（通信与信息系统专业论文）同步码分多址光纤接入网发射机关键技术及实现.pdf

摘要 随着通信业务的不断发展，接入网已经成为了整个通信网的瓶颈。本文提 出了基于同步码分多址的光纤接入方案，在对系统中发射机部分的关键技术( 拶 频码、脉冲成形、q p s k 调制) 进行理论研究的基础上，提出了相应的硬件实现 方法。在论文的末尾，对整个系统的访问控制进行了讨论。 在对m 序列和w a l s h 序列各自的性质分析以后，提出了二者结合的扩频方 案，充分利用m 序列良好的自相关特性和w a l s h 序列良好的正交特性提高系统 的性能。利用f p g a 实现了高速扩频码序列的产生。 通过对脉冲成形原理的理论分析，提出了使用具有根余弦滚降特性的f i r 数字内插滤波器对脉冲波形进行整形的方案。在硬件实现上，选用a l t e r a 公司 具有查找表结构和带有d s p 模块的的f p g a 器件分别来实现f i r 数字滤波器设 计。在系统结构上采用了并行的多相网络结构，既能充分提高系统的处理速度 又大大提高了资源的利用率。在s y s t e mv i e w 下对设计的成形滤波器进行了功能 仿真，结果表明该滤波器设计满足脉冲成形的要求。 通过使用q p s k 调制系统可以将数据的传输速率提高一倍，但是在q p s k 调制系统中，对于载波的稳定性以及相位的正交性都有很高的要求，我们提出 了一种使用正交调制器来实现q p s k 调制的方法。 在信道分配方面，提出了一种信道动态分配策略，很好地提高了系统的容 量。 本文提出的是一种较新的接入方案，它与移动通信在有些方面类似，但在 传输速率上却有很大提高，尤其是脉冲成形滤波器设计，可以应用于第三代移 动通信。 关键词：接入网、扩频、脉冲成形、内插 a b s t r a c t a n ( a c c e s sn e t w o r k 、h a sa l r e a d yb e e nt l l eb o t t l e n e c ko fw h o l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ka st h e d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e a no p t i c a la nb a s e do n s y n c h r o n o u sc d m a i sb r o u g h to u ti nt h i sp a p e r t h e o r e t i cr e s e a r c ha n dh a r d w a r e i m p l e m e n t i n gh a v eb e e nd o n eo nt h ek e yt e c h n o l o g y ( s p r e a dc o d e s ，p u l s es h a p i n g a n dq p s km o d u l a t i o n ) i nt h et r a n s m i t t e ro ft h es y s t e m ，a tt h es a m et i m ea c c e s s c o n t r o li sa l s od i s c u s s e di nt h ep a p e l t h em s e q u e n c ew h i c hh a sg o o ds e l fc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ew a l s h s e q u e n c ew h i c hh a sg o o dq u a d r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ca r eu s e da st h es p r e a ds p e c t r u m m o d u l a t i o nc o d e si ns y n c h r o n o u sc d m a s y s t e m t h es p r e a ds p e c t r u mc o d e sa r e g e n e r a t e db y f p g a 3 2t a p si n t e r p o l a t i o nf i rf i l t e ri su s e dt op u l s es h a p i n g ，w h i c hi sd e s i g n e db y f p g aw i t hl o o ku pt a b l es t r u c t u r ea n dd s pb l o c k t h ep u l s es h a p i n gf i l t e rh a st h e c h a r a c t e ro fs q u a r er o o tr a i s e dc o s i n e r o l l o f f b y u s eo ft h ef u l l p a r a l l e l a n d p o l y p h a s es t r u c t u r ei nt h es y s t e mi m p l e m e n t i n g ，h i g h u t i l i z a t i o nr a t i oi sg o t t e n f r o m t h es i m u l a t i o nr e s u l ti nt h es y s t e mv i e w , w ec a n g e ta r e s u l tt h a tt h ed e s i g nm e e t st h e e n g i n e e r i n gr e q u e s t q p s kc a ni n c r e a s e t h et r a n s m i tr a t e b yo n et i m e b u ts t a b i l i t y c a r r i e ra n d q u a d r a t u r ep h a s ea r en e e d e di nt h es y s t e m aq u a d r a t u r em o d u l a t o ri sag o o d c h o i c e t os o l v e i t ac h a n n e ld y n a m i ca l l o t m e n ts t r a t e g yi sb r o u g h tu pi nt h el a s to ft h ep a p e r ， w h i c hi su s e dt oi n c r e a s et h ec a p a c i t yo f t h es y s t e m t h es - c d m a o p t i c a la n i sas o m en e ws c h e m e ，w h i c hh a ss o m es i m i l i t u d e w i t hm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i th a sh i 【g h e rd a t ar a t et h a nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，a n d t h ep u l s es h a p i n gf i l t e ri sa l s of i tf o rt h e3 gc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：a c c e s sn e t w o r k ，s p r e a ds p e c t r u m ，p u l s es h a p i n g ，i n t e r p o l a t i o n l l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或 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了谢意。 学位论文作者签名：僦 签字日期：9 咛年1 月，8 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茔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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王灰茁 签字日期：c ：拜z 月扩日 导师签名： 第一章绪论 1 1 接入网最新进展 第一章绪论 现有的整个电信网可以分为核心网和接入网。近年来，随着传输和交换技 术的不断进步，核心网正在越来越频繁地更换和应用各种令人眼花缭乱的现代 新技术，已经成为全数字化的、软件主宰和控制的、高度集成和智能化的大系 统。而另一方面，现存的接入网仍然是被双绞线铜缆主宰的原始落后的模拟系 统。两者在技术上的巨大反差说明接入网已经成为制约全网进一步发展的瓶颈， 接入网的革新乃至革命已经势在必行。 当前，随着网络一步步的深入人心，人们对于网络的依赖也越来越大。人 们对于接入网的需求主要有以下几个方面： 1 点播电视( v o d ) 或准点播电视( n v o d ) ，又称影视点播业务或准影视点播 业务，尤其是点播电影节目。这类业务允许用户选择中心电影库中的任何一部 影片并具有很短的延时。这类业务将会是小企事业和居民用户环境下发展最快 的宽带新业务。 2 交互式图像业务。这类业务允许用户控制所看的节目例如用户可以控 制摄像机的角度，参加游戏节目，获取新闻或体育节目的额外信息等。 3 远程教育。这类业务允许分布在各地的用户都能参加现场的或录像的教 育课程。这类业务预计也相会有较大的发展潜力。 4 交互式图像游戏。这类业务允许用户通过现有的网络玩电子图像游戏， 电子图像游戏库可以有大量丰富多彩的节目供选用，这类业务也会有相当的市 场。 从上面人们的对于网络的需求情况我们可以看出，现有的接入技术很难满 足人们对接入网的需求，因此高速率、数字化、全业务、宽带化是未来接入网 发展的趋势，这也是接入网发展的目标。为了解决“信息高速公路的最后一公里” 问题，各国正竞相投入巨大的人力和物力来发展接入网技术。目前，各大通信 设备厂商正在积极发展的宽带接入网技术主要通过以下几个技术手段和技术方 案： 第一苹绪论 1 数字用户环路( d s l ) 接入技术网 由于历史原因，传统的电话用户铜线接入网构成了整个通信的重要部分， 它分布面广，所占比重大，其投资占传输线总投资的7 0 - - 8 0 ，如何充分利用 这部分宝贵资源开发新的宽带业务，是中近期接入网发展的重要任务。而数字 用户线系统( x d s l ) 就是一种充分利用铜线的宽带接入技术。x d s l 中的x 代 表了各种数字用户环路技术，包括a d s l 、r a d s l 、h d s l 、s d s l 、v d s l 和 m d s l 等等。x d s l 技术允许多种格式的数据、话音和视频信号通过铜线从局端 传给远端用户。其中，a d s l 现在正被一些城市广泛使用，它采用的是一种非对 称的数字用户环路，即用户线的上行速率和下行速率不同，根据用户使用各种 多媒体业务的特点，上行速率较低，下行速率则比较高，特别适合传输多媒体 信息业务。它采用正交调幅( q a m ) 、无载波幅度相位调制( c a p ) 、离散多音 频调制( d m t ) 等调制技术，通过对不同的业务和上下行信号采用频分复用方 式，实现了在一对普通电话线上同时传送一路高速下行单向数据、一路双向较 低速率的数据以及一路模拟电话信号，直接利用用户现有的电话线路，在线路 两侧各安装一台a d s l 调制解调器即可。在普通电话双绞线上，a d s l 典型的上 行速率为1 6 - - 6 4 0 k b p s ，下行速率为1 5 4 4 8 1 9 2 m b p s ，传输距离为3 6 k m ， 有关a d s l 的标准有a n s i 的t 1 e 1 4 、i t u t 的g 9 2 2 2 、g 9 9 2 1 等。a d s l 除可提供电话业务外还能提供多种宽带业务，如基于m p e g 一1 甚至m e p g 一2 的交互式视频应用、i n t e m e t 高速接入、局域网互联等。目前，3 c o m 、c i s c o 、 s i e m e n s 、a l c a t e l 、p a r a d y n e 等相继推出自己的a d s l 产品。 但是，从应用情况来看，a d s l 还有一些不足：目前国内开放的a d s l 的实 际带宽远远低于其理论值：每个用户的接入能力已经固定，不能动态分配带宽； 终端每个用户必须具备一个设备，每个终端占用局端的一个用户设备，当这个 用户不使用网络时，其它用户不能使用，设备总体造价较高。 2 混合光纤同轴( h r c ) 接入技术网 h f c 接入技术是以现有的c a t v 网络为基础，采用模拟频分复用技术，综 合应用模拟和数字传输技术、射频技术和计算机技术所产生的- , e e 宽带接入网 技术。h f c 网络由光纤和同轴电缆组成，和光纤到路边( f t t c ) 不同的是，其 同轴电缆不是星型结构，而是采用树型结构，通过分支器连接到终端用户。光 分配节点( o d u ) 到头端( h e ) 为星型拓扑结构，采用a n - - s c m 光波技术通 过光缆传输信号，所有连接到光节点的用户共享一条光纤线路。h f c 技术可以 统一提供c a t v 、话音、数据及其他一些交互业务，它在5 - - 5 0 m h z 频段通过 第一苹绪论 q p s k 和t d m a 等技术提供上行非广播数据通信业务，在5 0 - - 5 5 0 m h z 频段采 用残留边带调制( v s b ) 技术提供普通广播电视业务，在5 5 0 - - 7 5 0 m h z 频段采 用q a m 和t d m a 等技术提供下行数据通信业务，如数字电视和v o d 等， 7 5 0 m h z 以上频段暂时保留以后使用。由于c a t v 网络覆盖范围已经很广泛， 而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得多，因此h f c 是一种相对比较经济、高性 能的宽带接入方案，是光纤逐步推向用户的一种经济的演变策略，尤其是在有 线电视网络比较发达的地区，h f c 是一种很好的宽带接入方案。不过，h f c 接 入技术的应用也有一些需要解决的难点问题。首先，原有的c a t v 网络只提供 广播业务，大都为单向网络，为实现双向通信，需要有双向分配放大器、双向 滤波器双向干线放大器等。其次，h f c 接入网为树型结构，造成了用于数据通 信的带宽受到限制，另外树型结构使其上行信号存在噪声积累，即“漏斗效应”。 再次，h f c 网络的安全保密性、系统健壮性以及价格等问题也有待进一步解决 和完善。另外h f c 方式面临的最大困难就是体制问题。我国的有线电视和电信 部门分属不同行政部门，而h f c 接入方式恰恰需要两者的合作，二者操作起来 比较困难。 3 无线接入网 与传统的有线接入方式相比，宽带无线接入具有启动资金小，具有良好的 可扩充性，配置灵活，可以提供优质价廉的多种业务，维护成本低等优点，因 此现在越来越引起人们的关注。 宽带无线接入的技术主要有多通道多点分配业务( m m d s ) 和本地多点分配 业务( l m d s ) 两种。它们是在成熟的微波传输技术上发展起来的，所采用的调制 方式与微波传输相似，主要为相移键控p s k 和正交幅度调制q a m 。不同之处是 m m d s 和l m d s 均采用一点多址方式，微波传输则采用点对点方式。l m d s 系 统工作在2 7 5 2 9 5 g h z 这个频段，可以实现n x 6 4 k b p s 到2 m b p s 、甚至1 5 5 m b p s 的用户接入速率，具有很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”接入技术。m m d s 工作在3 g h z 左右频段，因而可用的频谱资源比l m d s 少，但其传输距离则远 远超过l m d s 。 宽带无线接入网将在低密度的分散小用户群领域、急需电话用户线的地区以 及有地理障碍的地区占有日益重要的地位。对于正在建设固定有线接入网的地 区，无线接入可作为过渡手段迅速提供新用户线，一旦有线按入网建成后，无 线接入网可以移往别处使用。农村网环境下则无线一点多址技术具有经济性和 灵活性。市场预测结果表明，无线接入技术将会有迅速的发展，在接入网领域 第一章绪论 占有不容忽视的一席之地。 4 以太网接入网 实际上，在已有的所有宽带接入技术中，以太网技术是使用最早，并为人 们熟悉的一种方式。人们常见的校园网，就大都是以太网。目前以太网的技术 已经成熟，高速千兆路由交换机也已商品化，有众多产品面市。但是，以太网 的建设不像h f c 、x d s l 可以借用现成庞大的广电网或电话网，必须单独架线， 成本太高。包括局域网、城域网和广域网的各种基础设施建设和接入互联网的 高速光纤架设，都需要庞大的人力和时间；特别是在我国城市的许多小区中， 架设以太网必须进行相当大规模的旧有设施改造( 各种线路的走向和连接设施) ， 投资更为庞大、施工也更为麻烦。这是阻碍以太网接入技术发展的主要原因。 5 纯光纤接入网 纯光纤接入网指光纤直接连到用户，中问没有其他传输媒质的应用场合， 具体又可划分为光纤到办公室( f t t o ) 矛1 1 光纤到家( f t t h ) 。由于采用光纤作为 传输媒质，可以充分利用光纤的频带宽、损耗低、不受电磁干扰的优点。光纤 设备一般比较昂贵，短期内光纤接入网经济性欠佳，但却是长远的发展方向和 最终的接入网解决方案。 1 2 光纤接入网 根据光接入网室外传输设施中是否含有有源设备，光接入网( o n a ) 又可 以划分为无源光网络c p o n ) 和有源光嘲络( a o n ) ，前者采用光分路器分路， 后者采用电复用器分路，两者均在发展，但由于有源光网络的硬件成本太高， 系统复杂，维护吲难，多数i 到家和嘲际电联标准部更注重推动p o n 的发展，i t u t 第1 5 研究组已予1 9 9 6 年6 月通过了第一个有关p o n 的国际建议g 9 8 2 ，不少 吲家也已开始或准备开始在按入网中大量引入p o n 系统。目前商用的p o n 系 统主要是窄带p o n ( 2 m b p s 以卜q k 务) ，宽带p o n ( b p o n ) 尚处j ：研宄试验阶 段，但发展势头很猛，值得密切关注。 图l l 是p o n 的典型系统结构，从图中我们可以看到整个系统主要有以 下三部分构成：光线路终端( o l t ) 、光分配网络( o d n ) 和光网络单元( o n u ) 。 多个o n u 通过无源器件o d n 共享一条光纤与o l t 进行通信。光线路终端o l t 连接外部网络和光分配网络o d n ，整个p o n 所有的智能化器件均位于这一部 分，是p o n 的核心。光分配网络o d n 利用光无源器件( 合成器、分割器、耦 - 4 - 第一章绪论 合器) 在o l t 和o n u 之间双向传输光信号。光网络单元o n u 与网络的终端用 户相连，下行传输时o n u 接收o l t 广播的信息并传送给用户，上行传输时o n u 将用户的信息向o l t 传送。 皿t 蓁 阁l 一1 p o n 典剖结构 当前，基于无源网络的光纤解决方案主要有两个：a t m 无源光网络( a p o n ) ， 以太网无源光网络( e p o n ) 。大多数的网络运营商都有一个一致的看法，认为 理想的宽带接入网络应该是基于光纤技术的，a t m 因其可以支持多业务而受到 极大的关注，于是人们自然想到将这两个技术融合到一起，于是基于a t m 的p o n 出现了，1 9 9 8 年i t u t 正式通过g 9 8 3 1 建议，对a p o n 系统作出了详尽的规 范。a p o n 系统传输下行信息的速率是1 5 5 2 m b p s 或6 2 2 0 8 m b p s ，传输上行信 息的速率是1 5 5 5 2 m b p s 。内部的消息格式允许最多达6 4 个o n u 共享同一个 a p o n ，但是由于发射功率的限制，通常还是限制一个a p o n 最多有1 6 到3 2 个o n u ，可以抵达的范围限制在2 0 k m 以内。 a p o n 系统出现以后，一部分人认为该系统结构实现复杂，价格昂贵，因此 不适合本地环路。另一方面，快速以太网、千兆以太网以及吉比特以太网技术 的不断发展和成熟，基于以太网技术的e p o n 便应运而生了。2 0 0 0 年1 1 月i e e e 成立了e f m 工作组( e t h e r n e ti nt h ef i r s tm i l es t u d yg r o u p ) ，正式提出e p o n 的 概念。在e p o n 中可以实现最高可达1 2 5 g b p s 的均衡以太网带宽，同时它可以 很好的与现有的以太网兼容，并且成本低廉，可以灵活和快速的实现服务重组。 由于e p o n 刚刚出现不久，因此还有许多问题需要解决，例如上行信道的复用 问题、实时性传输的问题，下行信道的安全问题等都需要解决，但是，e p o n 的 快速发展已经表明，它已经成为了p o n 技术发展的一个方向。 第一章绪论 1 3 论文作者的主要工作 本文的主要工作是研究同步码分多址光纤接入网中发射机的关键技术，并 在理论研究的基础上对具体的实现方法进行了阐明同时提f f l 了同步c d m a 系 统中使用的接入控制策略。 第二章在结合c d m a 技术和光纤技术的基础上提出了同步c d m a 光纤接 入的方案，并对同步c d m a 技术进行了理论分析。 第三章，论述了系统中使用扩频码进行扩频的方案，并利用可编程逻辑器 件实现了高速率扩频码的生成。 第四章，提出了利用f i r 内插数字滤波器实现脉冲成形的方案，并在对f i r 滤波器进行设计优化的基础上利用f p g a 加以实现。最后利用仿真软件对设计 的成形滤波器进行了仿真，证明该脉冲成形滤波器满足系统要求。 第五章，介绍了系统中实现q p s k 调制的具体方法。 第六章，介绍了同步码分多址光纤接入网中信道分配和用户访问策略。 - 6 一 第二章基于c d m a 多址技术的无源光接入网 第二章基于同步c d m a 技术的无源光接入网 前一章已经指出，无源光接入网是未来接入网发展的必然趋势。本章罩将 讨论在p o n 中主要使用的复用和多址技术，提出基于同步c d m a 方式的无源 光接入方案，并分析系统实现过程中发射机和接收机的主要结构。 2 1p o n 中的复用与多址技术 在通信系统中，为了降低成本、充分利用频率资源常采用多路复用技术。 所谓复用就是把多个彼此不相关的信号合并为一个复合的群信号在一条信道上 进行通信的方法。当然，通信过程中须使各个信号互不影响。多址技术是指在 通信网内处于不同位置的多对用户同时进行通信的技术。在多址技术中要研究 的问题是如何区分多个信道，使各信道问互不干扰。在p o n 中使用的复用和多 址技术主要有时分、频分、波分、码分等，它们各自的特点如下： 1 时分多址t d m a 在下行传输中，o l t 发送给o n u 的信息所占的时槽在时间上是分开的，混 合起来后再在线路上传输。在接收端o n u 根据自己所在的时隙从下行信息中提 取自己的信息。 在上行传输中，将上行传输时间分为若干时隙，在每个时隙内只安排一个 o n u 以分组的方式向o l t 发送分组信息，各o n u 按o l t 规定的顺序依次向上 游发送。为了避免o n u 向o l t 发送信息在合路时可能发生的碰撞，要求o l t 测定它与各o n u 的距离后对各o n u 进行严格的发送定时。由于各o n u 与o l t 间距离不一样，它们各自传输的上行码流衰减也不一样，到达o l t 时的各分组 信号幅度不同，因此在o l t 端不能采用判决门限恒定的常规光接收机，只能采 用突发模式的光接收机，根据每一分组信号开始的几个比特信号幅度的大小建 立合理的判决门限。各o n u 从o l t 发送的下行信号获取定时信息，并在o l t 规定的时隙内发送上行分组信号，故到达o l t 的各上行分组信号是同步的，但 由于传输距离不同，同时到达o l t 时的相位差也就不同，故在o l t 端必须采用 快速比特同步电路，在每一分组信号开始几个比特信号的时间范围内迅速建立 比特同步。采用t d m a 方式的p o n 只需要较为简单的光器件，价格经济。但由 一7 一 第二苹基于c d m a 多址技术的无源光接入网 于o l t 端需要采用特殊技术，电路部分相当复杂。 2 频分多址f d m a 这种方式就是把各路信息分别调制到不同频率上( 最常用的是单边带调制) ， 使之占有不同频带，再合起来在线路上传输。在接收端可用滤波器来分路，分 别解调出各路信号。f d m a 系统利用成熟的射频微波技术，只需简单的光器件， 经济简便。与t d m a 相比，可灵活地增加或减少o n u 的路数，系统中各上行 信道彼此独立，不需复杂的同步技术与门限判决电路。不过o l t 接收的各o n u 功率差别较大时( e h 于o n u o l t 距离不同引起) ，会引起一些问题。如强信道与 弱信道相邻时将引起严重的相邻信道干扰( a c i ) 。a c i 对信道间隙很敏感，为了 改善a c i 就应当适当增加信道间隙。此外，这种技术还影响接收机灵敏度的散 粒噪声效应，当连接的用户数较多时，这种效应会使每个用户的最大比特率受 到很大的限制。在p o n 结构中当信道传输速率为几十m b p s 时，f d m a 是一项 较为经济实用的技术。 3 波分多址w d m a w d m a 把各o n u 的上行信号分别调制为不同波长的光信号，传输至o b d 后耦合到同一馈线光纤传输到o l t ，在o l t 中利用分波器( w d m ) 分别取出属于 各o n u 的不同波长的光信号，再分别通过光电探测器( p d ) 解调为电信号。 w d m a 利用光纤的低损耗波长窗口，上行信道完全透明，能以不同的方式传输 不同的业务。与前面两种方式相比，w d m a 所用电路设备较为简单，但它要求 光源有较高的稳定度，上行信道数目及信噪比受光分波器件功能限制，系统各 通道共享光纤线路而不共享o l t 光设备，故系统成本较高。 4 码分多址c d m a c d m a 是一项广泛用于移动通信和小容量卫星通信的较为成熟的技术，在 p o n 中应用c d m a 时，每一个o n u 分配有一个多址码。下行传输时，下行信 号与相应o n u 的多址码模二加然后再调制到光纤上去，上行传输时，上行信号 码与相应o n u 的多址码模二加后再调制为同一波长的光信号。在接收端经光电 探测器( p d ) 检测出电信号再分别与同o n u 端同步的相应的多址码进行模二加， 分别恢复出原始信号。由于多址码的速率远大于信号码速率，故c d m a 系统实 际上是一种扩频通信系统。为减少各o n u 信号的串扰，所用多址码的互相关函 数峰值应尽量小，而每个多址码的自相关函数应具有尖锐的单峰特性，以便在 接收端进行准确的识别。c d m a 系统的优点是：用户地址分配灵活，抗干扰能 力强，因每个o n u 都有自己独特的多址码，故它保密性能优良。另外，它不像 塑三至董主! ! 坠垩些垫查竺垂塑些壁垒旦 t d m a 那样划分时隙，也不像f d m a 及w d m a 那样划分频隙，o n u 接入十分 灵活。 2 2 同步c d m a 方式的光纤接入网 当前，c d m a 技术已在移动通信领域得到了广泛的应用，被证明是种有 效使用频率资源的方式，即将到来的第三代c d m a 移动通信可以为用户提供更 宽的使用带宽( 2 m b p s ) ，甚至为移动用户提供多媒体服务。除了移动通信以外， 在接入网等固定用户的多媒体应用中，由于在资源利用率和灵活的网络构成等 方面的优点，c d m a 的应用也日益受到重视。c d m a 灵活的多址技术与光纤优 良的传输特性相结合而构成的新的通信系统就成为了一个比较理想的发展方 向。目前，全光纤c d m a 的技术还不成熟，“电c d m a + 光纤传输”成为了一个 比较可行的方案，所以本文提出了基于同步码分多址技术的光纤接入网解决方 案。 a a 圈2 1 接入网框削 图2 1 是整个接入网的框图，它由总控制站、用户站和定时站组成，上行 链路( 由用户站至总控制站) 和下行链路( 由总控制站至用户站) 均采取c d m a 码分多址方式来完成信道的分配，经过c d m a 扩频调制以后的电信号经过电光 转换，在光纤上进行传输，上、下行信号的传输分别采用一根光纤。在网络拓 扑结构方面，由总控制站到用户站的下行链路采用总线型的结构，由用户站到 总控制站的上行链路采用级联的链式结构。 c d m a 系统主要有同步和异步两种方式，在异步c d m a 系统中，各用户随 一0 一 第二章基于c d m a 多址技术的无源光接入网 机接入，不需要网络同步，各个用户的相对时延在扩频序列的整个周期内随机 分布。同步c d m a 系统要求各个用户之间要保持同步，也正是由于这种差别， 使得同步c d m a 系统和异步c d m a 系统的容量相差很大，异步系统的容量只有 同步系统的l o 2 0 ，在现在的c d m a 移动通信系统中，由基站到移动台的前 向链路一般采用同步方式，从移动台到基站的反向链路由于每个移动台的位置 不断变化而采用异步方式。然而，在以光纤为媒质的有线通信中，每个用户终 端的移动性不强，上行传输时延也是相对固定的，如果采取适当的措施，可以 保证总控制站通过光纤接收的不同用户发来的信号是同步的。借助上行链式传 输结构就可以保证来自每个用户终端的上行c d m a 信号在到达总站处理器时是 同步的。 同步码分多址系统中所有的用户地址码在接收点保持同步关系，并且由于 地址码之间具有正交性码，理想条件下不存在多址干扰。其工作原理可用以下 最简单的二元信息码分多址系统加以说明： 设d 沩第i 个用户的二进制信息码元，取值+ 1 或一1 ，表示为d “l ，一1 ) 。 码元宽为t ，c ( t ) 为第i 个用户的地址码，持续期为t 。用地址码c i ( t ) 乘信息 码元d i 得到第i 个用户信号s ，( f ) = d jc i ( ，) ，其中( 0 ( f t ) ( 只研究一个码元 期间) 。用户总数为l ，即i = 1 , 2 ，3 ，正。所有l 个用户的信号经过共同的传输媒 介到达接收机，则接收机的输入信号为 s ( f ) = ll s ( f ) = d f ，( f ) ，= ll = l 鼬) 溉留) ( 2 一1 ) i 到2 - - 2 筇k 个j 户的相父坛i 比机框蚓 在接收端采用相关接收方法。g q 2 - - 2 为第k 个用户的相关接收机框图。图中 积分器的输出为： 几仃) = r s ( f ) c 。( f p = 喜d j i e o ) g ( f ) 曲( 2 - - 2 ) 在同步码分多址系统中选择不同用户的地址码相互正交，即 第二章基于c d n i a 多址技术的无源光接入网 心跚p = 悟；影“乩z 3 ，工( 2 - - 3 ) 并且所有的用户地址码在接收点i 司步，将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) 得 y 女仃) = t d 。 从图2 2 可以得出：d 。= d k ( 2 - - 4 ) 由式( 2 - - 4 ) 可以看到，由于地址码的正交性，用户接收机的输出只反映 自己的信息d k ，与其它用户的信息码元无关也就是说不存在多址干扰这就是同 步码分多址原理。同步码分多址系统最主要的特点就是各用户的地址码相互正 交并且保持同步关系，在此条件下，系统中不存在多址干扰。实际码分系统采 用载波调制即用户信号为： s ( f ) = d 。c , ( t ) c o s c o 。， i = 1 , 2 3 - ，l ( 2 5 ) 令e o ) = c o ) c o s 甜d ，则不难证明， 若t o ) 。 1 ( 通常此条件均成立) 有： 脚附功= f i 歹( 2 - - 6 ) 实际上： 毫b | 啪i 蝴t _ l 、t 乙? v 卜州c o s 2 m ：t d t = 脚b ( f 枷l e o s 2 c oc t 衍 = 专rc j o ) q ( f ) 出+ 导r e o ) c ，o ) c 。s 2 出。砌 = 导r c ，( f b m + o = t 2 ( 2 7 ) n n n t o ) 。 1 时，c , ( o q ( t ) c o s 2 c o 。f 的低频分量基本为o ，故其积分( o 到t ) ) b o ，e ( f ) = c j o ) c o s 。t 之间仍然满足正交性，在接收端仍然能够解调出发送端 得数据信息。 综上所述，在同步c d m a 系统中，使用正交扩频码的各个码道在解扩时就 可以完全正交，相互间不致产生多址干扰，在系统实现方面可以简化解调器和 信号处理过程，降低设备成本，同时也降低了对功率控制的要求。从而给系统 第二章基丁c d m a 多自 技术的无源光接入网 设计带来了很大方便。 2 3 发射机和接收机的设计原理 采用c d m a 作为多址方式来区分用户，从频谱理论来看，实际上就是对用 户数据进行直接序列扩频调制，因此同步c d m a 光纤接入网中的发射机和接收 机就应该遵循直接序列扩频的原理。本节将在介绍直接序列扩频系统的基础上， 讨论本方案中涉及到的发射机和接收机基本结构以及关键技术。 2 3 1 直接序列扩频原理 扩频通信技术是以仙农( s h a n n o n ) 信息论作为理论基础而发展的。仙农有 关信息容量的著名公式为 c = i v l 0 9 2 ( 1 + 剐n ) ( 2 - - 8 ) 式( 2 8 ) 中，c 是信道容量，w 是信道带宽，n 是噪声功率，s 是信号功率。 仙农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以 及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令c 是希望具有的信道容量，即要求 的信息，对式( 2 8 ) 换成以e 为底的对数： c w = 1 , 4 4 l o gcq+sn、(2-9) 在干扰环境中的典型情况为s n 1 ，对式( 2 9 ) 用幂级数展开，略去高次项 得： c | w = 1 , 4 4 s i n t 2 - - 1 0 ) 将式( 2 1 0 ) 变为 y s = 1 4 4 i v c “吲c 或w = c n s ( 2 - - 1 1 ) 由式( 2 一1 1 ) 可以看出，对任意给定的噪声信号比，只要增加用于传输信 息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率。由此可见，只 要将欲传输的信息先用某种方式扩展其频谱，再把接收的扩谱信号的频曙变换 到原始信息带宽，信噪比就可以大大提高。这就是扩频通信的理论基础，常用 的扩频通信方式主要有直接序列扩频( d s s s ) 、跳频( f h s s ) 、跳时( t h s s ) 和线 性跳频等，其中最常用的是直接序列扩频通信系统，图2 3 为其基本组成框图。 一1 2 一 第二章基于c n 雌多址技术的无源光接入网 野嘲厂卿i 孵颧il 扩频弼| 1| 厂_ 稻r r 砬匿 | 发生器l l 发生器ll 技生器liz ， 三器l 圈2 3 赢接序列扩频通信系统框图 在直接序列扩频系统中，要传送的信息在发射端经数字化后变成二元数字 序列。它和本地产生的扩频码序列模2 相加得到复合码，完成扩频调制，然后 去调制载波。在扩频系统中，为了节省发射功率和提高发射机工作效率，通常 采用平衡调制器对载波进行相移键控调制。接收机中有一个和发射机中的扩频 码同步的本地码，接收端对从信道中接收到的信号首先进行相位解调，然后利 用本地码与相位解调下来的信号进行解扩( 也叫做缩谱) ，解扩后的信号送到解调 器就可易取出发射机传送的信息。 2 3 2 发射机和接收机基本结构及其关键技术 根据前面直接序列扩频系统的系统框图，可以设计出同步码分多址光纤接 入系统中使用的发射机和接收机。 发射机电路实现原理框图如图2 4 ： 翻2 4 发射机电路原理框图 原始数据信息经过c r c 信道编码得到4 m b p $ 的数据信息口o ) ，经过串，并 变换将2 ( f ) 分文上下两路，得到i 、q 两路信号：d , i ( f ) 和d 。o ) 。这两路信号 的数据速率降为原来的一半，各为2 m b p s 。巩( f ) 和d , q o ) 分别经过扩频码的两 次调制，得到信号： 第二章基于c d m a 多址技术的无源光接入网 l i o ) = 岛o 沙，o ) c t ) ( 2 1 2 ) q ( f ) = o 沙。0 ) c o ) ( 2 - - 1 3 ) 然后对i 、q 两路信号分别进行脉冲成形滤波，使用f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 数字滤波器对二次扩频调制后的信号进行脉冲成形，得到适合在信道中传输的 脉冲信号，最后经过q p s k ( 四相相移键控：q u a d r a t u r e p h a s es h i f tk e y i n g ) 调 制系统进行调制以后，得到信号： s o ) = 1 0 ) c o s c o o t + q o ) s i n c o o f ( 2 1 4 ) 前面所有的信号都是电信号，最后将电信号经过光发射机发射到光纤中就完成 了光纤接入。发射机的关键技术主要包括扩频码的选择和硬件实现，脉冲成形 滤波器的实现，以及q p s k 的载波调制。 同步码分多址光纤接入网中接收机主要完成同步的捕获和跟踪，扩频信号 的和载波信号的解调等工作。对于接收机中同步的捕获和跟踪，本文不作过多 阐述，这里假定接收机系统已经与发射机系统完成了载波同步以及扩频码的同 步捕获和跟踪。接收机基本电路原理框图如图2 5 所示，从光纤中接收来的光 信号首先经过p i n 完成光电转换，得到电信号r ( f ) ，再分别与正交的两路载波完 成q p s k 网2 5 接收机电路原理框图 相关解调。将解调出来的信号进行高频滤波后采样得到数字信号与本地扩频码 ( 与对应发射机的扩频码同步) 完成两次解扩，对解扩后的信号进行积分、采 样、判决恢复出i 、q 两路信号，再经并串变换就可以得到发射机的原始信号。 第三章扩频码及其产生 第三章扩频码及其产生 具有良好的伪随机特性和相关特性的扩频编码对扩频通信的性能起着决定 性的重要作用。在扩频通信系统中对扩频序列要求的理想特性是：( 1 ) 有尖锐的 自相关特性；( 2 ) 有处处为零的互相关特性；( 3 ) 不同码元数平衡相等；( 4 ) 有足够 的编码；( 5 ) 有尽可能小的复杂度。 在实际扩频通信系统中，扩频码可以分为伪噪声码( p n ) 和正交码两大类。 p n 码即伪随机码，它由反馈移位寄存器产生。正交码的互相关在同步传输时为 零，在d s c d m a 系统中正交码常常被用来区分信道。这一章将详细研究伪随机 码和正交码的原理、产生方法以及在s - - c d m a 光线接入网中的具体实现。 3 1 伪随机序列 从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为 了解扩应当有一个同发送端扩频码同步的副本。因此，实际上只能用伪随机或 伪噪声( p n ) 序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性 的、有规律的，既容易产生，又可以加工和复制。 伪随机序列中应用最广的是m 序列，又称最大长度序列。其它还有 l ( l e g e n d e r ) 序列和霍尔序列( 又叫孪生素数序列) 等。m 序列是最长线性反馈 移位寄存器l f s r ( l i n e a rf e e d b a c ks h i f tr e g i s t e r ) 序列的简称，它是由带线性 反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。在该设计系统中，利用4 级反馈移 位寄存器产生最长周期为2 4 1 = 1 5 的m 序列。下面讨论序列的产生过程： 壁五 出 时钟脉冲 图3 1 序列产生框图 如图3 1 所示，假定寄存器初始状态为1 0 0 0 ，在时钟脉冲的作用下，寄存 器的状态分别为：1 1 0 0 ，1 1 1 0 ，“1 1 ，0 1 1 1 ，1 0 1 1 ，0 1 0 1 ，1 0 1 0 ，1 1 0 1 ，0 1 1 0 ， 一1s l 第三章扩频码及其产生 0 0 1 1 ，1 0 0 l ，0 1 0 0 ，0 0 1 0 ，0 0 0 1 ，1 0 0 0 在寄存器的输出端就可以得到输出序列 为0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 从每个寄存器的状态可以看出，序列的周期为1 5 ，产生的序列是最大长度 序列。但是，当选择其它的反馈系数时就可能得不到最大长度序列。关于如何 连接电路才能得到周期最长的序列，将在后面说明。 从前面求出来的序列可以得到m 序列的性质： 1 均衡性：在m 序列中的一个周期中0 和“1 ”的数目基本相等。“1 ”比0 多一个。 2 游程分布：m 序列中，长度为l 的游程占总游程数的一半：长度为2 的 游程占总游程的1 4 ，长度为k 的游程占总游程数的2 。 3 移位相加