉冲位置进行调制，它要 求非常窄的光脉冲及精确的延迟。为了克服这些困难，在频域内对载波光 波的频谱进行编码，称为扩谱编码，如图1 6 所示。其基本思想是使用 f o u r i e r 频谱变化方法，采用衍射光栅对表示源数据“1 ”，周期为t 。的光 脉冲的频谱进行分解，然后通过相位模板或振幅模板，使光谱中不同的频 谱成分产生特定的相移或振幅衰减，即对频谱编码，再将光脉冲整形，成 为低强度伪噪声突发信号。模板位于透镜一的焦点上使光谱成分有最大的 分隔。透镜1 与透镜2 共焦，使光束准直。第二个光栅将已编码的光谱成 分重新组合，编码后的脉冲形状取决于模板的选择通常比入射脉冲宽，采 用伪随机模板，可使输出的脉冲形状为低强度伪随机信号。 图卜6 采用相幅掩膜的光谱编码 在接收端，通过扩谱相关过程将接收信号还原。译码器结构与编码器 一致，只是模板为其复共轭模板，将扩谱编码信号中的特定相移或振幅还 电子科技大学硕士学位论文 原，得到译码后的还原脉冲。若译码器与编码器不匹配，译码器的输出仍 为低强度伪随机突发信号。 为了适应不同的接收机，相位或振幅模板采用可编程空间光调制器 ( s l m ) ，编程控制模板的相位或振幅分布形式。也可使用柱面透镜和二 维模板，一维用于频域，另一维用于预置尽可能多的地址序列，移动模板 选择码序列。扩谱编码不需要特殊编码，可使用双极性码、g o l d 码或 h a r d m a r d 码，扩谱宽度不依赖于调制信号，接收的扩展增益也不依赖数 据速率。从理论上讲，扩谱系统可进行完全正交的数据传送，因而可提供 任意数据速率( 但实际上，数据率仍受色散和多源干扰限制) 。最新实验 捌道，光源为掺铒环形光纤激光器，波长为1 5 5 “m ，脉冲宽度为6 5 f s ， 数据率为3 0 m b s ，采用液晶1 2 8 元可编程相位模板，传送距离2 5 k m 。 1 4 4 跳频光码分多址系统。钔 在时域编码系统中，提高速率就意味着减少码片的时间宽度。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，通常也称为跳频码。采用跳频码进行工作的系统称 为跳频光码分多址系统( f h o c d m a ) 。目前最常见的跳频系统的编解码 器是基于多波长光纤光纤光栅( f b g ) 。多波长光纤光栅就是用光栅写入技 术( 例如掩模板法) 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。图1 7 是采用多波长光纤光栅的 图1 7 采用多波长光纤光栅的跳频系统编码过程 跳频码分多址系统的编码过程示意图“。宽带光源经过数据信号调制 后，耦合进入光学编码器一多波长光纤光栅。宽带光脉冲遇到光栅后，相 电子科技大学硕士学位论文 应的频率分量被反射回来，剩下的频率分量继续向前传播，直到被另一个 光栅反射回来。被反射回来的光脉冲具有不n 的频率分量，并且在时域上 有一定的间踽。码片与相邻光栅之间的距离t 关系可以由下式表示： t c = 2 n g l 。c ( 1 4 1 ) 式中，为码片时问，聆。为光栅中的有效群速度指数，c 为真空中的光 速。一个大的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，这个过程就是o c d m a 的跳频编码。 图1 8 是采用多波长光纤光栅的跳频系统系统的解码过程。需要注 意的是，相互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。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 起反射谱( 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。 图1 8 采用多波长光纤光栅的跳频系统的解码过程 跳频编码系统是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，克服了扩时系统众码片比较窄的不足和频域编码系统 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，目前很少 有其它形式的编解码器可以做到这一点，等到将来技术成熟之后，这种编 解码器还可以实现光学集成，则大大减低成本。 1 4 5 空间二维o c d m a 系统阻3 以上介绍的都是比较常见的系统，日本邮电省通信研究室提出了- - g e e 光学空间码分多址( o p t i c a ls p a c e c d m a ) 的系统。它采用空间并行传输方 式，可以同时传送一帧数据信号或一幅图像信号。它的传输介质不是普通 电子科技大学硕士学位论文 的光纤，而是一种由许多光纤捆绑起来的一束光纤，称为图像光纤( i m a g e f i b e r ) 。图l 一9 是图像光纤的横截面示意图。这个系统的编码方式也很 独特，它在空间二维上进行编码，称为光学正交图像编码方式( o p t i c a l o r t h o g o n a s i g n a t u r ep a t t e r n ，o o s p ) 。 图i 一9 图像光纤横截面示意图 图1 1 0 空间二维o c d m a 系统示意图 在图l i 0 中，图案o o s p # l 是用户1 的地址码，图案o o s p # 2 是用 户2 的地址码，象素点数目都为8 x 8 ，其中黑白两色的小方格分别代表逻 辑“0 ”或“l ”，s l m 是空间光学编码器，通常是采用液晶技术制成通过 电子科技大学硕士学位论文 电压的变化，可以任意更换地址码。对于图1 一1 0 所示的系统，接收端闽 值应该设在1 6 3 2 之间，通常情况下，最佳阈值应为2 4 。 空间二维编码系统具有很高的传输效率，但是由于它使用了特殊的 图像光纤，无法与现存的光纤通信网络兼容，所以只能用在某些特定的场 合中( 例如并行计算机网络) 。 1 5 光码分多址技术发展历史、研究现状以及发展趋势 在系统设计方面，从8 0 年代末、9 0 年代初开始有人研究相干 o c d m a 系统，但是，因为相干o c d m a 具有系统结构复杂、对器件要 i 求高、实现难度大、成本高等缺点，就目前的硬件水平，相干o c d m a 还难以实现。所以，近年来，国外对非相干o c d m 技术的研究开始活 跃。在o c d m 技术发展的十多年中，已经由开始的概念提出，地址码构 造理论，系统