（通信与信息系统专业论文）光码分多址系统中多址干扰消除的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 光码分多址( o c d m a ) 技术以其抗干扰性强、保密性好、充分利用光纤带 宽、容量大等优点，成为当前局域网和光接入网研究的热点之一。由于o c d m a 系统采用的地址码不完全正交，因此多址干扰比较严重。为了有效抑制多址干 扰，本文采用并行干扰消除检测和解相关检测来改善系统性能。 针对一维o c d m a 系统的多址干扰，采用并行干扰消除( p i c ) 技术，详 细推导了采用p i c 接收机的系统误码率，比较分析了采用p i c 接收机和相关接 收机的系统性能。为了进一步改善系统误码性能，提出改进的p i c 和加光硬限 幅器的p i c 接收机结构，推导了系统误码率的表达式，仿真分析了系统误码性 能，给出了不同接收机结构下，系统满足b e r 1 0 - 9 所需的最小o o c 码长与码 重的变化关系。 针对二维o c d m a 系统的多址干扰，采用解相关检测来提高系统性能。考 虑多址干扰，光电探测器的暗电流噪声和光直接检测过程的泊松分布特性，采 用最大后验判决规则，推导了采用解相关检测的二维o c d m a 系统的误码率表 达式，仿真分析了系统容量和误码性能。为了进一步降低系统误码率和增大系 统容量，提出采用并行结构和解相关检测相结合的并行解相关接收机来检测信 号。 结果表明：采用p i c 接收机、改进的p i c 接收机和加硬限幅器的p i c 接收 机能有效抑制一维o c d m a 系统的多址干扰，大大降低系统误码率，增加系统 容量；解相关检测和并行解相关检测也能有效减少多址干扰对二维o c d m a 系 统性能的影响。这是因为并行干扰消除检测和解相关检测利用了造成多址干扰 的所有非目标用户的信息对目标用户的信号进行检测。 关键词：光码分多址( o c d m a ) ；多址干扰；多用户检测；光硬限幅器( o h l ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sas c h e m eo fm u l t i p l ea c c e s s ，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 ( o c d m a ) t e c h n i q u eh a sb e c o m eah o tt o p i cf o rl o c a la r e aa n do p t i c a la c c e s sn e t w o r kf o r e x c e l l e n ta n t i i n t e r f e r e n c e ，h i g i ls e c u r i t y , l a r g ec a p a c i t ya n df u l l ym a k i n gu s eo f b a n d w i d t hi no p t i c a lf i b e r s s i n c eu n i p o l a rc o d es e q u e n c e sa r en o tc o m p l e t e l y o r t h o g o n a l ，o c d m as y s t e m ss u f f e rf r o mm 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 r ) w h i c h r e s u l t si nd e t e r i o r a t i o ni nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t or e d u c et h ei m p a c to fm a io n o c d m a s y s t e m se f f i c i e n t l y , t h et h e s i si n v e s t i g a t et w om e t h o d s ，p a r a l l e li n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o na n dd e c o r r e l a t i n gd e t e c t i o n t or e d u c et h ee f f e c to fm a io no n e d i m e n s i o n a lo c d m a s y s t e m s p a r a l l e l i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o nt e c h n i q u ei s a d o p t e d t h e b i te r r o rr a t ei s d e v e l o p e d d e t a i l e d l y t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n di sc o m p a r e dw i t ht h a to f c o r r e l a t i o nr e c e i v e r t h em o d i f i e dp i cr e c e i v e ra n dt h ep i cr e c e i v e rw i t ho p t i c a l h a r dl i m i t e ra l ep r o p o s e dt oe l i m i n a t em a im o r ee f f e c t i v e l y t h eb i te r r o rr a t ei s d e r i v e da n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h em i n i m a lc o d el e n g t hw i t h d i f f e r e n tk i n d so fr e c e i v e r su n d e rb e r _ 10 母a r ec o m p a r e d t or e d u c et h ee f f e c to fm a io nt w o - d i m e n s i o n a lo c d m as y s t e m s ， d e c o r r e l a t i n gd e t e c t i o ni sa d o p t e d t a k i n gi na c c o u n tt h ee f f e c to fm a i ，t h ed a r k c u r r e n t ，a n dt h ep o i s s o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i c a ld i r e c td e t e c t i o np r o c e s s ，t h eb i t e r r o rr a t eo ft w o - d i m e n s i o n a lo c d m as y s t e m sw i t hd e c o r r l e a t i n gr e c e i v e r si s d e r i v e db y a d o p t i n g t h em a x i m u mp o s t e r i o f i p r o b a b i l i t yr u l e t h es y s t e m p e r f o r m a n c ei sa n a l y z e dd e t a i l e d l y t or e d u c em a jm o r ee f f i c i e n t l y , t h ep a r a l l e l d e c o r r e l a i n gr e c e i v e ri sp r o p o s e d i ti ss h o w nt h a t ：i no n e d i m e n s i o n a lo c d m a s y s t e m s ，t h ep i cr e c e i v e r , t h e m o d i f i e dp i cr e c e i v e ra n dt h ep i cr e c e i v e rw i t ha n o p t i c a l h a r dl i m i t e rc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ei m p a c to fm a i ，l o w e rt h eb i te r r o rr a t ea n de n h a n c es y s t e m c a p a c i t y ；t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o - d i m e n s i o n a l0 c d m as y s t e mc a na l s ob e g r e a t l yi m p r o v e db ya d o p t i n g t h e d e c o r r e l a t i n g d e t e c t i o na n dt h e p a r a l l e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 d e c o r r e l a t i n gd e t e c t i o n t h i si sb e c a u s et h ep a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o na n dt h e d e c o r r e l a t i n gd e t e c t i o nr e c o v e rd a t as i g n a l so ft h ed e s i r e du s e rb ym a k i n gu s eo f i n f o r m a t i o na b o u tu n d e s i r e du s e r sw h i c hc a u s ei n t e r f e r e n c eo nt h ed e s i r e du s e r k e yw 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 ea c c e s s ( o c d m a ) ；m u l t i p l ea c c e s s i n t e r f e r e n c e ( m a l ) ；m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；o p t i c a lh a r dl i m i t e r ( o h l ) 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密占”，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：弋钦移 日期：枷碍啄 指导老师签名： 日期：山力萝匆 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对一维o c d m a 系统的多址干扰，提出改进的p i c 和加光硬限幅器的p i c 接收机结构来提高系统性能。 针对二维o c d m a 系统的多址干扰，提出采用并行结构和解相关检测相结 合的并行解相关接收机束改善系统性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 上个世纪后期，电信技术的蓬勃发展最终使人类跨入了信息时代。信息技 术是当今世界应用范围最广、前景最为广阔的一门科学技术，正在并将继续深 刻地改变人们的生活方式，成为2 1 世纪世界第一大产业已勿庸置疑。作为信息 技术支柱之一的光纤通信技术的地位也空前地提高，在新的世纪里必将被赋予 更大的历史使命和焕发出更加强大的生命力。 随着对信息需求的不断增长，人们对通信事业也提出了更高的要求，尤其是 近年来各种宽带的新型信息业务大量涌现，如视频电话、高清晰度图像传输和 视频远程会议的多媒体信息服务技术，这些业务需要更大的带宽资源和传输速 率。为更好地适应这一要求，光纤通信技术在近年来得到了长足的发展，研究 者们为了更进一步的提高光纤利用率，挖掘出更大的带宽资源，参考电域比较 成熟的电复用技术，提出了光域的许多复用技术，如波分复用、频分复用、时 分复用、副载波复用和码分复用等，其中认为最具潜力的是波分复用( w d m ) 、 光时分复用( o t d m ) 和光码分复用( o c d m a ) 。 8 0 年代，w d m 技术的出现，将光通信技术推向了一个新的时代，w d m 技术已经在光通信网络得到了最为广泛的应用，也是目前唯一成熟且付诸实施 的超大容量光传输技术。w d m 技术中，每个信道采用不同的光波长并在同一 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形式。 w d m 光传输网具有透明性、可重组性和网络可生成性，未来的w d m 光网络 将向着基于波长选路和波长交换的高度灵活性的光网络方向发展，它将采用可 编程的o a d m 和o x c 等设备进行波长级处理，动态分配波长，并具有快速的 网络恢复及重组能力。但w d m 系统波长数有限，且随着波长数的增加，波长 间隔就变的愈来愈窄，光纤中的非线性效应也就越来越大，对光源和元器件就 会提出更高的要求，这无疑会大大的增加系统的成本。目前w d m 技术面临 e d f a 有限带宽和最小信道间隔对w d m 信道数的限制l ij ，四波混频( f w m ) 和交叉相位调制( x p m ) 等色散和非线性效应对系统的影响【2 】【引，高速传输中出 现的偏振模色散( p m d ) 和采用r a m a n 放大器带来的噪声积累等【4 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 o t d m 也是一种很有效的复用方式，它是将调制后的光信号在时间上多路 复用后输入光纤信道的，在接收端实现光信号的解复用。o t d m 通信系统可以 提高单一波长信道的传输速率，如目前o t d m 系统实验传输可达1 2 8 t b s ，避 免了w d m 技术中存在的一些限制，如f w m 效应和拉曼散射等，但需要严格 的色散管理、时钟同步和超短脉冲激光器，且地址分配不灵活和很大的时间带 宽乘积等【5 】。o t d m 技术的研究近年来有很大的进展，但它远没w d m 技术成 熟，一些关键技术还急待解决。 o c d m a 是将c d m a 技术与光纤通信技术相结合的一种新技术，结合了两 种通信方式的特点，具有很强的技术优势和广阔的应用前景【6 】【7 】。c d m a 技术 并不是一项新技术，作为一种多址技术方案现已经成功应用到了移动通信、卫 星通信和蜂窝通信等领域，并且显示出了很强的优势，但c d m a 技术在无线领 域中并未充分的发挥出其优势( 带宽有限) 。而光纤通信是一种具有很丰富带宽 的通信方式。1 9 7 8 年，m a r o m 等人提出了在光处理中采用光纤延迟线技术，为 o c d m a 技术的发展奠定了基础【8 l 。近年来o c d m a 技术也得到了很大的突破 和创新，在理论和实验上也取得了长足的发展。 o c d m a 技术与c d m a 技术相比，无论在适应范围、目的和实现技术上都 有很大的差别，与w d m 和o t d m 技术相比也具有显著的特点。w d m 系统是 将信道带宽以频率分割的方式分配给每个用户；o t d m 系统是将时间分割成时 间码片再分配给每个用户；o c d m a 系统是预先给每个用户分配一个特定的地 址码，各路信号是在光域上进行编解码而实现复用，所有的用户共占整个带宽， 在时间和频域上处于重叠，利用地址码在光域内的正交性彼此区别。三种不同 复用方式对信道带宽的利用方式如图1 - 1 所示。 时f 1 j a ) w d m a b ) o t i ) m o0 2 d v a 图1 - 1w d m a 、o t d m 和o c d m a 对信道带宽的分割 f i g 1 1t h ec h a n n e lb a n d w i d t h d i v i s i o no fw d m a ，t d m aa n dc d m a 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2o c d m a 的基本原理 用户1 的t 据 皿 台舍 量量 图1 - 2o c d m a 系统原理框图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo fa no c d m as y s t e m o c d m a 系统主要由用户数据源、超短脉冲激光器、光开光、o c d m a 编 码器、星型耦合器、o c d m a 解码器、光电探测器、抽样判决组成，系统原理 框图如图1 2 所示。o c d m a 技术是在电c d m a 技术基础上演变出来的，其原 理与电c d m a 有很大的类似，但也有很大的不同。两者都是首先给每个用户分 配一个地址码来标识这个用户的身份，不同的用户分配不同的地址码，且它们 相互正交或准正交。o c d m a 技术是将码分多址技术应用于光纤信道，对用户 信号采用全光处理手段，克服传统网络中的瓶颈效应。它以扩频通信为基础， 将低速率的基带用户信号变换成高速率的光脉冲序列，在宽带光纤信道中传输。 在发送端，用户信息比特流( 电信号) 通过控制光开关的状态来实现对光源的 调制。当用户信息比特为“l 时，光开关允许光源发射的光脉冲通过并进入 到o c d m a 编码器进行编码；当用户信息比特为“0 时，光脉冲不能通过光开 关进入到o c d m a 编码器，不进行编码。o c d m a 编码器输出载有用户信息的 扩频序列，即信息比特为“1 ”时，输出一个与用户地址码相应的光脉冲序列， 信息比特为“0 时，输出一个全零序列。携带用户信息的光脉冲序列进入到星 型耦合器，并经光纤信道传输并到达接收端。接收端的o c d m a 解码器用和编 码器相应的扩频序列对接收到的信号进行相关运算，经光电探测器转换为电信 号，最后通过抽样判决，恢复出原始用户信息。 从信号处理角度来讲，o c d m a 系统可分为非相干系统和相干系统。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“1 ，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 干系统容易实现，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。而相干编码系统则是利用光的相干特性，对光的相位进行编码， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接收端检测光的相位，信号是振幅叠加。由于各个用户发送端之间的延迟时间 差远大于相干时间，形成了目标接收信号的相干叠加与非目标接收信号的非相 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干扰。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。由于相干系统能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。但是相干系统要求能控制和稳定光脉冲相位，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。 按编码方式的不同，可分为时域编码系统和谱域编码系统。时域编码是将 一个数据比特的光脉冲按地址码在时域上扩展一个光脉冲序列。谱域编码则是 在频域内对载波频谱进行编码，采用衍射光栅对光脉冲频谱进行分解，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，再使光脉冲整形，成为低强度伪噪声突发信号。 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 o ，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。在二维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。 1 3o c d m a 技术的发展历史及研究现状 c d m a 技术在光纤通信中的应用的研究可以追溯到上世纪7 0 年代末。1 9 7 8 年，m a r s o m f 8 】等人首次提出在光处理中采用光纤延迟线应用o c d m a 技术中； 8 0 年代后期，美国学者s a l e h i t 弘1 0 】提出了采用光正交码的光码分多址理论和实验 方案后，全世界许多光通信领域的同行把目光投向了这个新的领域。1 9 8 3 年 d a v i e s 和s h a a r 提出了非相干o c d m a 方梨】，但时域非相干系统只能采用单 极性码，因此其性能受到单极性地址码容量小、码长较长的制约，使得系统容 量有限，传输效率低，这使得实验系统的性能不理想，特别是速率低。1 9 8 4 年， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 d a v i e s 和j a m e s 提出了时域相干o c d m a 系统方案【1 2 l 。这种实验系统需要超短 光脉冲和时间带宽积大的光源，而这是相当困难的。1 9 9 3 年，g d 衢1 1 和s a m p s o n 第一次提出了基于宽光谱连续光源的相干光谱相位编码系统【1 3 j 。同一年， k a v e h r a d 和z a c c a r i n 提出了光谱密度编码系统【l4 1 ，并提出了实现方案，该系统 属于非相干系统，因此可以直接检测。谱域编码系统可以工作在比特速率上， 提高了传输速率。 在维编解码研究的基础上，人们也开始了对多维码的研究。1 9 9 7 年， t a n c e v s k i 等提出了二维时域频域系统【1 5 l ，采用了二维的素数跳频妈。1 9 9 8 年，f a t h a l l a h 等提出了光跳频的概念【l6 1 ，并且多次用布拉格光纤光栅做编解码 器。2 0 0 1 年，成都电子科技大学提出了采用p r i m e o o c 码作为地址码的二维光 正交时域扩频频域跳频系统1 1 7 】。由于双极性码的优良性能，一些研究机构，如 大阪大学( o s a k a u n i v e r s i t y ) 和南安普顿大学( s o u t h a m p t o n u n i v e r s i t y ) ，开始 着手实现双极性码的编解码器系统，主要是利用超结构光纤光栅( s s f b g ) 来 实现。 现在国外o c d m a 研究主要趋势是高速率、集成化、可调谐和更多用户的 方向发展。一些最新研究结果有英国南安普顿大学的光电磁研究中心于2 0 0 2 年 实现了1 6 通道基于1 6 码片( 码片速率为2 0 g c l l i p s ) s s f b g 的o c d m a 系统【1 8 】。 日本国家信息和传输技术研究结构在美国召开的o f c 2 0 0 5 上展示了1 0 个用户 基于s s f b g 的异步o c d m a 系统，码片速率高达6 4 0 g c h i p s ( 码长5 1 1 ，比特 速率1 2 5 g b s ) 【1 9 1 ；加拿大的m c g r l l 大学基于对非相干o c d m a 研制成了时域 频域扩展的二维0 c d m a 编解码器件，支持传输速率1 0 g b p s ；美国加利福尼 亚大学在国防高级研究项目结构的支持下，研制了基于阵列波导光栅的单片集 成的编解码芯片，芯片大小为1 2 m m 1 4 m m ，实现可调谐的一维相位编码技术； 美国普林斯顿大学研制了用于环形网的全光分插复用单元，用户数为4 ，单用户 的比特率为2 5 g b s 。 o c d m a 国内研究水平相对要落后一些，研究机构主要有浙江大学光及电 磁波研究中心、电子科技大学、上海交通大学区域光纤通信网与新型光纤通信 系统国家重点实验室、清华大学以及深圳大学信息工程学院新技术研究中心等。 相对于w d m 的商用来说，o c d m a 的商用发展则相对缓慢一些。1 9 9 8 年， c o d e s t r e a mt e c h n o l o g i e s 公司宣布实现了o c d m a 商用产品，但3 年后该公司 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 即提出破产保护申请。2 0 0 1 年1 1 月6 日a p n 公司推出的a p n 1 0 0 8 0 c d m a 多路复用器引起轰动。该产品以o c d m a 技术为核心，支持多种速率 ( 1 0 m b s 1 0 g b s ) ，多路协议( t d m ，c e l l ，p a c k e t ) 和多种拓扑结构( n n g ，m e s h ， b u s ，t r e e ) ，并可在保持当前光网现有投资状况下，增加用户容量和网络冗余量。 这被专家们称为通信史上的一大创举，但其实用前景还需进一步考察。困扰 o c d m a 发展的主要是一些全光器件的实现问题，如用于实现地址码的编解码 器，超短时间光门限器件，超短脉冲光源等。 虽然o c d m a 目前还存在着一些问题，但是其明显的优势使人们有理由相 信它在实时、高突发、高速率和高保密性的现代通信网中具有巨大的发展潜力。 随着技术的不断发展，o c d m a 必然有美好的明天，成为下一代光网络的核心 技术，在未来超高速光传输网中得到广泛的应用。 1 4o c d m a 关键技术 1 4 1 地址码设计 不同的o c d m a 编解码方式对地址码序列的要求是不同的。谱域振幅编码 o c d m a 系统和相位编码o c d m a 系统可以采用无线码分复用领域广泛应用的 码组。而其它的系统则需要根据自己的特点进行设计。适用于一维时域振幅编 码o c d m a 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，尽量能够容纳更多的用户。已经提出的地址码序列有：光正交码、素数码、 准素数码、同余码、扩展同余码等。 以上针对一维时域振幅编码o c d m a 系统的地址码序列的不足之处是： 码组稀疏，使得码片周期非常短，要求光脉冲工作在p s 、f s 量级，实现 较困难，非常窄的光脉冲使得色散严重，限制了网络的规模； 提供的可用码字数较少，编码效率低； 相关性差； 不能给出任意码长、任意码重的伪随机地址码的构造。 寻找性能良好，系统实现简单的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o c d m a 系统伪随机地址码的改造和适合于光纤光栅编 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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地址码中“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 的扩时跳频码。例如对素数码中的“l 脉冲进行基于素数码的时间和波长的 组合，可以构成新的跳频扩时码。这些码组的构造同时考虑了时间和波长的组 合，因此又被称为二维码。二维码克服了单极性码可用用户数少、构造困难、 相关性差等缺点。 多波长光纤光栅在o c d m a 系统的应用带动了二维码的设计。多波长光纤 光栅是在光纤的不同位置处写入不同波长的子光栅，由于子光栅之间的位置不 可能相距太远、光栅长度不能过长，因此要求码组中“l 的位置不能相距太远， 即稀疏码组不适用于光纤光栅编解码器。b i n 于1 9 9 7 年在无线跳频系统中提出 的一次重叠序列 2 0 】在光波长编码o c d m a 系统中得到了一定的应用。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。 地址码的构造一直是0 c d m a 领域的研究热点，除了上述提到的单极性码、 二维码等，还有在空间进一步扩展的三维码，随机曼彻斯特码等。 1 4 2 光编解码器技术 光编解码器是o c d m a 通信系统中最关键的技术。根据信号处理是否以相 干为基础，o c d m a 的编码机制可分为相干编码和非相干编码。相干处理是电 c d m a 通常采用的方法，而在o c d m a 中，比较常用的是非相干信号处理方法。 在o c d m a 的研究中，编码方式由两种基本类型：扩频类型和非扩频类型，扩 频类型又可分为扩时编码和扩频编码，非扩频类型主要是以光学特征为码字的 编码。 扩频编解码 在用户的数据信号光上，通过编码器把信号光的某一参量( 如偏振方向或波 长等) 按地址序列调整，使这一参量变为一高速扩频信号。 扩时编解码 在用户数据信号光出现“1 ”的时候，发出一个短光脉冲，经编码器的作用， 得到一个短光脉冲序列来代表用户的数据，其核心是地址序列由短光脉冲形成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 非扩频类型编解码 这个类型的编解码比较典型的一种是利用光的相干性作为调制参数，例如 在相干光相干编码系统中，用户信号光经编码器调制，变成两个失去相干性的 信号，在解码端，在匹配解码器的解调下，这两个失去相干性的信号恢复相干 性，恢复出用户信号。 典型的光编解码器有光纤延迟线编解码器、光纤光栅编解码器、集成光 波导编解码器、傅氏变换( 频域) 光编解码器、全息光学编解码器等，这些编 解码器都有各自的特点和应用局限。目前，研究热点集中在光纤延迟线编解码 器、布拉格光纤光栅( f b g ) 编解码器以及阵列波导光栅( a w g ) 编解码器。 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。设计性能更好、更实用的编解码器仍是一个重要 研究方向。 1 4 3 多址干扰消除技术 多址干扰( m a d 是指同一系统中不同用户信号之间的干扰。在o t d m a 中，由于存在时隙上的保护，m a i 并不严重；而在o c d m a 系统中，由于不同 用户采用的地址码不可能完全正交，加上缺乏波长或时隙上的隔离，m 触十分 严重，它的存在严重影响系统的性能。另外，由于o c d m a 是一种干扰受限技 术，m a j 的存在也显著地降低了系统容量。 消除m a t 的传统方法有：选择正交性较好的地址码，功率控制，纠错机制， 在接收端放置光硬限幅器等。然而这些方法各有许多的局限性，不能理想地解 决m a i 问题。一种较积极的方法是采用在无线c d m a 系统中已得到广泛应用 的多用户检测技术。 1 5 本文的主要工作 本文采用并行干扰消除检测和解相关检测这两种多用户检测方法来减少多 址干扰对o c d m a 系统性能的影响，降低系统误码率，增大系统容量。论文共 分为四章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第一章主要介绍o c d m a 的技术背景、基本原理、研究历史和发展现状以 及关键技术。 第二章研究了o c d m a 系统常用的一维地址码和二维地址码的构造方法、 各种码字的相关性能和容量。分析了多址干扰对o c d m a 系统性能的影响。 第三章采用并行干扰消除检测来抑制一维o c d m a 系统的多址干扰，提高 系统性能。为了进一步改善系统性能，提出改进的并行干扰消除检测器结构和 加硬限幅器的并行干扰消除检测器结构。 第四章采用解相关检测方法来抑制二维o c d m a 系统中的多址干扰，提高 系统性能。为了迸一步改善系统性能，提出并行结构和解相关检测相结合的并 行解相关接收机结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 地址码 第2 章o c d m a 系统性能分析 在o c d m a 通信系统中，地址码的选择尤为重要，它直接决定了系统误码 性能和用户容量。地址码的类型、长度和系统的速率直接影响到编码的实现难 度、变址能力、系统的容量等。地址码的选择应具有如下特性：尖锐的自相关 峰值，低的互相关值，较大的码容量。由于强度调制的o c d m a ( 非相干系统) 采用的地址码序列为单极性码，如图2 1 所示，因此，电域中相关特性良好的 双极性码( 如m 序列，g o l d 序列) 不能用于o c d m a 系统中。所以，研究适合 o c d m a 系统的大容量、相关性能优良的地址码是o c d m a 技术的关键。 l 码片周期1c “， d；屠佣个 图2 1o c d m a 系统的地址码 f i g 2 - 1t h es i g n a t u r es e q u e n c ei na no c d m as y s t e m 衡量地址码性能好坏的标准主要是由码字的相关性决定的，包括自相关性 和互相关性。 1 自相关性 对任意地址码序列x = 扛。，而，x f ，吖川) ，码长为n ，其自相关函数为 ( 2 1 ) 其中，0 f n 1 ，0 为模n 加。要求自相关函数的主峰值越大越好，旁 瓣尽可能小，旁瓣最大值即为自相关限。 2 互相关性 任意两个不同的地址码序列x = x 0 , 工l ，而，x j 一1 ) 和 y = 抄o ，y l ，j ，y 一l 的互相关函数为 f$ 瑚 = 、， f - 一 巳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一1 q y ( r ) = x i y i 国f ( 2 2 ) i = o 其中，0 f n 一1 ，o 为模n 加。互相关值对应着检测中存在的多址干扰， 应使其尽可能地小，互相关的最大值即为互相关限。 2 1 1 一维地址码 非相干o c d m a 系统常用的一维地址码主要有素数码( p c ) 1 2 1 - 2 2 】、光正交 码( o o c ) i 0 2 3 】等。 1 素数码 p 是一个素数，构成有限域g f ( p ) 。首先生成p 个素数序列 s ，= “。，s j 1 ，s u ，s 咖。 ，其中岛。j = f j ( m o d p ) ，o i ，j - p - l 再将每个素数序 列s ，转换成一个二进制地址码序列c = 编，o ，q l ，q ，i ，q - 1 ) ，= p 2 - 1 ， o k 一1 。当七= 墨，十咖时，= l ；否则为0 。这样就构造出了p 个码长为p 2 ， 码重为p 的码字。表2 - 1 为p = 5 时构造出的素数码。 表2 - 1p = 5 时构造出的素数码 t a b l e2 ip r i m ec o d e sf o rp = 5 c 0 1 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 c l 1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 00 0 0 0 1 g 1 0 0 0 00 0 1 0 00 0 0 0 10 1 0 0 0 0 0 0 1 0 c 3 1 0 0 0 00 0 0 1 00 1 0 0 00 0 0 0 10 0 1 0 0 c 4 1 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 00 0 1 0 00 1 0 0 0 素数码的自相关限为p 1 ，互相关限为2 。素数码构造方法简单，编解码相 对容易实现。但它的自相关限为p 一1 ，收发双方很难获得同步。 2 光正交码 一个光正交码c 是一串 o ，1 序j i j ，可表示为 f ，九，九) ，其中f 是码长， 是码重，九是自相关限，t 是互相关限。光正交码满足以下三个性质： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 x i x l = c o ( 2 3 ) x i x 册九 ( 2 4 ) 而乃钟s 疋 ( 2 - 5 ) 式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 中，工y c ，o 为模n 加。( 2 4 ) 式中的整 数r 满足1 f f l ，( 2 5 ) 式中的整数f 满足0 f f l 。 构造光正交码的方法有很多，如直接构造法、递归构造法、代数构造法【2 4 1 、 有限几何法和区组设计法【2 6 】等。 常用的光正交码为( f ，c o ，1 ，1 ) o o c ，码容量为 叩棚) 端c o ( 2 6 ) 国i1 ) 当上式取等号时，则称该正交码为最佳正交码。这种码的容量与码长成正 比，与码重成反比，码长越大，码重越小，码容量越大。 ( f ，c o ，l ，1 ) o o c 的自相关限和互相关限均为1 。( f ，c o ，l ，1 ) o o c 的码字数较少， 如果放宽自相关限和互相关限，虽然码字性能下降，但码字数可增加很多。 由于( ，c o ，l ，1 ) o o c 的互相关输出峰值和自相关侧峰均为1 ，所以其它用户 引起的干扰较小，相关输出的信噪比较高，既适合同步o c d m a 系统，也适合 异步o c d m a 系统，而且较小的异相自相关输出有利于同步。缺点是码容量较 小，而且构造算法复杂。 2 1 2 二维地址码 为了克服了一维码码容量小和码的相关性能差等缺点，二维地址码引起了 研究者的广泛关注【2 7 3 2 1 。二维码的每个光脉冲不仅在时域上扩展，同时还在空 间或波长上扩展。由于增加了一个自由度，在相同扩频系数下，二维码的码容 量和相关性能相对于一维码都有较大提高。目前，跳频扩时二维码成为研究的 热点。 跳频扩时码的码字通常由一个m n 矩阵来表示，如图2 2 所示。矩阵元 素由0 或1 组成，行数m 为可用波长数，列数n 为码长。系统为每个用户分配 一个矩阵码字作为地址码。当用户发送数据比特“l ”时，根据对应的接收用户 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的码字矩阵，实际发送的是一个光脉冲序列，矩阵元素( f ，_ ，) = 1 表示第j 个脉冲 用第i 个波长传送。当用户发送数据比特“0 时，不发送任何光脉冲。在接收 端，每一行( 每个波长) 分别进行滤波和相关运算，然后再相互叠加。如果光 脉冲序列到达了正确的接收用户，则会产生一个高的自相关峰值；否则，产生 一个低的互相关值。通过设置阈值门限来检测自相关峰值，从而判断出用户发 送的数据比特。 九 毋 蔑， 1o000 0 000o 010 0 o 0ool0 搦 舢i 啊l 一- 一一i 一一一i 豳 比特周期 图2 2 跳频，扩时码的码字矩阵 f i g 2 - 2t h em a t r i xo fw a v e l e n g t hh o p p i n g t i m es p r e a d i n gc o d e w o r d 1 p r i m e p r i m e 码 p r i m e p r i m e 码的跳频模式为素数序列，时域扩展模式为素数码。参数p - - 5 时的构造方法如表2 2 所示，跳频模式中不同的波长分别用不同的数字来表示。 表2 - 2p = 5 时p r i m e p r i m e 码的构造方法 t a b l e2 - 2a l g o r i t h mo fp r i m e p r i m ec o d e sf o rp = 5 跳频模式时域扩展模式 s o 5 5 5 5 5 c o 1 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 01 0 0 0 0 s5 1 2 3 4c l 1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 00 0 0 0 1 s 2 5 2 4 1 3 c 2 1 0 0 0 00 0 1 0 00 0 0 0 10 1 0 0 00 0 0 1 0 岛5 3 1 4 2c 3 1 0 0 0 0 0 0 0 1 00 1 0 0 00 0 0 0 10 0 1 0 0 s 45 4 3 2 1c 4 1 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 1 00 0 1 0 00 1 0 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 对于素数p ，有p 个素数序列和p 个素数码。由于& 中只有个波长，所 以要舍弃掉，还剩p 一1 种跳频模式。由p 种时域扩展模式和p - 1 种跳频模式相 结合可以构造出p ( o 一1 ) = 5 4 = 2 0 个码长为p 2 = 2 5 的码字，如表2 - 3 所示。 表2 - 3p = 5 时构造的p r i m e p r i m e 码 t a b l e2 - 3p r i m e p r i m ec o d e sf o rp = 5 c 0s l5 0 0 0 010 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 0c os 35 0 0 0 03 0 0 0 010 0 0 04 0 0 0 02 0 0